基于信息模型的鐵路橋梁協(xié)同設(shè)計(jì)方法研究

摘要：當(dāng)前，鐵路橋梁協(xié)同設(shè)計(jì)點(diǎn)位部署方式一般設(shè)定為獨(dú)立目標(biāo)式，協(xié)同的效率較低，導(dǎo)致最終得出的荷載傳遞比下降，為此文章提出對基于信息模型的鐵路橋梁協(xié)同設(shè)計(jì)方法的實(shí)踐與分析研究。結(jié)合當(dāng)前需求，采用層級的方式，強(qiáng)化協(xié)同的效率，部署鐵路橋梁協(xié)同點(diǎn)位層級，并設(shè)定數(shù)據(jù)共享機(jī)制。以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)信息模型鐵路橋梁協(xié)同結(jié)構(gòu)，采用自適應(yīng)修正的方式來實(shí)現(xiàn)協(xié)同處理。測試結(jié)果表明：對比于BIM技術(shù)鐵路橋梁協(xié)同設(shè)計(jì)方法、位移處理鐵路橋梁協(xié)同設(shè)計(jì)方法，此次所設(shè)計(jì)的信息模型鐵路橋梁協(xié)同設(shè)計(jì)方法應(yīng)用效果更佳，得出的荷載傳遞比均可以達(dá)到12.55以上，這說明在信息模型的輔助下，鐵路橋梁協(xié)同設(shè)計(jì)方法更加靈活、多變，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：信息模型；鐵路橋梁；協(xié)同設(shè)計(jì)；數(shù)字化技術(shù)；橋梁建設(shè)仿真

中圖分類號：U448.13" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

現(xiàn)代鐵路的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)維的復(fù)雜性日益凸顯。傳統(tǒng)的鐵路橋梁設(shè)計(jì)方法往往采用單一的、孤立的設(shè)計(jì)思路，缺乏多學(xué)科、多領(lǐng)域之間的有效協(xié)同，難以適應(yīng)當(dāng)前鐵路橋梁建設(shè)的多元化和復(fù)雜化需求。為提升整體的工程建設(shè)目標(biāo)，強(qiáng)化協(xié)同設(shè)計(jì)方案，相關(guān)人員設(shè)計(jì)了應(yīng)對性更強(qiáng)的設(shè)計(jì)形式。王開等［1］提出BIM技術(shù)鐵路橋梁協(xié)同設(shè)計(jì)方法，主要是結(jié)合BIM技術(shù)，構(gòu)建協(xié)同建設(shè)仿真環(huán)境，通過協(xié)同訓(xùn)練、修正、計(jì)算等方式，優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，強(qiáng)化處理效果；而武少威等［2］提出的位移處理鐵路橋梁協(xié)同設(shè)計(jì)方法則是以橋梁建設(shè)的場景為主，依賴于同點(diǎn)位的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，增加橋梁建設(shè)環(huán)節(jié)的緊密性，實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)目標(biāo)。這些方法雖然可以實(shí)現(xiàn)橋梁協(xié)同建設(shè)，但是缺乏穩(wěn)定性與針對性，處理的效率較低，容易影響后期的施工處理。為此提出對基于信息模型的鐵路橋梁協(xié)同設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)與分析研究。所謂信息模型，是一種集成化、數(shù)字化的設(shè)計(jì)工具，被用于對鐵路橋梁設(shè)計(jì)全過程的精確描述和高效管理［3］。通過構(gòu)建統(tǒng)一的信息模型平臺，整合橋梁設(shè)計(jì)涉及的各個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域的信息資源，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的共享和互通［4］，一定程度上有助于提升設(shè)計(jì)效率，確保設(shè)計(jì)過程中的信息一致性和準(zhǔn)確性。與協(xié)同設(shè)計(jì)的融合，也可以加強(qiáng)各學(xué)科、各領(lǐng)域之間的溝通與協(xié)作，共同推動(dòng)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化和完善，打破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式中的信息壁壘，促進(jìn)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)之間的有效溝通與合作，從而提升設(shè)計(jì)質(zhì)量和水平［5］。

1 構(gòu)建鐵路橋梁信息模型協(xié)同設(shè)計(jì)方法

1.1 鐵路橋梁協(xié)同點(diǎn)位層級部署及數(shù)據(jù)共享機(jī)制設(shè)定

協(xié)同點(diǎn)位部署需要結(jié)合實(shí)際的鐵路橋梁協(xié)同處理需求，且在部署的過程中，盡量擴(kuò)大實(shí)際的覆蓋范圍，加強(qiáng)協(xié)同管理［6］。首先要明確鐵路橋梁設(shè)計(jì)涉及的各個(gè)環(huán)節(jié)特定的需求和關(guān)注點(diǎn)，在信息模型中建立與之相匹配的共享交互點(diǎn)位［7］。點(diǎn)位可以是橋梁的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位、電氣設(shè)備的安裝位置、施工階段的劃分點(diǎn)等。通過在這些點(diǎn)位上設(shè)置協(xié)同節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和信息的采集，有助于進(jìn)行必要的溝通和協(xié)調(diào)。但是需要注意的是，在進(jìn)行點(diǎn)位部署時(shí)，為保證協(xié)同管控效果平衡，需要計(jì)算出節(jié)點(diǎn)間距，如公式（1）所示：

r=d2－∑v=1μv+（1）

式（1）中：r表示節(jié)點(diǎn)間距；d表示覆蓋范圍；μ表示單元識別區(qū)域；v表示可控協(xié)同點(diǎn)；表示重疊區(qū)域。結(jié)合當(dāng)前設(shè)定，調(diào)整修正節(jié)點(diǎn)的具體位置。在此基礎(chǔ)之上，進(jìn)行鐵路橋梁共享機(jī)制的設(shè)定。

（1）建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和格式，便于不同軟件平臺之間能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和共享。

（2）設(shè)定數(shù)據(jù)訪問權(quán)限和更新規(guī)則，確保只有經(jīng)過授權(quán)的人員才能對數(shù)據(jù)進(jìn)行修改和更新，避免數(shù)據(jù)被誤改或?yàn)E用。

（3）要建立數(shù)據(jù)版本控制機(jī)制，以便追蹤數(shù)據(jù)的變更歷史，確保設(shè)計(jì)過程中的數(shù)據(jù)可追溯和可管理。

此外，為了提高協(xié)同效率，利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段構(gòu)建數(shù)據(jù)共享平臺，在建設(shè)橋梁的過程中，整合各方資源，提供數(shù)據(jù)查詢、下載、上傳等功能，方便各方隨時(shí)獲取所需信息，幫助設(shè)計(jì)人員更好地理解數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)問題并優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，奠定基礎(chǔ)協(xié)同條件。

1.2 設(shè)計(jì)信息模型鐵路橋梁協(xié)同結(jié)構(gòu)

協(xié)同結(jié)構(gòu)需要明確設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的組織架構(gòu)和角色分工。鐵路橋梁設(shè)計(jì)涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)、施工管理等多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，因此，在協(xié)同結(jié)構(gòu)中，要先明確每個(gè)專業(yè)領(lǐng)域的職責(zé)和權(quán)限，確保各方能夠充分發(fā)揮自身專業(yè)優(yōu)勢，共同參與設(shè)計(jì)過程。建立有效的溝通機(jī)制，基于鐵路橋梁的施工建設(shè)需求，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。

結(jié)合圖1，實(shí)現(xiàn)對信息模型鐵路橋梁協(xié)同結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐分析。在此基礎(chǔ)之上，還可以增設(shè)關(guān)聯(lián)在線協(xié)作平臺、定期會議等，以便各方能夠?qū)崟r(shí)分享設(shè)計(jì)進(jìn)展、解決問題和協(xié)調(diào)工作。與此同時(shí)，結(jié)合信息模型，還需要建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、一致性和完整性，設(shè)定版本控制機(jī)制，以便追蹤設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的變更歷史，確保設(shè)計(jì)過程中的數(shù)據(jù)可追溯和可管理。

最后，協(xié)同結(jié)構(gòu)應(yīng)關(guān)注設(shè)計(jì)流程的優(yōu)化和協(xié)同效率的提升。這部分可以合理地安排流程和配置資源，縮短設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，建立與上述結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)協(xié)同流程，如圖2所示。

結(jié)合圖2，實(shí)現(xiàn)對關(guān)聯(lián)協(xié)同流程的設(shè)定。此外，還需要結(jié)合信息技術(shù)手段，強(qiáng)化可控范圍，提升協(xié)同設(shè)計(jì)的效率和智能化水平，增加設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)之間的合作與創(chuàng)新，推動(dòng)鐵路橋梁設(shè)計(jì)領(lǐng)域的發(fā)展。

1.3 自適應(yīng)修正實(shí)現(xiàn)協(xié)同處理

自適應(yīng)修正機(jī)制依賴于信息模型的實(shí)時(shí)更新和反饋。隨著設(shè)計(jì)的深入，新的數(shù)據(jù)和信息不斷被添加到信息模型中。自適應(yīng)修正機(jī)制對這些新數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理和分析，識別出與設(shè)計(jì)目標(biāo)或約束條件不符的部分，并自動(dòng)提出修正建議。由于鐵路橋梁設(shè)計(jì)涉及多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域和復(fù)雜的環(huán)境因素，設(shè)計(jì)過程中可能會出現(xiàn)各種預(yù)料之外的情況。

自適應(yīng)修正機(jī)制會根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行靈活調(diào)整，以適應(yīng)不同的設(shè)計(jì)需求和環(huán)境變化。此時(shí)需要計(jì)算出自適應(yīng)修正可控差，如公式（2）所示：

X=2－wq（2）

式（2）中：X表示自適應(yīng)修正可控差；表示承載值；w表示單向荷載；q表示支撐點(diǎn)。將得出的自適應(yīng)修正可控差設(shè)定為協(xié)同設(shè)計(jì)的約束條件，與信息模型融合，確保修正過程的連貫性和高效性，減少人為干預(yù)和錯(cuò)誤，提高修正過程的計(jì)算效率和數(shù)據(jù)處理能力。

2 實(shí)驗(yàn)

結(jié)合信息模型，對鐵路橋梁協(xié)同設(shè)計(jì)方法實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析與驗(yàn)證研究?？紤]到測試結(jié)果的真實(shí)與穩(wěn)定，結(jié)合協(xié)同設(shè)計(jì)需求，參考文獻(xiàn)設(shè)定BIM技術(shù)鐵路橋梁協(xié)同設(shè)計(jì)方法、位移處理鐵路橋梁協(xié)同設(shè)計(jì)方法和信息模型鐵路橋梁協(xié)同設(shè)計(jì)方法。選定A鐵路橋梁工程作為主要測試對象，采用專業(yè)的裝置設(shè)備進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用數(shù)據(jù)和信息的采集，匯總之后以待后續(xù)使用。以信息模型作為引導(dǎo)，進(jìn)行測試環(huán)境的搭建。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

針對A鐵路橋梁工程實(shí)況，進(jìn)行施工狀態(tài)簡述以及基礎(chǔ)布置。選擇鐵路的類型為重載鐵路，經(jīng)過調(diào)研得知鐵路的全長為20.5km，橋梁預(yù)設(shè)為中橋類型，橋梁支撐共需要建設(shè)12座，橋梁總長為3.8km。將當(dāng)前的橋梁劃分為4個(gè)測定設(shè)計(jì)路段，每一個(gè)路段需要部署一定數(shù)量的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，便于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及信息的采集。隨后，結(jié)合信息模型，進(jìn)行橋梁協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境的搭接，具體如表1所示。

結(jié)合表1，實(shí)現(xiàn)對鐵路橋梁協(xié)同設(shè)計(jì)測試環(huán)境的設(shè)定。使用信息模型對當(dāng)前鐵路橋梁進(jìn)行仿真設(shè)定，增加協(xié)同管控的覆蓋范圍，使用專業(yè)的設(shè)備輔助采集數(shù)據(jù)和信息，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)測試環(huán)境的布設(shè)。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果分析

依據(jù)上述設(shè)定的測試環(huán)境，結(jié)合信息模型，對鐵路橋梁協(xié)同設(shè)計(jì)方法進(jìn)行對比測定。采集預(yù)設(shè)周期的數(shù)據(jù)和信息，并將可應(yīng)用數(shù)據(jù)導(dǎo)入測試系統(tǒng)之中，建立仿真環(huán)境，奠定基礎(chǔ)約束條件。使用信息模型對當(dāng)前的鐵路橋梁進(jìn)行掃描處理，并將協(xié)同設(shè)計(jì)的方案置于預(yù)設(shè)的環(huán)境之中，并將其劃分為總體布置和構(gòu)件布置，具體如圖3所示。

結(jié)合圖3，實(shí)現(xiàn)對信息模型下鐵路橋梁多維布置結(jié)構(gòu)的設(shè)定與關(guān)聯(lián)。在此基礎(chǔ)之上，根據(jù)信息模型的處理標(biāo)點(diǎn)，設(shè)置對應(yīng)邊界條件，并使用信息程序?qū)Ξ?dāng)前的協(xié)同設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整處理，此時(shí)需要依據(jù)邊界差值來判定當(dāng)前結(jié)合信息模型對鐵路橋梁的協(xié)同處理效果?；诖?，以動(dòng)態(tài)荷載和靜態(tài)荷載作為引導(dǎo)，測定分析協(xié)同設(shè)計(jì)后的荷載傳遞比。結(jié)合上述測定，實(shí)現(xiàn)對測試結(jié)果的分析，具體如表2所示。

根據(jù)表2，實(shí)現(xiàn)對測試結(jié)果的分析：對比于BIM技術(shù)鐵路橋梁協(xié)同設(shè)計(jì)方法、位移處理鐵路橋梁協(xié)同設(shè)計(jì)方法，此次所設(shè)計(jì)的信息模型鐵路橋梁協(xié)同設(shè)計(jì)方法應(yīng)用效果更佳，得出的荷載傳遞比均可以達(dá)到12.55以上。這說明在信息模型的輔助下，所設(shè)計(jì)的鐵路橋梁協(xié)同設(shè)計(jì)方法更加靈活、多變，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)語

本文對基于信息模型的鐵路橋梁協(xié)同設(shè)計(jì)方法進(jìn)行深入研究，通過構(gòu)建統(tǒng)一的信息模型平臺，可強(qiáng)化對鐵路橋梁建設(shè)的控制條件，在施工建設(shè)的過程中，實(shí)現(xiàn)信息、數(shù)據(jù)的有效整合與共享，多方面打破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的信息孤島，推動(dòng)了設(shè)計(jì)流程的優(yōu)化與升級。與此同時(shí)，協(xié)同設(shè)計(jì)的理念在鐵路橋梁設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用，促進(jìn)了團(tuán)隊(duì)成員間的深度溝通與緊密合作，進(jìn)一步提升了設(shè)計(jì)質(zhì)量與創(chuàng)新水平，探索更加高效、精準(zhǔn)的協(xié)同設(shè)計(jì)策略，為鐵路橋梁的安全、高效和可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)更多力量。

參考文獻(xiàn)

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（編輯 李春燕編輯）

Research on collaborative design method for railway bridges based on information modeling

LUO" An， ZHU" Baohong

（China Design Group， Nanjing 210014， China）

Abstract： The current deployment method for railway bridge collaborative design is generally set as an independent target type， which results in low efficiency of collaboration and a decrease in the final load transfer ratio. Therefore， this paper proposes a practical and analytical study on the information model-based railway bridge collaborative design method. Based on current needs， adopt a hierarchical approach to enhance collaboration efficiency， deploy railway bridge collaboration point hierarchy， and set up a data sharing mechanism. Based on this， design an information model for railway bridge collaborative structure， and adopt an adaptive correction method to achieve collaborative processing. The test results show that compared with the BIM technology railway bridge collaborative design method and displacement processing railway bridge collaborative design method， the information model railway bridge collaborative design method has better application effect， and the load transfer ratio obtained can all reach 12.55 or above. This indicates that with the assistance of the information model， the railway bridge collaborative design method is more flexible and versatile， and has practical application value.

Key words： information model; railway bridge; collaborative design; digital technology; bridge construction simulation