基于CATIA的BIM在簡支T型橋梁上的應(yīng)用

馮 川 廖勇,2

(1. 成都希盟泰克科技發(fā)展有限公司，成都 610041；2. 重慶大學(xué) 飛行器測控與通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

基于CATIA的BIM在簡支T型橋梁上的應(yīng)用

馮 川1廖勇1,2

(1. 成都希盟泰克科技發(fā)展有限公司，成都 610041；2. 重慶大學(xué) 飛行器測控與通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

通過論述CATIA在簡支T型橋梁上的應(yīng)用方法和成果，本文提出一種基于CATIA的建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)在簡支橋梁上的應(yīng)用方案。結(jié)合某鐵路橋梁工程實(shí)際，在CATIA基礎(chǔ)上，本文對模型建立提出了“數(shù)據(jù)命名規(guī)則定義—>數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)劃分—>骨架搭建—>參數(shù)化、函數(shù)化、模塊化設(shè)計(jì)—>工程量統(tǒng)計(jì)—>工程出圖”的基本流程，大大提高了設(shè)計(jì)效率，達(dá)到了方便后期對模型數(shù)據(jù)查詢與管理的效果。

CATIA；簡支T型橋梁；超級副本；模板；三維

1 概述

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對各種產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來越高。因此，人們需要更高效、更經(jīng)濟(jì)、更智慧的工具來滿足需求。在建筑行業(yè)，傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)已經(jīng)很難滿足人們對產(chǎn)品質(zhì)量、安全、經(jīng)濟(jì)的需要。因此國外許多國家引入了三維設(shè)計(jì)技術(shù)，并且提出了建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)的概念。它是一種應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)建造管理的數(shù)據(jù)化工具，通過參數(shù)化模型整合各種項(xiàng)目的相關(guān)信息，在項(xiàng)目策劃、運(yùn)行和維護(hù)的全生命周期過程中進(jìn)行共享和傳遞，使工程技術(shù)人員對各種建筑信息做出正確理解和高效應(yīng)對，為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)以及包括建筑運(yùn)營單位在內(nèi)的各方建設(shè)主體提供協(xié)同工作的基礎(chǔ)，從而在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用[1]。在我國，能源交通行業(yè)已經(jīng)較早地引入了BIM技術(shù)，技術(shù)也相對成熟,如水電、核電、隧道、鐵路、橋梁等行業(yè)。并且許多工程行業(yè)的設(shè)計(jì)院以及施工企業(yè)都已經(jīng)部署實(shí)施或者設(shè)立試點(diǎn),如成都水利水電勘測設(shè)計(jì)院、西北水利水電勘測設(shè)計(jì)院、中國中鐵二院、中國中鐵一局、中國中鐵二局等。

簡支橋梁存在抗震力弱的問題，若搭建在超高墩臺上，在超外力作用下，安全性較低等缺陷。而其勘測設(shè)計(jì)是其最重要的環(huán)節(jié)，它是工程施工的主要依據(jù)，設(shè)計(jì)質(zhì)量的優(yōu)劣和設(shè)計(jì)效率的高低直接關(guān)系著工程的質(zhì)量、安全和效益。因此，其設(shè)計(jì)工具的選擇就顯得尤為重要了。運(yùn)用先進(jìn)的三維設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)可以提高橋梁的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率、優(yōu)化設(shè)計(jì)流程、提升設(shè)計(jì)信息的共享程度和知識重用性，從而大大提高勘測設(shè)計(jì)企業(yè)的綜合競爭力[2]。

簡支T型橋梁一般組成結(jié)構(gòu)有橋臺、樁基、承臺、墩身、托盤、頂帽、墊石、支座、簡支梁、連續(xù)梁、橋面系等。從CATIA設(shè)計(jì)角度出發(fā)，一般可分為四大部分，如表1。結(jié)合CATIA軟件、工程實(shí)際和簡支橋梁的結(jié)構(gòu)組成我們提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法學(xué)。

表1 簡支T型橋梁組成

2 設(shè)計(jì)流程

為方便模型搭建以及后期對模型的查詢與管理，我們提出了以下橋梁模型建立的基本流程。數(shù)據(jù)命名規(guī)則定義—>數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)劃分—>骨架搭建—>參數(shù)化、函數(shù)化、模塊化設(shè)計(jì)—>工程量統(tǒng)計(jì)—>工程出圖。

2.1 數(shù)據(jù)命名規(guī)則定義

在CATIA中我們可以嚴(yán)格的數(shù)據(jù)命名規(guī)則有利于數(shù)據(jù)的管理、查詢，并且能夠杜絕零件編號重復(fù)的情況發(fā)生。

2.1.1 命名的一般原則

(1)使CATIA文件獲得唯一存儲標(biāo)識(PartNumber、文件名)；

(2)便于共享、可識別和使用；

(3)在保證設(shè)計(jì)需求的情況下，減少數(shù)據(jù)的冗余；

(4)便于追朔和進(jìn)行版本的有效控制；

(5)便于識別同一部件模型的不同狀態(tài)；

(6)文檔名稱與零件編號(PartNumber)名稱一致；

(7)文件名只允許包含26個大寫英文字母、10個阿拉伯?dāng)?shù)字及英文中劃線“-”組成；

(8)結(jié)構(gòu)樹命名由33個字符(含8個中劃線“-”)組成。

2.1.2 結(jié)構(gòu)樹命名規(guī)則

結(jié)構(gòu)樹命名規(guī)則如圖1，其各段代碼釋義如下：

圖1 結(jié)構(gòu)樹命名規(guī)則示意

(1)線路代碼：3個字符，原則以線路名稱的拼音首字母縮寫表示，有重復(fù)編碼時可以用數(shù)字替換；

(2)階段代碼：1個字符，如規(guī)劃階段、可行性研究階段、初步設(shè)計(jì)階段、施工圖設(shè)計(jì)階段、運(yùn)營維護(hù)階段可分別用不同的代碼代替；

(3)區(qū)間代碼：2個字符，依據(jù)實(shí)際線路進(jìn)行站與站之間的區(qū)間劃分和編碼；

(4)工點(diǎn)代碼：2個字符，依據(jù)具體線路，具體區(qū)間進(jìn)行工點(diǎn)劃分和編碼；

(5)專業(yè)代碼：2個字符，如線路、路基、橋梁、隧道、地質(zhì)等；

(6)細(xì)部結(jié)構(gòu)代碼：6個字符，每2個字符代表一個層級，合計(jì)3個層級，字符由26個大寫英文字母、10個阿拉伯?dāng)?shù)字組成。細(xì)部結(jié)構(gòu)代碼由專業(yè)內(nèi)部確定，專業(yè)代碼應(yīng)分層分級定義，除了能反應(yīng)結(jié)構(gòu)的隸屬或?qū)哟侮P(guān)系，還應(yīng)反應(yīng)結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系，例如里程從小到大、高程從搞到低、結(jié)構(gòu)從外到內(nèi)等規(guī)律；

(7)流水編碼：用于區(qū)分在不同里程上的相同區(qū)間相同部件，遞升編號；

(8)類型代碼：2個字符，區(qū)分文件用途類型，如骨架-SK、二維圖-2D、三維模型-3D等。

(9)版次：1個字符，表示修改的次數(shù)，當(dāng)然這部可以改為直接將整個模型所在文件夾直接拷貝重名民。

依據(jù)方便數(shù)據(jù)查詢與管理的命名原則，模型命名的規(guī)則可根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行相應(yīng)的簡化，并不要求嚴(yán)格按照規(guī)范命名，如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)劃分結(jié)構(gòu)剖析

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法所得到的成果，往往是散碎的、獨(dú)立的。一個項(xiàng)目做下來會有很多獨(dú)立的文件，這些獨(dú)立文件難以形成一個有規(guī)則的系統(tǒng)，因此不能進(jìn)行很好地管理和查詢。有了嚴(yán)格的數(shù)據(jù)命名規(guī)則，為更好的設(shè)計(jì)，還需要清晰的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)劃分。而這些結(jié)構(gòu)的邏輯規(guī)則可以在模型特征樹上得到反映。因此可以輕松地在結(jié)構(gòu)樹上進(jìn)行管理和查詢。從橋梁的角度講，結(jié)構(gòu)化分是按照專業(yè)或者具體結(jié)構(gòu)劃分，如大橋包含了地質(zhì)、橋臺、橋墩、梁、基礎(chǔ)、承臺、橋面系等。一般的數(shù)據(jù)劃分格式如圖3所示，各部位結(jié)構(gòu)展示如圖4、圖5、圖6所示。

圖2 結(jié)構(gòu)樹命名案例示范

圖3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)搭建示意及案例示范

圖4 橋臺結(jié)構(gòu)組成爆炸視圖

圖5 橋墩結(jié)構(gòu)組成

圖6 橋墩、橋梁剖面展示

圖7 骨架創(chuàng)建示范

2.3 骨架搭建

對于制造行業(yè)，其零部件的裝配設(shè)計(jì)包括對產(chǎn)品中各零部件模型的形狀特征信息和工程特征信息的表達(dá)，特征及其屬性的創(chuàng)建和管理。在骨架模型的基礎(chǔ)和參照基礎(chǔ)上應(yīng)用參數(shù)化特征造型完成各零部件的具體設(shè)計(jì)[3]。這樣的思想同樣可以應(yīng)用在橋梁、隧道等工程行業(yè)中。

CATIA骨架設(shè)計(jì)是指對設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行充分理解和分解后，結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程運(yùn)用主要線框控制元素對整個產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效地總體控制，形成類似樹干狀的控制結(jié)構(gòu)，并建立有效的參數(shù)信息傳遞框架及設(shè)計(jì)方法，將已建立的骨架模型中的草圖、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、幾何特征、相關(guān)參考等參考發(fā)布并復(fù)制到各零部件的設(shè)計(jì)中，這樣就可以將骨架模型中的信息共享到零部件中，從而實(shí)現(xiàn)各零部件設(shè)計(jì)所需的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)等參考信息均來自同一個骨架模型[3]。通過三維協(xié)同工具，管理人員可以將不同的骨架信息分配給不同的設(shè)計(jì)人員，各設(shè)計(jì)人員則可以在不同電腦上根據(jù)所分配到的骨架信息完成自己專業(yè)的設(shè)計(jì)。最后，將各個專業(yè)匯總，即可得到項(xiàng)目的整體模型。

在設(shè)計(jì)工作當(dāng)中，我們經(jīng)常需要繪制一些不規(guī)則的方程曲線。傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)在繪制方程曲線時，往往是應(yīng)用方程求得一系列的控制點(diǎn)，然后將這些點(diǎn)連接成為樣條曲線，或者是運(yùn)用二次開發(fā)來求得方程曲線。對于多元方程組就更加復(fù)雜了。這次我們選用的項(xiàng)目是一座鐵路用橋梁，故可以將鐵路的空間左線作為該橋梁的總體骨架。而空間左線是由一系列的直線和曲線(例如：緩和曲線)構(gòu)成，所以總體橋梁線路骨架的搭建就需要應(yīng)用方程曲線制作總體線路骨架。這里的緩和曲線就需要用三元方程組求得。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工具不同的是，CATIA中自帶方程曲線的設(shè)計(jì)代碼包，所以我們無需編寫復(fù)雜的程序代碼，直接輸入方程式就可以得到方程曲線。對于這樣的復(fù)雜方程曲線，我們可以很方便地在CATIA中直接求得，并且非常精確。下面介紹如何應(yīng)用CATIA繪制復(fù)雜的方程曲線。

我國《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定緩和曲線采用回旋線曲線，不同精度要求有不同計(jì)算公式，現(xiàn)以此項(xiàng)目的緩和曲線來展示CATIA函數(shù)化方程曲線功能處理線路緩和曲線。緩和曲線公式如下所示的公式(1)、(2)[4]。

(1)

(2)

其中，R為圓曲線半徑；ls為緩和曲線長度；l為曲線上某一點(diǎn)的測地距離。

運(yùn)用緩和曲線公式，分別創(chuàng)建x、y關(guān)于l的方程曲線，用混合曲線功能將兩條方程曲線擬合為一條關(guān)于x、y、l的三元方程曲線，將其投影到xy平面即可得到所求的緩和曲線。將所有創(chuàng)建好的空間曲線及平面曲線接合為一條曲線，再結(jié)合高程沿里程變化曲線運(yùn)用CATIA得到空間曲線，將其放大1 000倍即為實(shí)際空間曲線。并依此空間左線，按照里程及高程創(chuàng)建對應(yīng)的骨架定位信息，如圖7所示。

2.4 參數(shù)化、函數(shù)化、模板化設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)中，零件的表達(dá)和它的有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)無法完全放在一起，當(dāng)然也沒有直接的關(guān)系，以至于這些技術(shù)資料的保存和更新都十分的麻煩[5]。如傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式不能由約束值來驅(qū)動模型，因此在設(shè)計(jì)更改或者繪制相類似的圖形時，必須將原有元素刪除再重新繪制，十分費(fèi)時、費(fèi)力。CATIA可以由參數(shù)來驅(qū)動模型，在遇到設(shè)計(jì)變更時，只需修改改變的參數(shù)即可得到新的模型。在繪制相類似的模型時，我們可以將設(shè)計(jì)知識和流程集成到用戶特征、超級副本、文檔模板中，參照一定的參考元素并修改某些需要改動的參數(shù)，就可以得到新的模型。針對本項(xiàng)目，搭建好結(jié)構(gòu)、創(chuàng)建好各專業(yè)骨架后，則開始具體的建模工作，為了保證模型設(shè)計(jì)變更、參數(shù)查詢等能得以快速實(shí)現(xiàn)，就需要在對圖紙升入理解的基礎(chǔ)上，應(yīng)用參數(shù)化、函數(shù)化功能對模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。對于簡支T型橋梁，橋體由多段墩梁組成，其中包括橋墩、橋梁、橋臺、樁基、承臺等。橋墩又有空心墩與實(shí)體墩兩種，梁有簡支梁和連續(xù)鋼構(gòu)梁。對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合考慮后，可制作一些模板，后期直接調(diào)用模板，避免同一類型模型重復(fù)設(shè)計(jì)，節(jié)省設(shè)計(jì)時間，提高設(shè)計(jì)效率。橋墩模板如圖8所示，簡支T梁模板如圖9所示，連續(xù)梁如圖10所示。

完成各模板創(chuàng)建后，就可根據(jù)模板快速創(chuàng)建各部位模型。創(chuàng)建好模型后可根據(jù)模型快速查詢相關(guān)工程量、尺寸等信息，如圖11所示。

圖8 橋墩模板

圖9 簡支T梁模板

圖10 連續(xù)鋼構(gòu)梁(連續(xù)鋼構(gòu)梁只有一段，故無需制作模板)

2.5 工程圖

傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)時每一個視圖都需要手動繪制，相類似的剖面也需要復(fù)制已有的二維圖進(jìn)行修改，造成工作量大、重復(fù)和效率低下。CATIA的工程圖可以滿足多種出圖要求，它可以根據(jù)三維模型得到任意截面的剖視圖CATIA的工程圖是與三維模型相關(guān)聯(lián)的，只要三維模型發(fā)生變更，工程圖即隨之改變。并且相同類型的模型一旦做成模板調(diào)用后可直接投影工程圖。這大大降低了工作量，提高了效率，節(jié)省了成本。在CATIA中可以針對實(shí)際工程定制圖紙尺寸、字體、符號等標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語

應(yīng)用參數(shù)化骨架設(shè)計(jì)思想，可保證設(shè)計(jì)的快速調(diào)整和修改。當(dāng)有設(shè)計(jì)變更時，只需修改變更的參數(shù)即可更新得到變更后的模型。應(yīng)用知識工程模板

功能(用戶特征、超級副本、文檔模板)可以快速地實(shí)現(xiàn)知識重用，避免手動創(chuàng)建相同類型模型。應(yīng)用CATIA本身強(qiáng)大的測量功能可以快速查詢模型的工程量及其它BIM信息。

[1]張學(xué)生. BIM-推動無限延續(xù)的行業(yè)創(chuàng)新[J].中國建筑金屬結(jié)構(gòu)，2013(19)：35-36.

[2]李斌，宗志堅(jiān)，鄭會春. 水利水電工程三維設(shè)計(jì)方法引進(jìn)與研究[J].人民黃河，2011，33(5)：136-137.

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[4]王進(jìn)豐，李小帥，傅尤主. CATIA軟件在水電工程三維協(xié)同設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 人民長江，2009，40(4)：68-70.

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Application of CATIA-based BIM for Simply-supported T-type Bridge

Feng Chuan1, Liao Yong1,2

(1.ChengduSimu-TechTechnologyDevelopmentCo.,Ltd.,Chengdu610041,China; 2.KeyLaboratoryofAerocraftTrackingTelemetering&CommandandCommunication,MinistryofEducation,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)

In this paper, we put forward application solutions using CATIA-based BIM in the simply supported bridge by discussing the methods and results of CATIA applied in the simply-supported T-type bridge. With the combination of practical engineering and CATIA, we put forward a basic process-“data naming rule definition—> data structure division—> skeleton structures—> parameter, function, modular design—> quantity statistics—> engineering drawing”-of establishing a model which improves the design efficiency greatly and provides convenience for query and management of model data in the later stage.

CATIA; Simply-supported T Bridge; Super Copy; Template; Three-dimensional

馮川 (1989-)，男，工程師。主要從事CATIA/DELMIA在工程中的實(shí)施應(yīng)用; 廖勇 (1982-)，男，博士，講師。主要從事虛擬現(xiàn)實(shí)與軟件仿真、無線通信網(wǎng)絡(luò)的研究。

U448·21+7

A

1674-7461(2015)02-0014-06