基于BIM的橋梁智能設(shè)計(jì)與自動(dòng)繪圖系統(tǒng)的研究與實(shí)踐

韓厚正

（上海同豪土木工程咨詢(xún)有限公司 上海 200092）

基于BIM的橋梁智能設(shè)計(jì)與自動(dòng)繪圖系統(tǒng)的研究與實(shí)踐

韓厚正

（上海同豪土木工程咨詢(xún)有限公司 上海 200092）

介紹了基于BIM的橋梁智能設(shè)計(jì)與自動(dòng)繪圖系統(tǒng)的主要功能及特色、系統(tǒng)架構(gòu)與核心平臺(tái)、工程應(yīng)用情況。

建筑信息模型；橋梁智能設(shè)計(jì)；自動(dòng)繪圖

概述

橋梁設(shè)計(jì)主要工作就是收集資料、確定橋位、布置跨徑、結(jié)構(gòu)選型、擬定尺寸、結(jié)構(gòu)分析及配筋計(jì)算，最終以工程圖紙形式將設(shè)計(jì)方案完整表達(dá)出來(lái)，橋梁設(shè)計(jì)技術(shù)難度高、工作量大。目前橋梁設(shè)計(jì)軟件僅能實(shí)現(xiàn)局部輔助建?；蚶L圖，尚無(wú)法有效實(shí)現(xiàn)橋梁方案的智能設(shè)計(jì)與工程圖紙的全自動(dòng)繪制，從而制約了橋梁設(shè)計(jì)效率[1,2]。因此，同豪土木傾力研發(fā)了一套基于建筑信息模型（BIM）的橋梁智能設(shè)計(jì)與自動(dòng)繪圖系統(tǒng)——“方案設(shè)計(jì)師”。該系統(tǒng)是為橋梁設(shè)計(jì)工程師量身定制，它遵循行業(yè)規(guī)范并采納行業(yè)習(xí)慣，能協(xié)助工程師高智能、高質(zhì)量地快速建立橋梁設(shè)計(jì)方案，建立全橋的全關(guān)聯(lián)、數(shù)字化的建筑信息模型，能自動(dòng)完成橋梁方案圖、施工圖的全自動(dòng)繪制；同時(shí)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)多個(gè)角色能在該系統(tǒng)上高效協(xié)同工作，將設(shè)計(jì)工程師從繁重的建模、制圖工作中解放出來(lái)，大大提高了設(shè)計(jì)效率又確保了設(shè)計(jì)質(zhì)量。下文就該系統(tǒng)的主要功能及特色、系統(tǒng)架構(gòu)與核心平臺(tái)、工程應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

系統(tǒng)功能及特色

系統(tǒng)主要功能

“方案設(shè)計(jì)師”作為一款基于BIM的橋梁智能設(shè)計(jì)與自動(dòng)繪圖系統(tǒng)，應(yīng)具備以下主要功能：

1) 便捷強(qiáng)大的設(shè)計(jì)資料編輯和管理功能

橋梁設(shè)計(jì)需要的資料如路線(xiàn)、地質(zhì)、水文、被交道路等多種數(shù)據(jù)均能在系統(tǒng)中進(jìn)行便捷的錄入和圖形交互編輯；并且可與緯地等道路設(shè)計(jì)軟件無(wú)縫銜接，一鍵導(dǎo)入路線(xiàn)數(shù)據(jù)，避免重復(fù)錄入，實(shí)現(xiàn)與道路工程師的高效協(xié)同。

2) 針對(duì)各設(shè)計(jì)階段的智能化設(shè)計(jì)功能

在橋梁方案設(shè)計(jì)階段，系統(tǒng)能自動(dòng)擬定橋梁中心位置，考慮橋下障礙、被交道路和通航需要等因素后自動(dòng)分孔，根據(jù)路面布置自動(dòng)設(shè)計(jì)橋面布置。在橋梁初步設(shè)計(jì)階段，能根據(jù)跨徑、斜交角、曲率半徑等特征自動(dòng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型，再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫(kù)、設(shè)計(jì)原則庫(kù)進(jìn)行自動(dòng)布置、自動(dòng)擬定構(gòu)件尺寸等，通過(guò)構(gòu)件裝配關(guān)系自動(dòng)計(jì)算特征標(biāo)高和坐標(biāo)，從而建立起全關(guān)聯(lián)的橋梁信息模型，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)關(guān)鍵構(gòu)造數(shù)據(jù)，并可按照約定規(guī)則對(duì)全橋關(guān)鍵尺寸如樁柱尺寸、系梁尺寸、支座墊石和楔形塊規(guī)格等進(jìn)行規(guī)格化設(shè)計(jì)。在施工圖設(shè)計(jì)階段，能自動(dòng)批量地進(jìn)行鋼筋鋼束設(shè)計(jì)，并能從計(jì)算分析系統(tǒng)批量導(dǎo)入計(jì)算分析結(jié)果如鋼束配置數(shù)據(jù)。

3) 強(qiáng)大的自動(dòng)繪圖及圖紙自動(dòng)成冊(cè)功能

基于全橋的建筑信息模型，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)常規(guī)裝配式梁橋、立交互通橋梁的全橋工程圖紙的自動(dòng)繪制；并且系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)一個(gè)項(xiàng)目的完整圖冊(cè)的自動(dòng)編制和出版。圖紙繪圖風(fēng)格一致，而且能自定義設(shè)置，滿(mǎn)足多樣化需求。

4) 豐富的工程指標(biāo)控制功能

系統(tǒng)基于橋梁的建筑信息模型提供大量的指標(biāo)查詢(xún)和復(fù)核工具，如：每平米材料用量、鋪裝厚度查詢(xún)、單樁承載力查詢(xún)、特征指標(biāo)是否超越規(guī)范限定檢查等。這些查詢(xún)和復(fù)核功能有助于對(duì)工程進(jìn)行質(zhì)量控制和方案優(yōu)化。

5) 高效的協(xié)同工作平臺(tái)

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)中總工、負(fù)責(zé)人、工程師、管理員等多個(gè)角色能在該平臺(tái)上高效協(xié)同工作，各個(gè)角色都有自己獨(dú)立的操作界面和數(shù)據(jù)簽入、簽出操作流程，并可隨時(shí)在權(quán)限范圍內(nèi)建立和審查相關(guān)成果，使得并行工作能力顯著提升，項(xiàng)目整體設(shè)計(jì)效率大幅提高。

系統(tǒng)特色

1）系統(tǒng)建立了全關(guān)聯(lián)的、數(shù)字化的橋梁信息模型，實(shí)現(xiàn)了全橋設(shè)計(jì)方案的自動(dòng)化聯(lián)動(dòng)更新，適應(yīng)了方案的頻繁變更。各種變更都能在系統(tǒng)中得到實(shí)時(shí)的聯(lián)動(dòng)更新，確保了全橋數(shù)據(jù)的一致匹配，減少了重復(fù)性勞動(dòng)。

2）系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的圖形交互建模功能，使得變截面箱梁、變寬和分叉異形箱梁這類(lèi)復(fù)雜構(gòu)件的設(shè)計(jì)更便捷、更高效。

3）系統(tǒng)預(yù)置了大量裝配式構(gòu)件的通用圖，形成了可重復(fù)使用的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫(kù)。

4）系統(tǒng)預(yù)置了豐富的設(shè)計(jì)方法庫(kù)，并且設(shè)計(jì)人員可在系統(tǒng)中自定義設(shè)計(jì)方法，為設(shè)計(jì)院內(nèi)部設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的累積和傳承提供了數(shù)字化載體。

5）系統(tǒng)建立了數(shù)字化的橋梁設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)庫(kù)，將設(shè)計(jì)過(guò)程中規(guī)律性、規(guī)范性的東西固化到軟件中，把設(shè)計(jì)師的成熟經(jīng)驗(yàn)形成數(shù)字化方案融入到軟件中，實(shí)現(xiàn)了智能化設(shè)計(jì)[3]。橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，只有一小部分參數(shù)是依據(jù)具體工程環(huán)境如地質(zhì)、荷載等級(jí)等而變的，也就是橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)。系統(tǒng)將具體工程環(huán)境參數(shù)化并建立分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，再將具體工程環(huán)境參數(shù)與各種橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，也就形成了橋梁設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)庫(kù)。實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)，只需明確具體工程環(huán)境參數(shù)值即可自動(dòng)搜索橋梁設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)庫(kù)，高質(zhì)、高效、智能化地形成橋梁方案。

6）系統(tǒng)預(yù)置了豐富的橋梁零件庫(kù)，包括：混凝土、鋼筋、鋼束等工程材料欄桿、防撞護(hù)欄、人行道等橋面系，錐坡、人洞、檢修孔、泄水孔等附屬結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)架構(gòu)與核心平臺(tái)

“方案設(shè)計(jì)師”是一個(gè)交互式、集成式的軟件系統(tǒng)，采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)思路，基于C++語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1所示。該系統(tǒng)以圖形化操作桌面為交互載體，以數(shù)字化的橋梁信息模型為核心，由標(biāo)準(zhǔn)件平臺(tái)、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)平臺(tái)、設(shè)計(jì)方法平臺(tái)、輔助圖形編輯平臺(tái)、制圖平臺(tái)、結(jié)構(gòu)分析平臺(tái)、統(tǒng)計(jì)查詢(xún)平臺(tái)共七大核心平臺(tái)構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)。

圖 1 “方案設(shè)計(jì)師”系統(tǒng)架構(gòu)框圖

標(biāo)準(zhǔn)件平臺(tái)用來(lái)管理各類(lèi)構(gòu)件在根據(jù)固定規(guī)則去掉受具體工程環(huán)境影響的參數(shù)后形成的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫(kù)，使得標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件可供有條件地選用，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)人員的重復(fù)勞動(dòng)。設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)平臺(tái)建立了數(shù)字化的設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)，將各種具體工程環(huán)境參數(shù)與各種橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)之間按照設(shè)計(jì)控制原則建立了索引取值關(guān)系，形成了橋梁設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)庫(kù)，方便了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的累積和傳承。設(shè)計(jì)方法平臺(tái)通過(guò)一系列設(shè)計(jì)流程和規(guī)則的參數(shù)化和對(duì)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件按約定條件的智能選用，實(shí)現(xiàn)了模型參數(shù)的智能確定，并可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的持續(xù)優(yōu)化。輔助圖形編輯平臺(tái)則為復(fù)雜構(gòu)件的構(gòu)造設(shè)計(jì)、鋼筋設(shè)計(jì)、鋼束設(shè)計(jì)提供了尺寸驅(qū)動(dòng)的圖形交互操作桌面，讓復(fù)雜構(gòu)件的設(shè)計(jì)更便捷、更智能。制圖平臺(tái)通過(guò)自定義繪圖風(fēng)格、圖元繪制函數(shù)集、圖面美觀自動(dòng)調(diào)整算法、鋼筋智能布置及繪制算法集等強(qiáng)大的平臺(tái)接口為各類(lèi)施工圖的繪制提供了強(qiáng)大的基礎(chǔ)支撐。結(jié)構(gòu)分析平臺(tái)則為橋梁結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析提供了算法引擎。統(tǒng)計(jì)查詢(xún)平臺(tái)則根據(jù)橋梁信息模型進(jìn)行多個(gè)維度的統(tǒng)計(jì)分析、指標(biāo)查詢(xún)和校核，有效地控制工程項(xiàng)目的安全性、經(jīng)濟(jì)性和一致性。

工程應(yīng)用

“方案設(shè)計(jì)師”系統(tǒng)自2011年推出第一版以來(lái)，在幾百家公路交通、市政設(shè)計(jì)院得到了廣泛應(yīng)用，顯著提高了橋梁工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。近 3年來(lái)研發(fā)團(tuán)隊(duì)根據(jù)多家設(shè)計(jì)院的反饋意見(jiàn)進(jìn)行了多個(gè)版次的修改完善和升級(jí)，更好滿(mǎn)足了用戶(hù)需求。其中，浙江三門(mén)灣跨海大橋包括戴港互通、新橋樞紐等8個(gè)立交互通在內(nèi)，總長(zhǎng)近12公里的橋梁設(shè)計(jì)項(xiàng)目全部采用該系統(tǒng)完成，得益于該系統(tǒng)數(shù)字化的橋梁設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)庫(kù)以及強(qiáng)大的智能設(shè)計(jì)和自動(dòng)出圖功能，該項(xiàng)目的近萬(wàn)張施工圖紙僅采用10余名橋梁工程師歷時(shí)約半年時(shí)間就得以完成，期間還經(jīng)歷了多輪的設(shè)計(jì)方案及圖紙校審，適應(yīng)了近十個(gè)輪次的大小變更，最終圓滿(mǎn)完成了該工程的設(shè)計(jì)工作，在確保設(shè)計(jì)質(zhì)量的同時(shí)顯著提高了設(shè)計(jì)效率。

結(jié)束語(yǔ)

“方案設(shè)計(jì)師”系統(tǒng)作為一款以全橋的建筑信息模型為核心的綜合型橋梁智能設(shè)計(jì)與自動(dòng)繪圖系統(tǒng)，是一次創(chuàng)新性的技術(shù)實(shí)踐，而且深入切合了廣大橋梁設(shè)計(jì)工作者的實(shí)際需要。通過(guò)大量的實(shí)際工程應(yīng)用證明，基于BIM的橋梁智能設(shè)計(jì)與自動(dòng)繪圖系統(tǒng)必將要成為橋梁設(shè)計(jì)工作者的必備利器，也將是橋梁設(shè)計(jì)行業(yè)效率和效益提升的法寶。

[1] 楊季湘. 橋梁繪圖系統(tǒng)的研制和應(yīng)用[J]，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，1998，10(3)，280-285

[2] 尤文剛，孔祥勇. 集成化橋梁CAD系統(tǒng)分析[J]，四川建筑，2006，26(3) ，109-111

[3] 馮延力. 從輔助建模到智能設(shè)計(jì)——BIM設(shè)計(jì)軟件發(fā)展的思考[A]， 第十七屆全國(guó)工程建設(shè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用大會(huì)論文集，2014，469-474

韓厚正，長(zhǎng)期從事橋梁智能化設(shè)計(jì)與自動(dòng)化繪圖的技術(shù)研究和軟件研發(fā)，曾主持完成了“橋梁設(shè)計(jì)師”、“方案設(shè)計(jì)師”等多款橋梁軟件系統(tǒng)的研發(fā)。

U45

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1007-6344（2016）03-0017-01

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