BIM技術在永定河特大橋項目中的參數化應用

(1.北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京 100082； 2.北京市公聯公路聯絡線有限責任公司，北京 100161； 3.北京工業大學，北京 100124)

引言

BIM(Building Information Modeling建筑信息模型)技術源于美國喬治亞技術學院建筑與計算機專業的Chuck Eastman博士提出的一個概念：建筑信息模型包含了不同專業的所有信息、功能要求和性能，把一個工程項目的所有信息包括在設計過程、施工過程、運營管理過程的信息全部整合到一個建筑模型[1]。

圖1 永定河特大橋方案模型

長安街西延永定河特大橋塔柱壁板的空間扭曲面是大橋的一個重大設計難點之一，傳統的二維平面設計手段已經無法完成大橋的設計任務。同時大橋還存在諸如局部節點構造復雜、需要局部分析的細節構造多等諸多問題，這些都是傳統技術手段所面臨的一系列技術難題。通過引入BIM技術，不但有效地解決了這些技術難題，同時還能為項目后期實施及運維管養提供精細的數據模型，能極大地提升項目的建設品質，降低項目的實施風險。

1 項目概況

長安街西延永定河特大橋(圖1，單位：m)斜跨永定河蓮石湖區，斜交角度約57°，大橋主橋采用斜拉剛構組合體系橋，主跨280m，主梁變寬變高，橋梁標準段寬度為47m，最寬位置約54.9m。由于大橋與河道斜交，為滿足行洪要求，主塔塔肢根部在順橋向有25m“邁步”，使主塔變為傾斜不對稱扭轉變截面鋼箱拱形塔柱。

圖2 BIM技術參數化設計流程圖

BIM技術的引入，很好地解決了鋼塔扭曲面的設計與優化難題[2]，利用三維協同設計極大地降低了復雜節點的設計難度，提高了設計品質，為后期項目的實施及BIM技術的延續應用奠定了良好的基礎。

利用BIM技術參數化設計能力，很好地適應了本橋復雜鋼結構的設計。永定河特大橋項目BIM技術參數化設計簡要應用流程圖如圖2所示。

2 BIM技術在永定河特大橋項目中的參數化應用

2.1 前期方案設計

在前期設計階段，建筑師采用Rhino(犀牛)軟件進行橋梁景觀設計，利用三維方案模型進行場地環境分析、光學分析、夜景照明分析等優化橋梁景觀方案，提升大橋景觀的整體視覺效果(圖3)。

圖3 方案模型效果圖

2.2 協同參數化設計

由于永定河特大橋塔柱壁板的空間扭曲造型，傳統的二維設計手段已經無法完成大橋主塔的設計工作。通過比選后選擇了曲面設計功能強大的CATIA三維設計平臺來完成大橋的設計工作。CATIA三維設計平臺不僅曲面功能強大，同時其參數化協同設計、大數據裝配、知識工程以及有限元分析等功能也都非常強大[3]。

(1)協同設計

協同設計主要包括內部協同和外部協同兩大塊。

內部協同主要包括同一時期同一專業的協同設計、同一時期不同專業間的協同設計以及設計階段不同時期的協同設計等幾個方面。

永定河特大橋項目內部協同設計僅為道路與橋梁專業之間的協同，相對簡單，道路專業僅為大橋項目提供三維道路中心線及三維地形等條件。難點主要集中在橋梁專業內部的復雜鋼結構構造細節協同設計上，利用CATIA三維設計平臺的“骨架+模板”建模技術，很好地解決了大橋的這種協同設計難題[4]。

永定河特大橋全橋骨架如圖4所示。

圖4 全橋“骨架”

利用大橋骨架線可以對整體橋梁設計進行宏觀控制，驅動依附之上的橋梁構件自適應調整，達到快速修改調整的目的。定義好橋梁骨架線之后還需要對整體結構進行分區或分功能性的拆分，達到化整為零細化設計的目的。

根據本橋的特點，本項目的部件主要拆分為如下幾個部分，如圖5所示。

經過上述部件的拆分，將整個橋梁分解為協同設計的幾個主要部分，再將各個主要部件進一步進行細分，逐步落實到每一個零件上再進行設計。拆分前的部件通過裝配先進行條件關聯，則拆解后的零件之間就可以獨立進行設計，達到協同設計的目的。當然也可以先分別進行部件設計，再后期進行裝配。

矮塔結構部件進一步細分情況如圖6所示。

圖5 全橋主要部件

圖6 矮塔主要部件

圖7 除濕系統局部

大橋除了內部協同設計以外，還有大量的外部協同設計工作，主要包括景觀照明、檢修設備、除濕系統以及其它附屬設施等。除濕系統局部三維協同設計成果如圖7所示。

通過協同設計可以很好地解決結構上可能出現的“錯、漏、碰、缺”等問題，提升了整體設計水平，降低了實施風險。

(2)鋼塔空間扭曲板設計

本橋設計的最大一個難點在于鋼塔空間扭曲壁板的設計，一方面需要根據建筑師的創意生成相應形態的空間扭曲面，同時又需要考慮后期的加工及制造等問題，使后期的設計構件能夠加工制造，滿足設計要求。所以如何將后期的加工制造需求很好地融合到前期設計之中是本橋設計需要解決的一個重大難點問題。

在CATIA設計平臺中，參數化曲面形成有多種方式：掃略、填充、橋接、拉伸、旋轉等。對于本項目而言，通過對比各種曲面成型方式，最后確定選取直紋掃略面作為本項目曲面的形成方式，其主要優點如下：

一是對于不規則空間曲線，直紋掃略形成曲面時能夠使形成后的曲面的高斯曲率較優，便于后期加工時曲面展開，同時也便于節段塊件的成型控制。

二是直紋掃略面的控制條件除了兩條引導曲線(Guide curve)外，還有一條脊線(Spine)作為控制條件。對于一般的直紋掃略面而言，引導曲面間的掃略直線與脊線始終保持垂直關系，利用這個特點就可以在節段劃分時，使垂直于脊線的節段端口四邊始終保持直線，便于后期節段吊裝時的精度控制。

本橋橋塔造型為傾斜的橢圓形拱圈，塔肢由底部的矩形變化到頂部的平行四邊形(銳角為66°)，使橋塔壁板形成空間扭曲形態。在設計過程中，塔柱壁板由塔柱輔助軸線及壁板邊線通過直紋掃略形成(圖8)。

圖8 塔肢翼緣板控制線示意圖

(3)參數化設計

參數化設計是BIM技術三維設計軟件的一項基本功能。參數化設計能夠通過參數的改變很方便的實現自適應調整，不用重新設計，提高了設計修改效率。

永定河特大橋在設計過程中對一些使用頻率高，比較特殊的參數進行統一設置，如板厚、加勁肋高度、孔的尺寸等。大橋的參數設置時，按主要部件進行分類，設置了相關控制性參數，如高塔部件參數(圖9)有翼緣板參數、腹板參數、塔底加強板參數、錨區參數、橫隔板參數等，方便了后期的調整修改。

圖9 高塔參數

BIM技術三維設計平臺一般都采用資源庫的方式管理重用資源[5]。CATIA平臺的參數化資源庫是通過庫管理文件(.Catalog)來實現模板庫的管理，用來管理標準資源，實例化時可以采用超級副本、UDF特征及文檔模板等。

永定河特大橋設計過程中建立了一些通用性較強的模板資源，如拉索錨區模板、壁板加勁肋模板、橫隔板模板、塔內爬梯模板、塔內維護結構模板、塔柱密封門模板、高塔底部錨固螺栓等。并將這些模板資源通過模板庫進行統一管理，提高了建模效率。圖10為高塔塔底錨固螺栓的UDF特征模板實例化。

圖10 錨固螺栓UDF實例化

CATIA中還會使用一種文檔模板，它與一般模板不一樣，如POWERCOPY或UDF都是針對特征而言的，而文檔模板卻是針對文檔部件而言的(圖11)，它是以零件為基本單位進行實例化。文檔模板在實例化部件的同時還可以附著二維圖文檔，也就是三維模型與預定義的二維圖同步進行實例化，在一些比較規則的結構中，可以大大簡化二維圖生成的工作量。

圖11 文檔模板的創建

(4)參數化仿真分析

永定河特大橋由于塔柱截面的扭曲變化，橋梁整體計算時的截面建模工作量非常大。借助BIM三維模型的優勢，能夠有效地提升分析時的截面生成效率。大橋除了復雜的整體計算分析外，還有大量的局部結構計算分析。對于鋼結構而言，局部計算一般都是以殼單元或實體單元模型進行分析。BIM三維模型正好為局部計算分析提供了精確的幾何模型，提升了局部計算模型的建模效率與分析精度[6-7]。

本橋由于塔柱為空間扭曲拱形結構，拉索錨區與塔柱錨腹板間關系非常復雜，與常規斜拉橋錨區差異比較大。為了進一步研究塔柱拉索錨區的受力特征，利用CATIA平臺自身的通用計算分析平臺關聯對應三維模型創建塔柱錨區的局部實體有限元分析網格模型(圖12)。利用BIM平臺下關聯協同的有限元模型，能自動更新已創建的有限元網格模型及邊界條件，可以很方便地進行相關參數敏感性分析，提升局部模型的計算分析效率。

圖13為塔柱斜拉索錨區腹板厚度及其腹板加勁肋厚度的敏感性分析結果圖。在給定斜拉索索力的前提下，通過參數化構件模型能夠很方便地進行敏感性因素分析，可以很直觀確定相關參數的影響效果，從而指導塔柱拉索錨區進行構造優化設計。

圖12 錨區局部有限元模型

圖13 腹板及加勁肋剛度影響圖

除了上述協同參數化設計外，大橋還利用CATIA設計平臺進行了碰撞檢查、二維圖紙的繪制(特別是曲板的二維圖紙表達)等大量工作，充分利用了BIM技術的設計優點。

3 施工階段的模型利用概況

當前施工企業的IT應用環境大多是圍繞二維工程圖紙建立的，主要支持基于二維圖紙的信息表達和工程應用。由于二維工程圖下的信息之間是離散且非關聯的，這就需要施工企業通過手工方式來建立圖紙與相關信息之間的關聯。這種應用環境下，信息的組織和管理是一種結構化程度不高的管理模式[8]。

永定河特大橋項目利用BIM技術設計平臺的參數化設計模型，為項目施工期間提供了精細的數據模型，既方便了施工單位進一步深化設計，也方便了施工單位利用BIM模型進行4D進度管理、有效地優化加工制造工藝及施工組織方案(圖14)，進而有利于縮短工期、提升加工質量、降低施工成本。同時施工單位也可以利用深化設計后的施工BIM模型進行信息化的物料管理、質量安全管理、進度成本管理等，能有效地提升施工期間的管理水平，增強施工方案的可實施性。

圖15為實際施工中高塔北肢底部1#節段現場安裝就位，與事先模擬方案吻合較好。

圖14 高塔節段現場吊裝模擬

圖15 高塔北肢1#節段安裝

4 結束語

由于永定河特大橋項目塔柱造型的獨特性與特殊性，使項目在前期開始就直接采用先進的BIM設計平臺來解決項目的設計難題。BIM技術下的三維參數化設計平臺，既解決了扭曲鋼塔的曲面設計難題，同時也解決大橋復雜鋼結構的協同設計難題，保障了項目設計的順利完成，也為項目后期準備了精細的數據模型，為BIM技術在項目中的深入應用打下了良好基礎。

永定河特大橋項目作為國內市政工程領域較早直接采用BIM技術進行正向設計的實際工程，在前期方案、設計及施工等各個階段都取得了比較好的效果。目前項目已經進入到上部鋼結構緊鑼密鼓的加工及吊裝階段，一切工序都在有條不紊地開展， 2017年11月1日大橋高塔北肢塔底1#節段的安裝就位工作順利完成。作為建設方的北京市公聯公路聯絡線有限責任公司也在積極聯系大橋建成后的管養單位進行后期運維管養的調研準備工作，爭取能夠繼承項目前期的技術優勢，將BIM技術延續到運維管養階段，讓永定河特大橋項目能夠真正實現基于BIM技術下的項目全生命周期管理的新理念，為BIM技術在市政工程領域的推廣積累寶貴的經驗。