京張高鐵標(biāo)準(zhǔn)梁BIM技術(shù)應(yīng)用研究

羅天靖 高 策

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055； 2.中國鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司，北京 100038)

20世紀(jì)70年代，國外就已經(jīng)提出BIM的概念理論[1]。美國對(duì)BIM技術(shù)的研究和應(yīng)用較為成熟， BIM技術(shù)為美國建筑業(yè)每年節(jié)省了30%的成本[2]。BIM技術(shù)可融合工程項(xiàng)目各個(gè)階段、各個(gè)專業(yè)的所有信息，大大提高了建筑工程的信息集成化程度[3]。

BIM技術(shù)在國內(nèi)土木行業(yè)中的應(yīng)用起步較晚[4]，但近幾年發(fā)展較快。鐵路行業(yè)成立了BIM聯(lián)盟，出臺(tái)了一系列的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[5-8]，在許多項(xiàng)目中進(jìn)行了試點(diǎn)運(yùn)用，積累了一些經(jīng)驗(yàn)。現(xiàn)階段鐵路行業(yè)的BIM應(yīng)用研究主要以總體協(xié)同設(shè)計(jì)[9-10]、選線優(yōu)化[11]、施工監(jiān)控[12]、運(yùn)營維護(hù)[13]為主，針對(duì)設(shè)計(jì)的專項(xiàng)研究較少[14]。以橋梁工程為例，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程以二維設(shè)計(jì)為主，從方案比選到設(shè)計(jì)出圖再到施工階段，中間的交互數(shù)據(jù)均以圖紙為基礎(chǔ)[14]。在鐵路工程項(xiàng)目中，約90%的鐵路橋梁使用預(yù)應(yīng)力混凝土標(biāo)準(zhǔn)簡支箱梁(以下簡稱標(biāo)準(zhǔn)梁)，其具有結(jié)構(gòu)簡潔、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、易于參數(shù)化等特點(diǎn)。基于這些特點(diǎn)，BIM技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)梁設(shè)計(jì)有很好的適應(yīng)性。

基于現(xiàn)有的BIM平臺(tái)Revit軟件，通過C#語言進(jìn)行二次開發(fā)，結(jié)合PPC2019有限元計(jì)算軟件以及實(shí)際設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)BIM技術(shù)在京張高鐵標(biāo)準(zhǔn)梁設(shè)計(jì)中的運(yùn)用進(jìn)行研究探索。

1 研究目的

現(xiàn)階段，鐵路標(biāo)準(zhǔn)梁設(shè)計(jì)方式為二維設(shè)計(jì)，BIM設(shè)計(jì)則融合了正向設(shè)計(jì)的思想，完全顛覆了傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)的流程。兩種設(shè)計(jì)方式的對(duì)比如圖1所示。

圖1 二維設(shè)計(jì)與BIM設(shè)計(jì)流程對(duì)比

BIM模型數(shù)據(jù)本身應(yīng)包含所有相關(guān)的三維幾何信息、材質(zhì)信息等；而計(jì)算軟件還需要力學(xué)特性、荷載信息、邊界條件、施工階段信息等；繪圖軟件則需要截面信息、圖紙信息等。在試算以及圖紙繪制的過程中，二維設(shè)計(jì)方法往往需要耗費(fèi)大量的時(shí)間與人力，而BIM設(shè)計(jì)可省去設(shè)計(jì)人員手動(dòng)建模、圖紙繪制的過程，從而節(jié)省大量的時(shí)間。

2 數(shù)據(jù)輸入

結(jié)合鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁的設(shè)計(jì)構(gòu)造特點(diǎn)以及Revit平臺(tái)強(qiáng)大的族開發(fā)功能，將BIM模型的輸入數(shù)據(jù)分解為以下幾部分。

2.1 簡支梁混凝土參數(shù)

以京張高鐵某特大橋32 m鐵路預(yù)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)簡支梁通用圖為例。該標(biāo)準(zhǔn)梁在順橋向有腹板、頂板、底板寬度以及倒角等參數(shù)，截面頂板有多個(gè)排水坡。因此，可將截面信息整合為30個(gè)獨(dú)立參數(shù)并對(duì)各截面進(jìn)行描述；再填入相應(yīng)的梁體參數(shù)(如梁長、梁面坡度信息、變截面長度、支點(diǎn)位置、腹板坡率、通風(fēng)孔、排水孔信息等)，程序可通過這些參數(shù)準(zhǔn)確地生成箱梁模型。跨中處截面與支點(diǎn)處截面參數(shù)示例如圖2、圖3所示。

圖2 跨中處截面參數(shù)信息

圖3 支點(diǎn)處截面參數(shù)信息

依次填寫不同截面的參數(shù)，程序自動(dòng)計(jì)算出各截面(包括過渡漸變段)的尺寸參數(shù)，并將各部分的實(shí)際形狀參數(shù)傳給族模型并生成截面形狀，再傳入整體模型中，生成標(biāo)準(zhǔn)梁模型并放入工作空間，如圖4、圖5所示。

圖4 生成的標(biāo)準(zhǔn)簡支箱梁模型

圖5 輸入?yún)?shù)信息示意

2.2 預(yù)應(yīng)力鋼束空間參數(shù)

在箱梁設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)應(yīng)力筋一般為曲線平彎和曲線豎彎，再加上腹板傾斜的影響，預(yù)應(yīng)力筋的實(shí)際形狀為復(fù)雜的空間曲線。同樣，通過Revit強(qiáng)大的族功能，以水平面與腹板斜平面的相交定位空間曲線，再導(dǎo)入平彎要素和豎彎要素，對(duì)相交平面產(chǎn)生的曲線形狀進(jìn)行樣條擬合，形成三維空間曲線，如圖6～圖10所示。

圖6 3D預(yù)應(yīng)力曲線擬合族

圖7 預(yù)應(yīng)力筋豎彎示意

圖8 預(yù)應(yīng)力筋平彎示意

圖9 預(yù)應(yīng)力三維模型示意

圖10 預(yù)應(yīng)力參數(shù)輸入示意

如錨穴參數(shù)的填寫步驟為：輸入相應(yīng)的參數(shù)后，程序通過布爾運(yùn)算，將錨穴印刻在梁體上，使箱梁的細(xì)節(jié)與實(shí)際情況一致；同時(shí)，錨穴的中心點(diǎn)也是預(yù)應(yīng)力筋的起點(diǎn)，空間預(yù)應(yīng)力筋曲線通過族驅(qū)動(dòng)形成的預(yù)應(yīng)力鋼束模型放在對(duì)應(yīng)的錨穴位置處(如圖11所示)。

圖11 錨穴示意

3 BIM模型與有限元計(jì)算軟件的數(shù)據(jù)交互

以PPC2019有限元計(jì)算軟件為研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)BIM模型到計(jì)算軟件的數(shù)據(jù)交互過程。

由PPC2019執(zhí)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，需要幾何信息、預(yù)應(yīng)力信息與荷載信息等內(nèi)容；在建立BIM模型時(shí)，箱梁的截面形狀、整體結(jié)構(gòu)信息已被完整讀取，該部分內(nèi)容可以直接調(diào)用；截面有效寬度、慣性矩、面積矩、預(yù)應(yīng)力形狀位置等幾何信息可通過已有數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算。而其余的信息(如預(yù)應(yīng)力張拉信息、施工階段信息、約束信息、荷載信息等)數(shù)據(jù)則需要額外輸入。所有信息輸入完畢后，即可調(diào)用軟件進(jìn)行計(jì)算。

在此基礎(chǔ)上，可通過二次開發(fā)，將相關(guān)信息輸入BIM模型，并統(tǒng)一通過封裝好的數(shù)據(jù)格式導(dǎo)入計(jì)算軟件中，完成計(jì)算后，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行調(diào)整，再導(dǎo)入BIM模型中，實(shí)現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)的交互與自動(dòng)化調(diào)整。

4 圖紙自動(dòng)輸出

BIM技術(shù)的特點(diǎn)包括強(qiáng)大的三維模型展現(xiàn)、工程量自動(dòng)計(jì)算等，Revit平臺(tái)對(duì)三維模型與二維圖紙的關(guān)聯(lián)已經(jīng)進(jìn)行了很多優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)基本的出圖功能。鐵路預(yù)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)簡支箱梁圖具有圖幅固定，出圖內(nèi)容、圖紙結(jié)構(gòu)明確等特點(diǎn)，通過適當(dāng)?shù)亩伍_發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)出圖的功能，并達(dá)到施工圖精度。基本流程如圖12所示。

由此可實(shí)現(xiàn)BIM模型的快速出圖和有限元計(jì)算模型的快速修改，工作界面如圖13、圖14所示。

圖12 自動(dòng)出圖流程

圖13 自動(dòng)出圖-概圖、預(yù)應(yīng)力筋布置

圖14 自動(dòng)出圖-預(yù)應(yīng)力筋定位網(wǎng)坐標(biāo)圖、錨穴布置

5 結(jié)論

(1)以BIM平臺(tái)Revit軟件為基礎(chǔ)，研究了BIM技術(shù)在京張高鐵預(yù)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)箱梁中的應(yīng)用，通過C#語言二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了BIM模型的快速建立、修改以及標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的交互。

(2)實(shí)現(xiàn)了從BIM模型到有限元計(jì)算軟件的數(shù)據(jù)交互，方便設(shè)計(jì)者快速計(jì)算并修改模型，將原本基于二維的工作在三維實(shí)現(xiàn)，對(duì)實(shí)現(xiàn)正向設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)作用。

(3)根據(jù)軟件自身的特點(diǎn)，開發(fā)了自動(dòng)繪制圖紙的功能，可以快速自動(dòng)繪制施工圖，計(jì)算工程量及統(tǒng)計(jì)相關(guān)信息，極大節(jié)省了修改圖紙的時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)效率并實(shí)現(xiàn)了完整的BIM設(shè)計(jì)流程。