軌道交通梁式橋BIM輔助設計軟件開發研究

韓廣暉 宋 浩

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

在單體建筑BIM技術向軌道交通工程項目的推廣應用過程中[7]，許多業內人士進行了一些探討，如柳龍[10]利用Dynamo對橋梁BIM構件進行定位，實現了橋梁BIM模型的快速創建。劉彥明[1]結合銀西高速鐵路項目，給出了鐵路橋梁BIM設計系統開發的主要技術特征。齊成龍[11]基于達索/CAA二次開發的橋墩批量實例化程序，實現了全橋橋墩模型的快速建立。目前，現有的主流BIM平臺軟件(AutoDesk、Bentley、Dassault)缺乏高效的橋梁專業設計輔助工具[4]，部分BIM設計只能依靠翻模的方式完成。這種“為了BIM而BIM”的方式，不僅不能提高設計效率和質量，反而會給工程設計人員帶來額外的負擔。

以往研究涉及到橋梁BIM建模方法的居多，而對專業間協同設計及橋梁設計、建模、算量一體化程序開發的研究較少。因此，研發符合專業設計習慣和設計流程的輔助設計軟件[3]，對提高設計效率和設計質量意義重大[5]。

梁式橋在綜合鐵路、地鐵、輕軌和單軌等軌道交通工程中大量存在，具有數量多、組成構件標準化等特點，適合采用軟件開發的方式加以解決。結合京張高鐵、鄭濟鐵路、蕪湖跨坐式軌道交通等工程項目，選取Microstation作為BIM模型承載平臺軟件，采用二次開發的方式進行梁式橋輔助設計軟件研發。

2 軟件的研發思路

橋梁設計是生產橋梁設計信息數據的過程，無論是二維的圖紙及相關符號和文字說明，還是三維的模型及附加信息，都是設計成果的表達。輔助設計軟件是為了幫助設計人員更快速、高效和準確地完成設計信息的生產和表達。軟件的研發應遵循回歸建筑信息模型(Building Information Modeling)的基本理念[2]，以信息為中心，用圖紙或模型來承載和表達信息。結合梁式橋的結構組成和設計流程，將梁式橋設計過程中所需的信息進行分類和結構化，對梁式橋各組成部分進行結構分解，拆分成如梁部、橋墩、橋臺、基礎等基本組成構件。

采用面向對象的方式對各種設計信息和結構構件進行結構化數據組織，結合設計流程，編寫接口或設計模塊，進行數據的交互和計算加工。設計人員在使用軟件的過程中，僅需填寫或選擇少量的參數，即可完成一座橋的設計工作，利用BIM可視化的特性，可以對設計模型進行實時查看和修改。基于“BIM模型是設計信息的表達”理念，模型由數據來驅動、生成和修改，相應非幾何信息的賦予也由數據驅動完成。

根據梁式橋多采用標準化構件的特點和積累工程項目數據的需要，采用了數據庫的方式對構件數據進行管理。在軟件的使用過程中，首先訪問數據庫，讀取構件的信息，利用數據庫中的構件開展設計。隨著項目的進行，構件庫也逐漸得到積累和完善。

2.1 軟件的功能定位

根據梁式橋的設計習慣，設計內容可分為工點總體設計和構件設計兩部分。工點總體設計的內容包括全橋孔跨布置、下部結構和基礎設計、工程數量計算等。構件的設計包括整個項目采用的梁部、橋墩、橋臺、基礎等構件的標準設計。在綜合鐵路的設計中，多采用行業參考圖；在地鐵、輕軌、單軌等設計中，為了統一和標準化，多采用項目參考圖。工點總體設計引用了標準構件的設計成果，采用“搭積木”的方式進行。輔助設計軟件可實現總體設計所需的全橋孔跨布置、下部結構和基礎的設計、工程數量的計算、BIM模型的創建等功能。

2.2 軟件基本框架

輔助設計軟件的基本流程如圖1所示。依據功能分為以下六大部分：基本組成構件數據庫的管理模塊、邊界設計條件設置和專業協同模塊、橋梁孔跨布置模塊、墩臺及基礎設計計算模塊、三維信息模型控制模塊、工程數量清單計算模塊。

圖1 軟件基本流程

3 軟件的模塊組成

根據橋梁設計流程，軟件的功能可劃分為：設計基本條件(包含內部和外部)、設計計算部分、設計結果輸出三大塊內容。其中設計基本條件包含橋位處的地形資料、地質資料、線路資料、水文資料、環境資料，以及橋梁自身墩、臺、梁的選取，橋梁孔跨布置等。設計計算部分包含墩臺里程計算、設計荷載組合、墩臺結構檢算、基礎計算。設計結果的輸出包含生成工程數量清單、生成BIM信息模型等。

3.1 構件數據庫管理

對梁部、橋墩、橋臺、基礎等基本組成構件進行抽象化分解，在程序的實現中分別對應梁類、橋墩類、橋臺類、基礎類，每種類型由該類型包含的數據和方法組成，數據中包含構件的幾何參數、設計信息、圖塊和模型信息、工程數量信息等。上述構件信息以數據庫和構件單元庫的方式進行存儲，便于編輯和管理。以梁部、橋墩、基礎為例，對構件的管理進行介紹。

(1)梁部構件庫管理

梁部構件由梁部類型(如簡支梁、連續梁、連續剛構等)、幾何參數、工程數量、模型庫鏈接所需的文件名和單元名等內容構成，梁庫管理界面如圖2所示，鏈接的梁部模型以簡支梁為例，如圖3所示。

圖2 梁部構件庫管理界面

圖3 簡支梁共享單元模型

(2)橋墩構件庫管理

橋墩構件由頂帽、墩身的幾何參數、橋墩計算信息、模型庫鏈接所需的文件名和單元名等內容構成。以重力式實體墩為例，橋墩庫管理界面如圖4所示，鏈接的橋墩模型示例如圖5所示，頂帽模型示例如圖6所示。

圖4 橋墩構件庫管理界面

圖5 墩身參數化單元模型

圖6 頂帽共享單元模型

(3)基礎構件庫管理

基礎構件由基礎的類型(如樁基、擴基、挖井等)、幾何參數、工程數量、模型庫鏈接所需的文件名和單元名等內容構成。以常用的樁基礎為例，其管理界面如圖7所示，鏈接的基礎模型如圖8所示。

3.2 設計邊界條件及專業間數據協同

橋梁總體布置和結構形式的選取與橋址處地形、地質條件、線路平面位置和縱斷面高程等設計邊界條件息息相關[9]。如何快速準確地獲取這些信息，是專業協同模塊需要解決的問題。以下分別介紹地形面獲取、地質信息獲取和線路信息獲取。

(1)地形及線路信息獲取

線路平、縱信息可以采用圖形交互的方式獲取。打開帶有特征屬性的線路曲線模型，點選橋梁設計所需的線路基準線(如圖9所示)，程序根據選擇的曲線讀取對應的線路平、縱斷面特征值(包括豎曲線變坡點高程和里程，平曲線要素等，如圖10所示)。地形模型采用與線路模型相同的操作方式進行選擇，程序根據選擇的地形面獲取地形網格數據。

圖9 線路和地形模型

圖10 線路平縱信息獲取

(2)地質信息獲取

地質信息采取鏈接地質模型(如圖11所示)的方式獲得，程序截取橋址里程范圍內的地質模型，讀取各地層的名稱和附加于地層上的信息，進而得到橋梁基礎設計所需的土層參數值(如圖12所示)。如需要某計算里程處的地質信息，可采用抓取地層名稱和高程的方式獲取。

圖11 橋址范圍內地質模型示例

圖12 獲取的地質參數示例

3.3 梁式橋工點設計

獲取了橋址位置處的線路、地形、地質、水文等設計信息后，即可根據上述邊界條件進行橋梁設計。按照設計流程，橋梁工點設計內容為：整體布置、墩臺選型及尺寸擬定、墩臺基礎選型及尺寸擬定、墩臺及基礎檢算。

(1)整體布置

根據控制跨越點的里程和初步擬定的孔跨來確定橋梁的長度、橋臺和橋墩的位置，這個過程中需考慮道路、水文、地質、施工可行性等多方面的因素。

經過多次試算調整后，確定最終的孔跨，借助于孔跨布置計算功能，能夠快速計算墩臺位置，實時進行動態預覽。孔跨布置計算需支持以直代曲、曲梁曲做、交點距定長等布梁方式，并可以選取左線或右線為里程基準線。圖13為某簡支梁橋以直代曲的孔跨布置結果。

圖13 以直代曲孔跨布置計算結果

(2)墩臺及基礎設計

此部分內容包含墩臺、基礎的選型和檢算。根據墩臺的里程、線路信息、地形信息及設計基本信息(設計時速、地震動分區等)，程序自動匹配符合條件的墩臺類型，并結合線路高程和地形面高程給出推薦的墩臺高度。然后根據現行橋涵設計的相關規范[12-14]進行墩臺基礎的檢算，此過程可調用荷載組合模塊、墩臺檢算模塊、基礎檢算模塊、地質信息提取模塊來完成墩臺基礎的檢算。計算過程中，程序可根據基礎所在位置自動提取該處的地層信息。圖14和圖15分別為橋臺、橋墩設計界面。

圖14 橋臺設計界面

圖15 橋墩設計界面

3.4 三維信息模型創建

在設計過程中，用戶可以根據需求，實時對設計模型進行創建預覽(如圖16所示)，從模型中查看橋梁的總體布置、橋臺的位置以及相關的設計信息。模型創建包含幾何模型和非幾何信息的創建。

圖16 某梁式橋設計模型

(1)幾何模型的創建

根據構件的特點，幾何模型可劃分為簡單模型的構件庫引用和復雜模型的創建。復雜模型的創建是指對于連續結構等幾何復雜形體(存在沿線變寬變高或其他的復雜幾何關系，用參數化單元的方式難以實現)，針對特定類型結構編寫的方法函數。

(2)非幾何信息的創建

對梁式橋各組成構件非幾何信息進行研究和歸納后，將其信息類型分為數值類信息、字符類信息、工程量類信息三大類。

模型的非幾何信息以附加屬性的方式附加于幾何模型上，某軌道交通橋墩非幾何屬性如圖17所示。

圖17 某軌道交通梁式橋橋墩非幾何屬性

3.5 工程數量清單計算

利用程序的工程數量計算功能，可實現工程數量的實時統計，縮短設計周期。工程數量采用編碼配合數量模板的方式進行計算輸出。根據統計方法的不同，將工程數量分為構件本體數量和需計算的相關數量兩種類型。

圖18 某類型橋墩工程數量

構件本體數量隨構件庫進行配置和管理，可實現工程數量項的靈活配置，圖18為某類型橋墩的工程數量。對于需要計算的數量項(如基礎開挖量)，可將固定的計算規則編寫到程序中進行計算，每一工程數量項對應唯一的程序內部編碼。程序內部編碼可采用配置映射關系的方式靈活關聯不同類型的編碼[14]，既可實現與工程數量模板的關聯，又可掛接于模型上，滿足信息化交付要求[6]。

4 總結

基于橋梁專業的設計流程，結合BIM信息化技術，選取軌道交通橋梁工程中占比超過80%的梁式橋結構為代表[1]，進行BIM正向設計的軟件研發。提出了橋梁正向設計解決方案，開發了具有構件庫管理、橋梁布置計算、墩臺設計檢算、BIM信息模型創建、工程數量計算等功能的梁式橋輔助設計軟件。在橋梁與線路、地質等專業的協同設計方面，開發了數據級交互的協同模塊，打通了專業間與專業內部的設計數據流。梁式橋BIM正向設計軟件的研發，為橋梁BIM正向設計落地提供了有效的工具，填補了BIM平臺軟件的短板，為其他BIM正向設計軟件的研發積累了經驗。