東平水道特大橋BIM設計及應用

齊成龍

（中國鐵路設計集團有限公司 土建院，天津 300308）

BIM 技術憑借其精細化、可視化、易協同等優勢被越來越多的工程從業人員接受和采用。與民建工程相比，鐵路工程體量更大、工藝更為復雜、專業更多，對BIM 技術的需求也更加迫切，因此，雖然起步較晚，但是鐵路工程BIM技術在近年的發展更為迅速[1]。BIM 技術的廣泛應用能夠提升鐵路工程建設技術水平以及信息管理的能力,也是工程建設信息化的核心和方向,對鐵路工程建設有著巨大的發展潛力和應用價值[2]。

東平水道特大橋位于佛山市南海區，為新型公共交通跨越東平水道而設，主橋范圍內新交通和公路同層布置，引橋采用分幅橋與主橋順接。主橋采用獨塔雙索面鋼–混混合梁斜拉橋，跨徑組成為（35.0+260.0+51.5+66.0+62.5）m，主橋長475.0 m；橋面布置包括：雙向6車道公路，2線軌道交通及兩側人行道，總橋面寬46.5 m。

鋼主梁采用分離式流線形扁平鋼箱梁，混凝土主梁采用分離式預應力混凝土箱梁。索塔橫橋向采用“A”字形混凝土塔。為了提升該橋的設計水平和成品質量，對其開展BIM設計，從而使該橋成為國內第一座采用BIM設計的公軌兩用斜拉橋。

本橋在進行BIM設計時，采用了達索和TEKLA兩種軟件，而達索作為一個平臺型軟件，又包括了SIMULIA、ENOVIA、CATIA等多個專業化的分支軟件。

文章將從BIM設計和應用兩個方面對該橋進行介紹。

1 BIM設計

1.1 模型精細度

在設計過程中，模型精度等級符合《鐵路工程信息模型交付精度標準》中LOD3.5級的要求，與施工圖設計階段相對應，創建全橋精細化BIM模型，包括主橋、引橋、橋塔、鋼箱梁、普通鋼筋、預應力筋等構件。

1.2 BIM協同設計

達索軟件所具備的公有服務器存儲模式，使得本項目在BIM設計過程中，充分發揮其協同設計的優勢成為可能。具體包括專業間協同、專業內協同和軟件之間的協同[3]。

（1）專業間協同方面，測繪專業、線路專業分別完成地形曲面、空間線位的BIM設計，橋梁專業以此為基礎進行橋梁專業BIM設計，軌道專業在橋梁專業成果基礎上開展橋面設施的BIM設計。

（2）專業內協同方面。橋梁專業BIM參與人員分為骨架設計師、模板設計師、鋼結構設計師等多個不同角色，這些不同角色的參與人員在同一軟件平臺上對同一工程對象開展工作，分工明確，最終完成全橋從初步設計到詳細設計不同階段的工作。

（3）軟件協同方面。達索作為一個以公有服務器為存儲模式、且源于機械航空領域的綜合軟件平臺，包含多個不同功能的模塊，在模型管理、協同設計及空間幾何造型上獨具優勢；TEKLA軟件擅長處理鋼結構的復雜節點構造，在鋼筋混凝土結構的二維出圖和鋼筋數量統計方面也很有優勢。本項目以達索軟件作為基礎平臺，取各軟件之長，以CATIA軟件為核心建模工具，分別使用TEKLA軟件和SIMULIA軟件進行鋼筋設計和有限元計算，使用ENOVIA軟件進行人員工作安排，從而實時掌握工作任務完成情況，把握設計進度。

1.3 骨架設計

采用“骨架–模板”的方法創建全橋模型，在這種方法中，“骨架”既是模型構件的定位基準，也作為其幾何組成，在本項目中，骨架以空間坐標系群的方式存在。全橋定位骨架和鋼箱梁定位骨架的創建方法有所不同，后者是骨架設計的難點。

在全橋骨架設計過程中，同時發揮了專業間和專業內協同的優勢，線路專業成功創建空間線位后，橋梁骨架工程師以此為基礎，在CATIA軟件上借助EKL腳本語言，使用其Knowledge Pattern功能，依次循環讀取表格中存儲的橋梁構件定位數據，批量生成空間坐標系，完成骨架模型的創建。橋梁工程師將以此骨架為輸入條件實例化各類橋梁構件的模板，完成全橋BIM建模。

鋼箱梁骨架設計是全橋骨架設計的難點。由于本橋所在空間線位具有豎曲線，對于具有豎彎線型的鋼結構，為了保證鋼板厚度順暢過渡，相鄰節段的分界面不是豎直的，而是相鄰節段頂緣面的角平分面，這樣才能保證相同厚度鋼板被此面分隔后的交界尺寸相等，也就不會出現板件相錯的情況。

鋼箱梁骨架坐標系的yz平面即是相鄰鋼箱節段的分界面，為了使鋼箱梁骨架坐標系符合上述相鄰節段分界面的空間位置要求，使用空間解析幾何的方法，以V1，V2，V3向量為輸入條件，研究出下式所描述的鋼箱梁骨架坐標系轉換矩陣：

由于V1、V2向量是通過節段頂點連線生成，V3是已知的水平向量，因此，能夠使用節段端點空間坐標數據，借助骨架坐標系轉換矩陣，生成足以保證相鄰鋼板厚度均勻過渡的骨架定位坐標系。

EKL腳本程序根據上述規則批量生成的鋼箱骨架坐標系，如圖1所示。

圖1 鋼箱梁骨架設計

1.4 引橋BIM設計

作為鋼筋混凝土結構，在BIM設計過程中，針對引橋各類構件的幾何特點，分別創建了梁體、橋墩、橋臺、基礎的通用性模板。

在CATIA軟件上借助EKL腳本語言，使用其action功能，依次循環讀取設計表格中存儲的橋梁構件定位數據及模板參數數據，在引橋骨架上批量實例化各類構件的模板，從而完成引橋BIM建模，引橋BIM模型，如圖2所示。

1.5 鋼箱梁設計

主橋鋼箱梁BIM設計采用CATIA軟件鋼結構模塊完成。對于每一個鋼箱節段，遵循從初步設計到詳細設計的原則，兩個設計階段分別在結構功能設計（SFD）和結構詳細設計（SDD）模塊下完成。

如圖3所示，對于通過SFD模塊創建的初步設計模型，每一個鋼結構構件以特征形式存儲，板件不顯示厚度，梁體或加緊肋僅顯示簡化截面，并省略其他一些細節處理操作，占用內存較小，能夠適應初步設計階段頻繁變更的情況。

圖3 鋼箱梁SFD模型

如圖4所示，對于通過SDD模塊創建的詳細設計模型，每一個鋼結構構件以零件形式存儲，模型完整表現其設計細節，占用較大內存，適用于局部范圍內存在變更的詳細設計階段。

根據幾何特點及重用性，將全橋鋼箱梁節段分為標準節段、鋼混結合段等8種類型。模板工程師依次使用SFD、SDD模塊創建這8種類型的節段模板并存儲于模板庫后，橋梁工程師在CATIA軟件上借助EKL腳本語言，使用其Action功能，讀取設計表格的內容，從模板庫選擇不同類型的鋼箱節段模板實例化到相應的骨架位置，完成全橋鋼箱梁BIM設計。

圖4 鋼箱梁SDD模型

模板工程師創建梁、墩、臺、基礎等橋梁構件模板，橋梁工程師將這些模板在骨架上實例化，與已經成功實例化的鋼箱梁模型一起，組成了如圖5所示的全橋BIM模型。

圖5 全橋BIM模型

1.6 鋼束BIM設計

綜合運用用戶定義特征（UDF）和Knowledge Pattern功能，使用達索內嵌EKL語言通過二次開發建立單根鋼束BIM模板，將全橋鋼束平彎及豎彎尺寸信息存儲于數據表格。使用其Action功能，編制EKL語言程序循環讀取設計表格內的鋼束尺寸和定位信息，調用并實例化鋼束BIM模板，最終建立如圖6所示的全橋三維鋼束模型。

采用此模板生成的鋼束BIM模型能夠適應橋梁所在空間線位在平面和縱斷面內的彎曲。

1.7 鋼筋BIM協同設計

使用TEKLA軟件創建索塔上塔柱鋼筋模型并輸出工業基礎類（IFC）格式的文件，達索作為支持IFC標準的BIM軟件，讀入TEKLA模型輸出的IFC文件后，在達索軟件同時存儲了混凝土主體結構和鋼筋模型，如圖7所示。充分利用兩種BIM平臺的各自優勢，實現了基于軟件間協同的鋼筋BIM設計。

圖6 主橋部分鋼束BIM模型

圖7 鋼筋BIM協同設計

2 BIM應用

2.1 用鋼量統計

SDD模塊下的鋼結構模型中，每一種鋼結構構件都包含有材料信息及幾何信息，與面向對象程序開發語言中類和屬性的關系相似，每一種構件作為一個類，材料和幾何信息是這個類的屬性，每一個具體的鋼結構構件就是類實例化出來的對象[4]。達索軟件向用戶提供了個性化編制鋼結構工程數量報表的方法，用戶可以選擇需要統計的鋼結構構件類型以及其屬性，同時，用戶還能自定義輸出報表的格式，從而實現用鋼量統計。統計結果以Excel表格的形式輸出，表格中包含鋼板厚度、結構材料及鋼材重量等內容[5]。

同一個鋼結構工程數量報表模板可用于輸出不同BIM模型的鋼材用量，因此，當鋼結構設計結果發生變化時，使用相同的工程數量報表模板，能自動輸出不同設計階段的工程數量表。與傳統二維設計手段相比，效率有很大提升[6]。

2.2 鋼結構出圖

在SDD模塊下生成了鋼結構詳細BIM模型，借助達索軟件出圖功能以這些詳細BIM模型為基礎，創建，鋼箱梁二維圖紙，包括斷面圖、大樣圖及其尺寸標注。

傳統設計手段下，設計變更導致的出圖工作量是非常巨大的。在東平水道特大橋BIM設計過程中，三維模型發生變化時，二維圖紙內容隨之同步更新。因此，在達索軟件下進行鋼結構二維出圖，效率和穩定性都有很大程度提高。

2.3 標準驗證

鐵路BIM聯盟于2015年初啟動了鐵路工程數據存儲標準制定工作[7]，在IFC4標準基礎上，遵循固有模式，通過動態和靜態擴展相結合的方式，增加鐵路工程領域概念的表達能力。由于東平水道特大橋包含的構件類型非常豐富，因此，依托東平水道特大橋BIM設計，對橋梁工程信息模型實體類擴展進行了研究。

鐵路IFC標準中，橋梁實體類(IfcBridge)既可以表示橋梁工程的一個同時包含多座特殊結構橋梁和普通簡支梁橋、連續梁橋的橋梁工點，也可以表示單一特殊結構橋梁，二者通過CompositionType屬性的取值進行區分。前者使用屬性值COMPLEX，后者使用屬性值ELEMENT。以東平水道特大橋為例，主橋、引橋共同構成一個橋梁工點，可以用“CompositionType屬性值=COMPLEX”的IfcBridge對象表示。獨塔鋼混斜拉橋主橋作為一個單一特殊結構，可以用“CompositionType屬性值=ELEMENT”的IfcBridge對象表示。

橋梁結構組成實體類（IfcBridgePart），指的是橋梁實體類（IfCBridge）包含的主梁、橋墩、基礎、橋臺等組成部分，IfcBridgePart通過預定義類型屬性進一步細分。

圖8所示為橋梁空間結構單元之間的繼承層次關系，圖9所示為東平水道特大橋主橋空間結構分解示意圖，此圖表達了橋梁實體類和橋梁結構組成實體類之間的相互關系。

2.4 有限元分析

作為達索軟件的兩個分支，SIMULIA和CATIA分別具有有限元計算和三維建模的功能，本項目借助這兩個模塊，實現了BIM設計和有限元計算的一體化應用[8]。

有限元計算通過SIMULIA實現，結構分析人員將BIM模型從SFD模塊切換至SIMULIA后，為結構材料指定容重、彈性模量、熱膨脹系數等力學特性值。劃分網格、施加邊界條件及外荷載，即可開展有限元計算。

從SIMULIA切換至CATIA后，修改BIM設計模型，再切換至SIMULIA，有限元計算模型可隨設計模型自動更新，用戶再根據最新計算模型重新進行力學分析，實現了建模、分析的一體化操作。

圖8 橋梁空間結構單元Express-G圖

圖9 橋梁空間結構分解示意圖

2.5 鋼筋二維出圖

使用C#語言對TEKLA軟件進行二次開發，使其具備輸出符合行業特定要求鋼筋圖的功能，利用二次開發成果，讀取TEKLA中的鋼筋BIM模型，自動輸出二維鋼筋圖，該圖紙包括鋼筋尺寸標注及其數量表。

三維BIM模型修改后，二維鋼筋圖及其數量表可隨之更新，不需手動修改，從而提高了設計效率，實現了建模、出圖的一體化操作。

3 結束語

為了提升東平水道特大橋的設計水平和成品質量，以達索軟件和TEKLA軟件為主要工具，開展東平水道特大橋的BIM設計。

在BIM設計過程中，主要采用“骨架–模板”的建模方法，利用達索軟件的多模塊數據庫共用特性、借助IFC通用數據格式，實現了專業內協同、專業間協同及軟件協同設計。經過空間解析幾何的研究并結合EKL腳本程序開發，批量創建符合要求的橋梁各部件骨架，為模型實例化創造了有利條件。使用達索鋼結構模塊，完成了從初步到詳細的鋼箱梁BIM設計。同時，本項目還實現了鋼筋和鋼束的BIM設計。

BIM應用方面，用鋼量統計、鋼結構出圖、有限元分析這3種BIM應用都是在達索軟件內部不同模塊下實現，鋼筋二維出圖是在TEKLA軟件中完成的。這些應用都實現了一體化的操作流程，當BIM模型發生變化時，工程數量表、二維圖紙、有限元模型隨之同步更新，與傳統二維設計手段相比，顯著提高了設計效率。同時，依托本項目，對鐵路工程信息模型數據存儲標準進行了研究。