BIM技術在鐵路預應力混凝土連續梁零號節段深化設計中的應用

苗永抗

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300308)

1 概述

近年來，鐵路混凝土連續梁施工過程中，出現部分質量問題，尤其是預應力混凝土連續梁支座附近出現的混凝土不密實、蜂窩麻面等問題，一定程度上影響了連續梁的質量，主要表現在以下3個方面[1]：

(1)支座鋼板上方及周邊存在空洞或較大范圍的混凝土松散體；

(2)支座周邊存在局部蜂窩體；

(3)兩側缺陷，零號塊或邊支段腹板側面出現明顯的空洞或蜂窩體。

對此，原中國鐵路總公司工程管理中心下發了《關于推廣應用懸臂澆筑連續梁相關施工工藝的指導意見》，明確提出利用BIM技術，優化鋼筋及預應力管道間距，形成由梁面直達底板的豎向振搗通道，必要時輔以側模開孔振搗、中隔板過人孔天窗振搗等多孔振搗工藝，保證混凝土振搗密實。

結合文件要求，以BIM技術為依托，研究了如何快速建立預應力混凝土連續梁零號節段數據模型[2-7]，并在該模型的基礎上，添加預應力、普通鋼筋以及支座預埋件數據，滿足開展深化設計工作精度要求。深化設計完成后，直接生成與BIM模型匹配的2D圖紙，滿足施工要求。

研究結果表明，基于BIM技術開展連續梁零號節段深化設計工作，能夠更加清晰、便捷的發現設計中存在的不足，提升設計質量；同時，基于深化完成的BIM模型直接生成2D施工圖、統計工程數量，實現BIM正向設計，提升了設計效率。研究成果對BIM技術在同類型橋梁深化設計中的應用起到一定借鑒作用。

2 深化設計平臺選擇

開展基于BIM技術的連續梁零號節段深化設計工作，需要建立具備施工圖精度的BIM模型，普通鋼筋作為混凝土單元的一個子集，其建模的便捷性以及對龐大鋼筋數據的簡化處理方式是考驗BIM軟件的一項重要指標，因此，首先通過調研，對比了幾款常見的BIM平臺，如表1所示。

表1 幾款常見BIM平臺優點及不足

綜合考慮以上幾款BIM平臺的優點及不足，Tekla以其鋼筋建模的開放性、便捷性以及結構深化設計上的優勢，是目前較為適合開展鐵路連續梁零號節段深化設計的BIM平臺之一。

3 構建鐵路連續梁零號段信息模型

鐵路預應力混凝土連續梁零號節段通過支座直接與橋墩相連，受力復雜。為了增加截面的橫向剛度和整體剛度，限制畸變變形并承受部分支撐反力，通常在零號節段腔室內設置一定厚度的橫隔板。另外，由于中支點位置大噸位支座及支座墊板尺寸要求，通常在零號節段梁體兩側設置混凝土加靴。因此，鐵路連續梁零號節段混凝土信息模型應由梁體、橫隔板以及加靴3部分組成。如圖1所示。

圖1 鐵路連續梁零號節段混凝土單元組合

研究結合Tekla API接口技術，對上述3個部分進行參數化建模層面的開發，其中梁體截面參數如圖2所示。

圖2 梁體截面參數示意

隔板與加靴參數與梁體類似，不再贅述。建模流程如圖3所示。

圖3 梁體建模流程

針對普通鋼筋，結合圖2所示參數化斷面，分別精確計算各單元關鍵節點空間坐標，以橫向坐標節點連線控制鋼筋大樣，以縱向坐標節點連線控制鋼筋分布范圍，進而實例化生成普通鋼筋BIM模型。

預應力鋼束在BIM環境中為空間曲線，較平面曲線描述難度程度大為增加，由于目前缺乏成熟的空間曲線插值算法[8]，采用分別在兩個垂直斷面內描述平面曲線的方法，以插值算法擬合出空間曲線導線節點坐標，從而在BIM平臺下建立預應力束空間曲線模型。如圖4所示。

圖4 預應力曲線空間導線點擬合

最后，研究采用C#語言為開發工具[9-16]，對鐵路預應力混凝土連續梁零號節段分模塊建模，程序界面如圖5所示，建立的BIM模型如圖6所示。

圖5 連續梁零號節段建模程序界面

圖6 鐵路連續梁零號節段整體BIM模型

圖6所示模型包含信息齊全，具備深化設計條件。可見，通過合理拆解鐵路連續梁零號節段混凝土單元，并借助程序語言分別建立拆解單元模型，能夠較快較好地完成整體BIM建模工作，滿足開展深化設計要求。

4 深化設計及應用

依托BIM技術提供的碰撞校核、可視化、參數化等功能，對鐵路預應力混凝土連續梁零號節段開展深化設計及應用。

4.1 預應力束深化設計

借助BIM技術的碰撞檢查功能，對全模型進行碰撞校核檢查，重點查找預應力束之間、預應力束與腹板箍筋之間的碰撞問題，并調整設計。如圖7所示，腹板箍筋與預應力干擾，調整預應力布置。

圖7 預應力束與腹板箍筋干擾

4.2 梁體普通鋼筋深化設計

與二維施工圖不同，在BIM環境下，普通鋼筋體現帶有真實彎鉤、直徑的對象，因此，二維圖紙中往往發現不了的問題在BIM環境下就突顯出來。其中一個是彎鉤超出保護層的問題，如圖8所示，按照規范要求設計標準直角彎鉤，彎鉤末端超出保護層。深化設計調整其彎鉤角度，滿足彎鉤大小及保護層要求。

圖8 彎鉤末端超出保護層厚度

另一個問題是普通鋼筋與預埋件干擾，由于支座預埋螺栓、套筒與支座加強鋼筋網集中在一個BIM模型中，設計者可以清晰地查看各子部件間的空間關系，進而開展深化設計，在滿足預埋件精確定位的前提下調整普通鋼筋位置。

4.3 深化應用

通過與施工單位溝通，借助BIM模型的可視化功能，在模型中精確模擬混凝土下料孔、振搗孔分布，進而指導現場施工，圖9所示為下料孔模擬位置。

圖9 混凝土下料孔空間示意

另外，通過獲取不同橫斷面位置預應力束數據，可進一步完成基于BIM模型的預應力孔道空間定位數據，為預應力孔道精確定位提供指導。

5 成果輸出

BIM技術的一項優勢就是能夠實現三維模型和二維圖紙的關聯[17-20]，但是在實踐過程中，發現兩者之間關聯存在較多的問題，主要集中在圖形表達及數量統計均難以滿足現鐵路橋梁施工圖要求。為此，開展以下兩個方面內容的研究。

一是按照圖10所示流程，創建鐵路連續梁零號段各剖視圖。

圖10 創建鐵路連續梁零號段各剖視圖流程

其中，“創建視圖”是指根據圖紙中的某一剖視圖，在BIM模型中定位剖視位置，并根據視圖內需要顯示的鋼筋組，定義剖視深度。主要問題是對BIM模型中鋼筋數據的解析。如圖11所示，BIM數據庫按組存儲鋼筋，每個鋼筋組能夠解析出其包含的根數以及每根鋼筋的空間坐標，在此基礎上利用空間向量計算，創建二維圖紙。

圖11 單個鋼筋組解析示意

二是按照圖12所示流程統計鐵路連續梁零號節段鋼筋數量。

圖12 鋼筋數量統計流程

其中，“按模板統計數量”是指統計運行前在軟件平臺中定義模板。該模板主要由“行”來組成，每“行”內由特定的幾組數據組成，分別代表統計內容。同時“行”內繪制有鋼筋大樣，如圖13所示。當識別到某一編號的鋼筋組時，程序自動匹配該鋼筋組的形狀編號，調用對應的行來統計數據。

圖13 某大樣統計模板示意

上述研究內容，一定程度上實現了BIM模型到2D施工圖的正向設計，圖紙圖面表述清晰，統計鋼筋數量與人工繪圖鋼筋數量相差0.22%，數量統計準確。

6 結論

(1)通過合理分解鐵路連續梁零號節段單元，分別建立分解單元模型再進行布爾運算，能夠較快較好的完成整體BIM建模工作，滿足深化設計需要。

(2)基于BIM技術開展連續梁零號節段深化設計工作，能夠更加清晰、便捷地發現設計中存在的不足，提升設計質量。

(3)基于深化完成的BIM模型直接生成2D施工圖、統計工程數量，實現BIM正向設計，能夠一定程度上提高設計效率。

(4)研究成果已在京雄城際、浦梅鐵路等鐵路項目中得到實踐應用，對同類型橋梁深化設計工作起到一定的借鑒作用。