基于 CATIA 的橋梁 BIM 參數化建模技術研究及應用

廖 林，周應華，瞿 浩，景 磊

（中鐵二局集團勘測設計院有限責任公司，四川成都 610031）

目前建筑信息模型（BIM）技術已廣泛應用于建設工程的設計、施工和運維各個階段，尤以軌道交通應用為熱點。廣州市軌道交通建設單位已對所有在建項目進行了BIM應用要求，對模型的細度也進行了統一規定，不僅滿足建造階段的要求，更為運維階段的數字化管理做好基礎準備。在軌道交通工程建設過程中，針對橋梁工程中大量出現箱梁節段集中預制、現場拼裝的施工模式，如何結合該類工程標準化程度高、部件可參數化的特點進行高效的建模具有重要的現實意義。

BIM應用的基礎在于模型的創建，要提升建模速度和質量，參數化和程序化是有效的途徑。根據橋梁工程特點及當前行業情況，應用較廣泛的有歐特克公司的revit和達索公司的CATIA 2套軟件體系。revit解決方案是創建參數化族，通過節點開發插件dynamo編寫橋梁路徑程序及參數化族參變控制程序，將可參變族放置在路徑中，同時對可參變族進行參數化控制。該技術在盾構管片、連續鋼構、裝配式建筑預制構件、建筑幕墻等工程中得到了應用，可解決有一定相似性和重復性的建模工作，但在模型創建方面需要基于revit的模型創建規則，存在revit關聯參變難度大等問題，此外，對于有些特殊結構，無法創建滿足要求的族文件；在程序開發方面，revit受限于dynamo已有節點限制，無法快速創建需要的節點程序[1-8]。CATIA一直以基于參數化的空間點、曲線、曲面等要素建模能力而聞名，其功能模塊全面，已廣泛應用于特大橋、框架結構、拱橋、簡支T型梁等工程設計中[8-16]，可較好解決大型復雜異形結構劃分、構件參數化建模、模型組裝等問題。

通過上述分析，本文認為CATIA更適合線性工程下復雜曲線的建模，對基于CATIA的橋梁參數化建模技術進行了研究，制定了“工程模板和工程骨架”的裝配式快速建模方案，其快速高效的建模特點在工程實例應用中得到證明。

1 CATIA 參數化建模特點

CATIA V5是法國達索系統公司提供CAD/CAE/CAM的一體化軟件，提供產品從概念設計到最終產品成型的全套技術解決方案；具有強大的三維設計和參數化建模能力，可實現部件模型全尺寸約束，全參數設計修改，全數據驅動和更新。應用其參數化能力可對部件模型進行反復設計、編輯和修改，其參數化特點如下。

（1）自定義參數：用戶可根據需求自定義建立各種類型參數。

（2）全尺寸約束：在模型繪圖中，對每個單元圖形尺寸進行約束標注，不能遺漏標注；通過對圖形的全尺寸約束實現控制幾何圖形的變化。

（3）參數驅動尺寸修改：參數化建模以圖形進行完全約束為基礎，將參數與標注尺寸進行關聯，實現參數驅動標注尺寸進行圖形變化。

（4）數據關聯：圖形在全尺寸約束狀態下，修改參數可實現其他與之相關約束尺寸進行自動更新。

（5）結構樹：自上而下的設計理念，對參數設置和修改的繪圖過程在結構樹上均有記錄，便于修改繪圖過程中的模型參數。

（6）參數化模板：知識工程模塊提供了標準化程度高、復用性強的零件進行參數化、模板化設計。

2 基于 CATIA 橋梁參數化建模方案

在CATIA V5中利用其強大的參數能力，通過工程模板和參數化模型創建相結合的方式，實現橋梁工程建模的快速應用。在CATIA V5中工程模板分3種，分別為知識工程模塊中的“超級副本”“用戶特征”和“文檔模板”。其特點為調用專業的、標準的參數化構件模板進行復用，通過控制輸入構件（輸入構件是選定構件的畫圖基準）和輸出構件（要復制的模板）之間關系，調整模板內部尺寸參數，實現橋梁工程參數化模板的裝配式三維建模。后期利用模板與宏代碼及二次開發相結合，實現專業自動化建模的目的。其建模方案如圖1所示。

圖1 參數化建模方案

2.1 橋梁結構建模方法

利用CATIA零件設計、創成式外形設計模塊中的草圖設計功能完成不同種橋墩、橋梁類型的草圖輪廓設計，設計人員在繪制輪廓的過程中建立相應輪廓的尺寸控制參數，實現參數關聯圖形并驅動。橋梁按用途可分為公路橋、鐵路橋、公鐵兩用橋等。橋墩結構從下而上可分為樁基、承臺、墩身、蓋梁等細部構件，不同種類型的橋墩細部結構有所不同。在繪制橋梁工程模型前，應結合道路橋梁專業知識及特點對橋梁工程結構進行分析，首先制定符合項目BIM三維模型設計過程的實施方案，再制定各專業構件模型的建模實施標準，確保參數化三維模型輸出成果能夠在項目中形成數據傳遞、引用和數據聯動。

2.2 參數化模型創建

以鐵路高架橋墩、箱梁為例，基于CATIA零件設計模塊或者創成式外形設計模塊展開橋墩、箱梁二維草圖設計，草圖繪制完成后對輪廓進行尺寸約束使草圖輪廓處于完全約束狀態，并退出草圖繪制圖形界面回到三維模型創建圖形界面，進行樁基、承臺、墩身、梁體等結構的草圖輪廓拉伸、旋轉、復制、偏移等基礎建模操作，生成三維實體模型，如圖2、圖3所示。

圖2 橋墩實體模型

圖3 箱梁實體模型

2.2.1 模型參數和公式創建（參數化母版模型）

在基礎模型設計過程中需通過f（x）公式編輯器創建橋墩、箱梁實體模型的長、寬、高、樁基半徑等尺寸參數，將模型的尺寸參數以用戶自定義參數的形式表達，如圖4所示，通過尺寸公式編輯將模型參數與草圖輪廓、三維模型尺寸進行參數關聯，實現用戶通過參數驅動控制模型的尺寸變化。

2.2.2 參數化曲線要素（骨架設計）

在CATIA中新建一個零件（Part），利用草圖設計界面繪圖功能結合道路橋梁專業知識進行道路橋梁平曲線要素的參數化骨架設計，包含曲線半徑（R）、緩和曲線長（LS）、圓曲線長（L）、切線長（TL）、外距（EL）、直緩點（ZH）、緩直點（HZ）、圓緩點（YH）、緩圓點（HY）等主要技術參數。

骨架設計為工程模型裝配的重要基礎，在骨架設計過程中先將平曲線進行特征輸出和發布，再基于發布元素進行橋墩中心控制點坐標設計，為各專業參數化模型布置提供尺寸、坐標定位、骨架引用的設計框架。實現設計人員以參數化骨架模型為基礎，快速、直觀、準確的開展橋梁各專業模型裝配、協同、變更設計。參數化骨架模型如圖5所示。

2.3 模板定義

基于以上參數化建模過程，圖形尺寸與構件模型具有對應的用戶參數，因此可通過修改用戶參數實現圖形的變化。形成參數化模板所需的母版模型后，需要進行模板設計，具體操作是點擊“開始”→“知識工程模板”→“產品知識模板”；利用產品知識模板中的“超級副本”“用戶特征”和“文檔模板”3種方式將創建的參數化母版模型輸出為標準化模板模型。

3種模板輸出方式應結合BIM項目技術方案、成果應用需求和工程結構特點等進行選擇。在橋梁工程中主體分上部結構和下部結構，適用于選用結構并列關系的方式進行模板輸出和結構管理。3種模板輸出方式的區別如下。

（1）“超級副本”和“用戶特征”2種模板定義方式及使用方法相同，都能在一個產品（Product）里和Part里（Product/Part都可以雙擊選中）進行參數化模板調用，生成的模型可以是并列關系，也可以是父子級關系。其中“超級副本”顯示的是整個模板模型，包含輔助的平面和設計草圖；“用戶特征”顯示的只是模型成果，不含設計過程，沒有其他輔助平面和設計草圖。

（2）“文檔模板”區別于前2種方式，只能在Product（雙擊選中）環境下導入單獨的Part；生成的模型只能是并列關系，不能是父子級關系。以文檔模板方式調用模板生成的模型包含母版模型整個設計過程。

圖4 模型參數定義

圖5 參數化骨架模型

以箱梁為例，“超級副本”“用戶特征”和“文檔模板”定義流程如下：選定模型（要復制的模板）和輸入條件（定位），模板與輸入條件之間存在因果關系，輸入條件是選定模型的畫圖基準。超級副本參數化模板創建用戶定義如圖6所示，用戶特征模板定義如圖7所示，文檔模板用戶定義如圖8所示。

圖6 超級副本用戶定義

圖7 用戶特征模板定義

圖8 文檔模板用戶定義

2.4 模板調用快速建模

在CATIA裝配設計模塊中結合項目設計方案建立完善的Product目錄結構樹，鼠標選中Product結構樹并右鍵選擇“部件”→“具有定位的現有部件”的方式導入參數化平曲線骨架模型文件。導入骨架模型文件后將工作界面切換到“知識工程模塊”→“產品知識模板”中，運用“從文檔實例化”功能從模板庫中調用橋墩、箱梁等專業參數化模板進行三維模型裝配式快速建模，如圖9、圖10所示。

3 應用實例

廣州市軌道交通14號線一期工程Ⅱ標（鐘落潭站（含）～神崗站（不含））全部為高架，線路全長17.788 km，施工起訖里程 為Y（Z）DK 32+972 ～ Y（Z）DK50+760。該工程橋墩布置多為30 m、40 m等標準跨距，橋梁采用2.4 m節段箱梁預制生產，現場進行預應力安裝施工，具有模板化、標準化程度高的工程特點，且全線橋墩、箱梁等專業模型數量大，在BIM技術應用之初，擬定運用參數化快速建模技術完成該工程模型創建工作。首先創建包含樁基、承臺、橋墩、蓋梁、箱梁、附屬設施等多種構件的橋梁參數化項目模板庫，通過模板庫的應用，成功完成了全線17.788 km橋梁專業模型參數化創建、裝配式組裝，在各階段應用如下。

圖9 橋墩參數化模板快速建模

圖10 箱梁參數化模板快速建模

（1）設計階段根據圖紙分類創建橋梁上下部參數化模板，在平曲線骨架上進行裝配式建模。通過設計圖紙分析，對橋梁下部結構、上部結構可參數化的幾何信息進行分類整理：下部結構按承臺下樁的根數構建3類參數化模板，每類中分別對樁基的間距、長度、直徑，承臺的長寬高，墩身的上下截面尺寸等幾何信息參數化；上部結構主要依據箱梁節段斷面尺寸創建參數化模板，如圖11～圖15所示。

（2）施工階段根據設計階段的參數化三維模型成果，結合工程施工工藝、施工參數資料信息對橋墩和箱梁模型進行拆分細化，以便符合工程施工管理和驗收的要求。橋梁、橋墩施工階段模板拆分如圖16、圖17所示。

（3）運維階段以施工模型為基礎，基于BIM管理平臺集成的施工階段施工信息（包含進度、安全質量等過程信息和最終實測實量竣工數據），在運營期間開展基于可視化三維模型的空間管理、設備檢修等運維應用。運維階段成果應用如圖18所示。

圖11 雙線預制節段梁I型橋墩

圖12 大跨度梁段中墩

圖13 車站段M型橋墩

圖14 單線預制節段箱梁參數化模板

圖15 雙線預制節段箱梁參數化模板

圖16 橋墩施工階段模板拆分

圖17 橋梁施工階段模型拆分

圖18 運維階段成果應用

4 結語

本文通過梳理橋梁工程在設計、施工、運維各階段的數據資料和橋梁布置規則，建立了基于CATIA的橋梁參數化建模技術方案，并成功將該技術方案應用于廣州市軌道交通14號線一期軌道工程Ⅱ標，在工程設計、施工、運維各階段快速生成工程模型，使橋梁工程建模周期縮短至原來的25%，極大地提高了項目BIM工作效率。下一步作者將繼續開展基于參數化模板模型與專業知識相結合的正向三維設計研究，同時希望本論文成果可為類似工程提供參考。