基于BIM技術(shù)的工字鋼混凝土板組合梁橋參數(shù)化建模*

宋福春， 王厚宇

(沈陽建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院， 沈陽 110168)

伴隨著現(xiàn)代信息科技發(fā)展以及工程界面臨著日益增多的問題，建筑信息模型(building information modeling，BIM)得到了廣泛的關(guān)注，其可以定義為建筑工程項目各項信息數(shù)據(jù)的匯總[1].美國國家BIM標(biāo)準(zhǔn)(national building information model standard，NBIMS)將其特點(diǎn)相對完整地細(xì)化為11個方面，包括面向生命期(全壽命)、基于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)(共享、協(xié)作)、幾何信息的儲存(信息化)、信息的精確性和可交互性等[2].

目前，BIM的應(yīng)用主要集中在房屋建筑領(lǐng)域，且在一些大型的建筑工程中已經(jīng)進(jìn)行初步嘗試并取得了一定的成果，但在橋梁工程領(lǐng)域的研究與應(yīng)用還相對較少，高質(zhì)高效、減少返工等優(yōu)勢仍未明顯展現(xiàn).因此，本文基于BIM技術(shù)針對橋梁工程中工字鋼混凝土板梁橋的參數(shù)化建模進(jìn)行研究，利用橋梁BIM的核心建模軟件，完成工字鋼混凝土板梁橋模型的參數(shù)化建立，總結(jié)有關(guān)建模流程與技術(shù)要點(diǎn)，為相關(guān)領(lǐng)域的從業(yè)人員提供參考的同時，在一定程度上推動BIM技術(shù)在橋梁工程領(lǐng)域的發(fā)展.

1 橋梁BIM技術(shù)

1.1 橋梁BIM的革新

BIM在橋梁工程中的應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)的作業(yè)模式，讓一切工作以數(shù)據(jù)信息模型為基準(zhǔn)，一切計劃操作有實(shí)施根據(jù).BIM的應(yīng)用不管對設(shè)計方還是施工方帶來的效率提升和技術(shù)水平提高都是毋庸置疑的，具體優(yōu)勢如下：

1) 方案評審更加直觀.基于BIM模型的橋梁工程，可讓業(yè)主在方案選擇評審階段更加直觀地看到工程完工后的效果及相應(yīng)的分析.

2) 工程造價更加精準(zhǔn).基于BIM模型的工料計算相比于基于2D圖紙的預(yù)算更加準(zhǔn)確，且大多是工作可交由計算機(jī)完成，便捷省時.

3) 設(shè)計施工更加高效.BIM技術(shù)為橋梁工程所帶來的協(xié)同設(shè)計、參數(shù)化設(shè)計兩大特征，在設(shè)計階段高效高質(zhì)，減少復(fù)工返工參數(shù).

4) 構(gòu)件預(yù)制更加高質(zhì).構(gòu)件的參數(shù)化、模塊化是工廠預(yù)制化的重要基石，橋梁BIM技術(shù)的信息模型代替了傳統(tǒng)圖紙的移交等[3].

橋梁BIM技術(shù)所提供的信息交互平臺能夠使早期參與設(shè)計的各協(xié)作方進(jìn)行相互經(jīng)驗(yàn)探討、信息協(xié)調(diào)，有利于先進(jìn)技術(shù)的獲取與項目的實(shí)時創(chuàng)新，對后期項目的維護(hù)檢測和管理模式優(yōu)化有著積極作用，對實(shí)現(xiàn)耗能與可持續(xù)發(fā)展設(shè)計分析也有著引領(lǐng)作用.

1.2 橋梁BIM建模軟件選取

BIM技術(shù)的應(yīng)用離不開基礎(chǔ)軟件，BIM模型的創(chuàng)建都依賴于核心建模軟件.雖然BIM相關(guān)軟件經(jīng)過了超過十年的更新和進(jìn)步，功能和界面都已經(jīng)有了很大的提升，但從橋梁工程領(lǐng)域考慮，適配的應(yīng)用框架還相對薄弱，各平臺的數(shù)據(jù)連通也不夠完善，不可避免地丟失部分模型信息，甚至出現(xiàn)難以預(yù)計的錯誤，如模型部件丟失、體或面不閉合、材料信息缺失等.故為了實(shí)現(xiàn)橋梁BIM的應(yīng)用框架和多專業(yè)人員的協(xié)同工作，首先需要選取合適的核心三維建模軟件，充分考慮后續(xù)數(shù)據(jù)處理，盡可能使用統(tǒng)一的平臺系列軟件，完成橋梁工程在全生命周期的BIM應(yīng)用，以最大程度保留模型中的有效信息，減少冗余和錯誤.

目前，國內(nèi)市場和科研院所可用于橋梁工程的BIM平臺軟件包括美國的Bentley和Autodesk，法國的Dassault，芬蘭的Tekla以及McNeel公司的Rhino.為選取適配程度高的橋梁BIM核心建模軟件，本文對相關(guān)研究[4-6]進(jìn)行深入分析，總結(jié)歸納了各平臺核心建模軟件的優(yōu)缺點(diǎn)，供讀者參考.

1.2.1 Autodesk Revit

Revit是目前國內(nèi)使用率最高的專門面向BIM設(shè)計的產(chǎn)品，其運(yùn)用不同代碼庫以及文件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了在同一模型層面上進(jìn)行建筑、結(jié)構(gòu)和機(jī)電行業(yè)協(xié)同工作.Revit的建模流程大致包括建立軸網(wǎng)、標(biāo)高設(shè)定、構(gòu)件選取和定位建模等.該平臺主要面向房屋建筑工程，內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件族庫，同時也可根據(jù)需要自定義標(biāo)準(zhǔn)模板構(gòu)件.但對于橋梁工程而言，由于缺乏對應(yīng)的構(gòu)件族庫，首先需要定義大量的參數(shù)化橋梁構(gòu)件，之后才能完成建模.對于較為標(biāo)準(zhǔn)的箱梁、工字梁、墩柱等橋梁構(gòu)件，可進(jìn)行模板定義.而針對構(gòu)造較為復(fù)雜的橋塔、橋臺、拉索等部位，建模操作較為復(fù)雜，費(fèi)時費(fèi)力，使得參數(shù)化設(shè)計的自由度大打折扣.

針對Autodesk公司的Revit，總結(jié)其優(yōu)劣勢為：軟件易上手，界面清晰，具備二次開發(fā)的數(shù)據(jù)接口，支持信息的全局實(shí)施更新，但其參數(shù)規(guī)則對于由角度變化引起的全局變更有局限性，即不支持復(fù)雜的曲面設(shè)計.

1.2.2 Dassault CATIA

CATIA是世界領(lǐng)先的產(chǎn)品設(shè)計和體驗(yàn)解決方案，被廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械、船舶等領(lǐng)域.因航空領(lǐng)域?qū)η婺Ｐ偷墓饣仁謬?yán)苛，使得CATIA的三維形態(tài)表現(xiàn)力非常出色，故將其用于橋梁工程領(lǐng)域自然可行，但由于軟件并非專門面向橋梁行業(yè)，使得參考案例極少.本文根據(jù)馮川、盧飛等[7-8]分別在簡支T型橋和斜拉橋主塔運(yùn)用CATIA進(jìn)行建模的研究，大致將該軟件的建模流程歸納為：1)對橋梁的構(gòu)件進(jìn)行歸納分類、編號和建模；2)定位橋梁的骨架軸線，如主梁高程線和拉索定位線等；3)沿骨架軸線，以搭積木的方式進(jìn)行模板拼裝，最后形成橋梁的整體架構(gòu).

1.2.3 Takla

Takla原為專門針對鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計軟件，擁有完備的鋼構(gòu)件截面庫，同時提供了巧妙的鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計模塊，可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的細(xì)部定義.其建模方式類似于Autodesk Revit，首先定位軸線，然后在截面庫中選擇需要的截面，設(shè)置構(gòu)件屬性，最后沿著軸線進(jìn)行構(gòu)件放樣，依次建立其余構(gòu)件，直至全橋結(jié)構(gòu)完成.由于該平臺主要面向房屋建筑工程中的鋼結(jié)構(gòu)，截面庫中缺乏針對橋梁工程的參考數(shù)據(jù)，也不能從外界應(yīng)用中導(dǎo)入多曲面復(fù)雜形體，故除針對特殊的鋼橋外，本文不建議應(yīng)用該平臺作為橋梁BIM的核心建模軟件.

1.2.4 Rhino

Rhino是基于生成式算法的三維建模軟件，可以不受精度、復(fù)雜度、線性核尺寸限制任意地創(chuàng)建、編輯任何幾何形體，并能提供動畫和渲染功能.其本質(zhì)上與常見的BIM建模軟件有所不同，它屬于同3ds MAX、Sketchup等一類的三維幾何造型軟件，但具備高精確性和出色的可視效果.

建模的方式與大部分三維設(shè)計軟件一致，都是通過點(diǎn)、線、面的方式，逐步創(chuàng)建所需要的模型，但所創(chuàng)建的模型卻與傳統(tǒng)意義上的三維實(shí)體不盡相同.Rhino是將多個面形成的封閉空間定義為體，因此，對于復(fù)雜的三維模型，可以分別建立各個曲面，再通過組合命令生成體，但針對復(fù)雜的橋梁工程，這種新式的空心的“體”往往只能達(dá)到效果展示的程度，對后續(xù)的結(jié)構(gòu)分析幫助微弱.因此，雖然該平臺具有強(qiáng)大的復(fù)雜曲線建模能力，但本文認(rèn)為其更適合應(yīng)用于景觀橋梁的效果圖展示.

1.2.5 Bentley MicroStation

MicroStation(簡稱MS)是國際上著名的二維和三維CAD軟件，具備豐富的設(shè)計和文檔模塊，可為幾乎任何種類、尺寸和復(fù)雜度的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目提供建模、文檔儲存和可視化功能，在計算機(jī)輔助設(shè)計領(lǐng)域與AutoCAD齊名.但進(jìn)入我國市場較晚，國內(nèi)MS用戶較少，且對于習(xí)慣了AutoCAD的繪圖設(shè)計人員，MS特有的操作方式和基于3D的設(shè)計思維會使得用戶上手較慢.與大多數(shù)設(shè)計軟件相似，MS的三維建模流程可歸納為：剖面輪廓線的繪制，進(jìn)一步生成面單元，最后通過放樣形成體.實(shí)體、B-Spline曲線曲面、網(wǎng)格面和特征參數(shù)化等多種3D建模方式強(qiáng)化了MS的建模思路，完全能夠滿足橋梁專業(yè)領(lǐng)域用戶的建模需求.

基于MS平臺開發(fā)的Open Bridge Modeler(簡稱OBM)為橋梁BIM的發(fā)展注入新鮮血液，相對完備的構(gòu)件數(shù)據(jù)庫提供了橋梁參數(shù)化快速建模的新思路.同時，Bentley公司還提供了支持多用戶、多項目的管理平臺ProjectWise，為橋梁BIM后續(xù)在施工管理等方面的有效應(yīng)用提供了便捷.

雖然現(xiàn)有的三維核心BIM建模軟件各有優(yōu)勢，但將它們運(yùn)用于橋梁工程時仍有許多有待解決的問題.甄選合適的橋梁工程BIM建模核心軟件，以達(dá)到橋梁BIM應(yīng)用框架的基礎(chǔ)構(gòu)建是尤為重要的.結(jié)合上述分析并充分考慮橋梁工程的特點(diǎn)，選取Bentley平臺作為本文核心的三維建模軟件.

2 參數(shù)化模型

2.1 參數(shù)化基本原理

高度參數(shù)化是運(yùn)用BIM技術(shù)建立三維模型的特點(diǎn)，其根本是在建模過程中，對構(gòu)件按照邏輯關(guān)系進(jìn)行模型的創(chuàng)建，其優(yōu)點(diǎn)就是只需通過改變點(diǎn)、線等基礎(chǔ)參量的參數(shù)，就能對整體模型進(jìn)行更改.BIM建模相對于傳統(tǒng)的建模方式，更加高質(zhì)高效，具備直觀明確的3D出圖效果，其核心是邏輯建模[9].橋梁屬于邏輯性比較高的結(jié)構(gòu)，根據(jù)自身的邏輯，運(yùn)用參數(shù)化手段能夠?qū)崿F(xiàn)快速建模的目的.換句話說，參數(shù)化建模可以表述為描述對象規(guī)律的過程.通過描述形體變化的規(guī)律來控制對象，模型參數(shù)的數(shù)值可以發(fā)生變化，但參數(shù)之間的規(guī)律是沒有變化的.

參數(shù)化建模的原理可描述為：先實(shí)現(xiàn)二維輪廓/截面的參數(shù)化，通過拉伸、放樣等方法形成參數(shù)化構(gòu)件，再由構(gòu)件之間的組合、交并、變換或排列等操作形成復(fù)雜的構(gòu)件或結(jié)構(gòu)[10].參數(shù)化建模便于用戶進(jìn)行設(shè)計和后期修改，實(shí)現(xiàn)模型的快速創(chuàng)建，提高設(shè)計效率，已成為當(dāng)前BIM建模領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，對BIM的發(fā)展具有推動性意義.

2.2 橋墩的參數(shù)化

橋墩作為橋梁的主要承重結(jié)構(gòu)，相比于其他構(gòu)件更為復(fù)雜，參數(shù)化過程中幾何關(guān)系處理也更具難度.因此，本文以花瓶墩的參數(shù)化模型創(chuàng)建為例，闡述橋梁BIM模型的參數(shù)化建立機(jī)理，為讀者自行完成其他構(gòu)件的參數(shù)化模型創(chuàng)建提供參考.

首先依照傳統(tǒng)CAD繪圖模式完成花瓶墩立面圖的繪制.其次對繪制好的二維花瓶墩截面進(jìn)行幾何關(guān)系約束，其中包括：平行約束、垂直約束、相等約束和相切約束等7類不同形式的二維幾何約束.根據(jù)實(shí)際參數(shù)變化需要，對二維截面的尺寸進(jìn)行變量設(shè)置，如構(gòu)件各部位的長度、寬度、橋墩高度等.對于設(shè)置好約束以及幾何參數(shù)的二維截面，通過拉伸構(gòu)造和路徑放樣等形式，創(chuàng)建成為三維實(shí)體模型，通過修改控制幾何參數(shù)的方式，驗(yàn)證所創(chuàng)建的參數(shù)化花瓶墩幾何邏輯關(guān)系.需要說明的是，針對四曲面花瓶墩，可先分別按照上述過程，創(chuàng)建不同截面的參數(shù)化實(shí)體模型，而后通過延展邊或三維布爾運(yùn)算的方式將其交并，完成四曲面花瓶墩的參數(shù)化BIM模型，如圖1所示.

圖1 15 m四曲面花瓶墩

3 全橋快速建模

本文以工字鋼混凝土板梁橋?yàn)槔劳谢谀０鍘斓腛BM平臺對參數(shù)化快速建模方法進(jìn)行研究.大致流程可描述為橋梁定位路徑的確定、上部結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)定、下部結(jié)構(gòu)的參數(shù)化布置以及附屬結(jié)構(gòu)的自動匹配，最終完成全橋BIM模型的建立.

3.1 橋梁定位路徑的確定

橋梁定位路徑就是根據(jù)實(shí)際工程現(xiàn)場的情況，準(zhǔn)確定位橋梁的始末位置以及橋梁整體走向信息的路線.路徑的確定方法依照橋墩定位測量相關(guān)技術(shù)，根據(jù)測量的數(shù)據(jù)，通過軟件進(jìn)行定位繪制.本文通過參照的方法，參考了某橋的定位路徑，為后續(xù)建模做好準(zhǔn)備.

3.2 上部結(jié)構(gòu)的參數(shù)化創(chuàng)建

上部結(jié)構(gòu)的模型創(chuàng)建可大致分為橋面板和工字鋼梁兩個部分.根據(jù)橋梁類型選擇創(chuàng)建鋼梁模型，選取橋梁定位路徑，依照實(shí)際工程橋墩位置及跨徑尺寸等數(shù)據(jù)修改參數(shù)，其中包括起止樁號、跨度距離、Pierlines數(shù)目等，放置Pierlines，如圖2所示.

圖2 Pierlines參數(shù)設(shè)定與生成

1) 橋面板.根據(jù)實(shí)際，先選取模板庫中所需的橋面板模板，該平臺的模板參數(shù)化創(chuàng)建方式根據(jù)節(jié)點(diǎn)約束的方式進(jìn)行設(shè)定，即通過設(shè)定兩節(jié)點(diǎn)間的函數(shù)拓?fù)潢P(guān)系，通過控制變量和修改變量，達(dá)到參數(shù)化的目的.之后選好橋面板模板后對其設(shè)置相應(yīng)參數(shù)(長、寬、厚度等)，選中Pierlines，系統(tǒng)自動沿路徑進(jìn)行放置橋面板，如圖3所示.

圖3 橋面板模型

2) 工字鋼梁.梁的建模過程主要分為兩步：①生成布梁線，選擇Pierlines設(shè)置梁的片數(shù)、間距等參數(shù)，完成布梁線的生成，如圖4所示；②工字鋼梁參數(shù)化，根據(jù)實(shí)際工程，設(shè)置工字鋼梁腹板厚度、寬度，是否加腋，上下翼緣起始端與結(jié)尾段尺寸，完成工字鋼梁的創(chuàng)建，如圖5所示.

圖4 生成布梁線

圖5 工字鋼梁模型

3.3 下部結(jié)構(gòu)的參數(shù)化創(chuàng)建

下部結(jié)構(gòu)的模型創(chuàng)建分為橋臺模型和橋墩模型，模板的參數(shù)化創(chuàng)建方式與橋面板相同，均采用設(shè)定節(jié)點(diǎn)間的函數(shù)拓?fù)潢P(guān)系以控制變量與修改變量.

1) 橋臺.選擇橋臺模板，選取首尾兩條Pierlines，設(shè)置橋臺相應(yīng)參數(shù)后進(jìn)行模型自動生成，如圖6所示.

圖6 橋臺模型

2) 橋墩.選取除首尾的Pierlines進(jìn)行橋墩放置，橋墩模型的生成方法與橋臺相同.橋墩結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模模型如圖7所示.

圖7 橋墩模型

3.4 附屬結(jié)構(gòu)的參數(shù)化創(chuàng)建

完成上下部結(jié)構(gòu)的模型創(chuàng)建后，進(jìn)行附屬結(jié)構(gòu)(支座、防撞墻)的模型布置.選擇相應(yīng)的支座、防護(hù)裝置的模板，設(shè)置參數(shù)，生成模型.防撞墻的布置方式沿橋面板進(jìn)行放置，支座的布置方式與其他結(jié)構(gòu)相同，均選擇沿路徑布置生成.

全橋模型如圖8所示.該建模方法快速便捷，參數(shù)化智能高效，為橋梁BIM的發(fā)展提供廣大空間.

圖8 全橋模型

4 結(jié) 論

橋梁參數(shù)化建模及其模型，在BIM技術(shù)的后期應(yīng)用階段具備可操作性，能夠指導(dǎo)施工和管理等.本文通過對市面上的BIM建模核心軟件進(jìn)行對比，選取了適合橋梁工程的BIM平臺，以工字鋼混凝土板梁橋?yàn)槔瓿闪四Ｐ蛥?shù)化的快速創(chuàng)建.根據(jù)試驗(yàn)總結(jié)出橋梁參數(shù)化快速建模的一般流程為：橋梁定位路徑的參考；根據(jù)數(shù)據(jù)庫模板完成上部結(jié)構(gòu)(橋面板、梁等)的模型創(chuàng)建；下部結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型創(chuàng)建；附屬結(jié)構(gòu)的模型創(chuàng)建；最終拼裝成橋.快速建模的關(guān)鍵在于使用者要充分理解參數(shù)化模型的設(shè)定方式和思路，充分利用Pierlines對橋梁進(jìn)行精準(zhǔn)定位與布置.研究表明，橋梁模型的參數(shù)化創(chuàng)建能夠解決建模效率低和速度慢等問題.