BIM技術(shù)在鐵路橋梁工程中的應(yīng)用及實現(xiàn)方法

韓廣暉,李 輝,周清華,宋 浩,羅天靖,楊喜文

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司橋梁工程設(shè)計研究院,北京 100055)

1 概述

BIM技術(shù)采用帶有屬性的三維模型對工程對象進(jìn)行描述，與傳統(tǒng)二維圖樣相比具有能高效表達(dá)和管理復(fù)雜空間對象，有效支持多主體專業(yè)協(xié)同，有利于實現(xiàn)工程全生命周期管理等優(yōu)勢。

近年來，隨著京張、京雄、西十高鐵，川藏鐵路為代表的BIM試點項目的開展，BIM技術(shù)在鐵路工程領(lǐng)域得到了大力的推廣和應(yīng)用。鐵路BIM聯(lián)盟在鐵路BIM基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的制定方面進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究[1-3]，目前為止發(fā)布了13項鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)，為BIM技術(shù)在鐵路工程中的應(yīng)用提供了標(biāo)準(zhǔn)支撐。

針對橋梁工程領(lǐng)域的BIM技術(shù)應(yīng)用，許多業(yè)內(nèi)人士進(jìn)行了探討和實踐，如張興華[4]、劉彥明[5]分別開發(fā)了鐵路橋梁BIM設(shè)計程序，輔助橋梁BIM設(shè)計。崔振宇[6]、石魯寧[7]分別開發(fā)了鐵路箱涵BIM設(shè)計程序，滿足涵洞設(shè)計計算及建模需求。宋福春等[8]利用Revit軟件進(jìn)行復(fù)雜立交橋設(shè)計階段BIM應(yīng)用研究。張文勝等[9]研究了BIM與3DGIS的集成技術(shù)，并應(yīng)用于鐵路橋梁的施工階段。潘永杰等[10]研究了利用BIM技術(shù)搭建橋梁運(yùn)維管養(yǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

以往研究涉及到設(shè)計、施工、運(yùn)維各階段，有針對橋梁BIM設(shè)計階段軟件的應(yīng)用研究，有利用第三方軟件平臺進(jìn)行橋梁BIM輔助設(shè)計工具開發(fā)研究，有利用BIM+GIS技術(shù)對施工階段的應(yīng)用研究，還有應(yīng)用BIM技術(shù)搭建運(yùn)維管養(yǎng)系統(tǒng)的研究。

上述的研究多是針對單一階段進(jìn)行，從各自所處的角色對BIM技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用探索，而針對全生命周期的模型創(chuàng)建方法或應(yīng)用案例未見介紹。從研究的廣度來看，BIM技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于橋梁工程項目的各個階段，從研究的深度來看，在單一階段的應(yīng)用已經(jīng)取得了一些成功案例，但鮮有串聯(lián)起生命周期各階段的應(yīng)用案例。BIM技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入了“深水區(qū)”，各工程參與方均在探索BIM技術(shù)的應(yīng)用解決方案，以發(fā)揮BIM技術(shù)的真正價值。

從模型創(chuàng)建出發(fā)，圍繞模型管理和應(yīng)用，探索研究鐵路橋梁BIM模型的數(shù)據(jù)組織方法，以期使BIM模型應(yīng)用于全生命周期各階段中，達(dá)到滿足各方信息需求的目標(biāo)。

2 模型的創(chuàng)建及管理

鐵路工程涉及專業(yè)多，參與方多，是復(fù)雜的系統(tǒng)工程。創(chuàng)建一種能在工程全生命周期內(nèi)各參與方共同使用的模型至關(guān)重要，這是各方實現(xiàn)信息傳遞共享，實現(xiàn)業(yè)務(wù)協(xié)同的基礎(chǔ)。各方的數(shù)據(jù)均積累在同一模型下，模型承載了工程全生命周期數(shù)據(jù)。

2.1 協(xié)同工作環(huán)境

為了實現(xiàn)各方協(xié)同和信息共享，需要建立共同工作的基礎(chǔ)環(huán)境。協(xié)同工作環(huán)境包括相同的數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)、相同的語義表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)和相同的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，以保證信息準(zhǔn)確的傳遞。在此基礎(chǔ)上還需完善一套與標(biāo)準(zhǔn)和工作流程相適應(yīng)的工具來輔助模型的創(chuàng)建和管理。

模型存儲于數(shù)據(jù)庫或BIM軟件的專有格式文件中。創(chuàng)建協(xié)同工作環(huán)境首先需要對模型文件采取有效的管理方法。有效的管理方式是建立協(xié)同工作平臺，對文件及相關(guān)的資源進(jìn)行統(tǒng)一管理，包括文件的版本管理、文件參考關(guān)系管理、協(xié)同流程人員權(quán)限管理、引用資源庫管理等。以ProjectWise軟件為例，文件參考關(guān)系管理如圖1所示，文件的參考以指向箭頭的方式進(jìn)行表示。

統(tǒng)一的文件管理和文件托管帶來的好處是各方的工作空間均相同，避免了跨軟件或跨平臺導(dǎo)致的信息交換不暢問題。在相同的環(huán)境下，文件級的協(xié)同工作方式向數(shù)據(jù)級方式擴(kuò)展成為可能。

2.2 協(xié)同工作方法

依托共同的工作環(huán)境，對橫向?qū)I(yè)間和縱向階段間的模型協(xié)同工作方法開展研究。專業(yè)間的協(xié)同，采用參考其他專業(yè)模型文件的方法，不對其他專業(yè)模型進(jìn)行修改；不同階段、不同參與方間的協(xié)同，采用在參考外部模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行屬性修改或?qū)傩詳U(kuò)充的方法。

文件級到數(shù)據(jù)級的應(yīng)用方法，采用兩級管理方式，分別對文件和模型構(gòu)件進(jìn)行管理。采用協(xié)同文件管理平臺實現(xiàn)文件關(guān)聯(lián)關(guān)系的管理；采用各專業(yè)工程結(jié)構(gòu)樹進(jìn)行構(gòu)件關(guān)系的管理，基于模型構(gòu)件提供的信息讀取接口進(jìn)行數(shù)據(jù)協(xié)同。數(shù)據(jù)級協(xié)同關(guān)系示例如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)級協(xié)同管理關(guān)系

為達(dá)到模型全生命周期應(yīng)用的目標(biāo)，采用頂層節(jié)點管理的方式打通各參與方間的數(shù)據(jù)傳遞障礙，通過人員權(quán)限的管理和流程控制實現(xiàn)數(shù)據(jù)有序訪問和數(shù)據(jù)安全。采用頂層節(jié)點管理的具體實現(xiàn)方法為：通過單一入口，多文件描述的方式，匯總?cè)芷诟麟A段的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的管理，實現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)應(yīng)用接口。

通過軟件開發(fā)和流程控制，確保全生命周期內(nèi)模型訪問入口唯一。通過模型特征和附加屬性信息進(jìn)行各階段數(shù)據(jù)的管理，通過階段控制工具實現(xiàn)單一描述對象的不同階段圖形圖像及信息的展示和提取，實現(xiàn)一體多用。單一描述對象的不同階段模型圖形顯示如圖3所示。

圖3 單一模型不同階段圖形顯示

2.3 從參數(shù)化到智能化

模型參數(shù)化是根據(jù)對象的特點，尋找影響對象的主要控制因素，查找其存在的關(guān)系和規(guī)則，根據(jù)這些控制因素、關(guān)系或規(guī)則抽象成控制模型變化的函數(shù)和變量，利用計算機(jī)語言對其進(jìn)行描述，形成利用參數(shù)可以控制其顯示或其他行為屬性的基本對象單元，借助計算機(jī)圖形引擎可以將基本對象轉(zhuǎn)換成圖形圖像顯示。在使用參數(shù)化模型時，只需調(diào)節(jié)參數(shù)即可調(diào)整修改設(shè)計方案，適應(yīng)多種情況需求。

參數(shù)化的方法將模型設(shè)計人員從繁瑣的計算和建模繪圖中解放出來，達(dá)到一次建模多處利用的效果，為模型構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用提供了方法。圖4所示為橋梁下部結(jié)構(gòu)參數(shù)化單元。為了方便參數(shù)化單元的標(biāo)準(zhǔn)化管理與使用，開發(fā)構(gòu)件庫管理工具對參數(shù)化構(gòu)件進(jìn)行管理，如圖5所示。

圖4 門式橋墩參數(shù)化單元

圖5 參數(shù)化構(gòu)件管理

在鐵路橋梁工程中，智能化是以數(shù)字化為基礎(chǔ)，結(jié)合先進(jìn)的算法和強(qiáng)大的計算能力，模仿人能動的行為滿足特定需求的能力。在橋梁布置的過程中，依托于協(xié)同設(shè)計的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和參數(shù)化構(gòu)件庫資源，采用強(qiáng)化學(xué)習(xí)和退火算法，智能的進(jìn)行橋梁孔跨布置，其流程如圖6所示。根據(jù)智能布跨的結(jié)果，調(diào)用參數(shù)化構(gòu)件結(jié)合設(shè)計環(huán)境，進(jìn)行橋梁BIM模型的生成。設(shè)計過程中引入智能手段輔助設(shè)計人員決策，將極大地減少人員投入，使設(shè)計過程便捷高效。

圖6 智能橋梁孔跨布置流程

3 模型的應(yīng)用

傳統(tǒng)的橋梁工程計算分析需要根據(jù)二維的設(shè)計圖，在所需的結(jié)構(gòu)分析軟件、地理信息系統(tǒng)中建立分析模型，不僅耗時費力，而且容易因人為疏忽造成錯誤。采用BIM技術(shù)，可以由工程信息模型中提取或轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)，導(dǎo)出分析所需的幾何、荷載、材料等信息供計算軟件使用，極大地提高效率，降低計算分析的人員投入成本。計算分析的結(jié)果輔助進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化和方案驗證，體現(xiàn)于BIM模型中。計算分析是完善BIM模型的有效工具，在此過程中BIM模型承載的設(shè)計成果得到迭代優(yōu)化。

3.1 結(jié)構(gòu)計算分析

從BIM模型中獲得信息用于結(jié)構(gòu)的計算分析，復(fù)雜結(jié)構(gòu)一般采用成熟的分析軟件，如邁達(dá)斯、ABAQUS等，簡單的結(jié)構(gòu)可采用自編工具軟件進(jìn)行分析。從BIM模型轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)分析模型要用到幾何、材料、約束、荷載、規(guī)范等信息，這要求BIM模型帶有這些信息，由于實際結(jié)構(gòu)和計算模型之間的差異，幾何模型的創(chuàng)建存在提取加工的過程，而屬性信息直接進(jìn)行轉(zhuǎn)換即可。針對模型的轉(zhuǎn)換需要專門開發(fā)模型轉(zhuǎn)換接口，以協(xié)助完成信息提取，計算模型的創(chuàng)建和分析結(jié)果的反饋等工作。目前，BIM模型與成熟的結(jié)構(gòu)計算軟件接口還不完善，需要進(jìn)一步完善。圖7所示為某鋼結(jié)構(gòu)BIM模型向結(jié)構(gòu)計算有限元分析模型的轉(zhuǎn)換。

圖7 BIM模型應(yīng)用于結(jié)構(gòu)分析

3.2 施工仿真分析

BIM模型中的施工信息，可用來進(jìn)行施工階段的仿真分析。在幾何模型基礎(chǔ)上，集成進(jìn)度計劃信息、工程量信息、質(zhì)檢信息、安全管理信息等多維度的信息，可以從多個維度對工程進(jìn)行施工仿真分析。采用協(xié)同工作的方式在設(shè)計階段進(jìn)行虛擬建造，施工方參與設(shè)計意見，根據(jù)施工的可行性來優(yōu)化方案是理想的方法。某項目施工過程進(jìn)度計劃仿真模擬如圖8所示。目前施工仿真在施工階段已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但由于分享機(jī)制不健全，將施工仿真前置到設(shè)計階段還僅限于個別試點應(yīng)用，未來將會有更大的應(yīng)用前景。

圖8 施工過程進(jìn)度計劃模擬

3.3 環(huán)境及狀態(tài)仿真分析

鐵路工程所處環(huán)境復(fù)雜，工程與所處環(huán)境之間存在相互影響，為了提高工程的適用性，在BIM模型的基礎(chǔ)上，輔以實景模型和既有環(huán)境模型，利用專業(yè)仿真軟件或地理信息系統(tǒng)，對工程所處的環(huán)境進(jìn)行分析，優(yōu)化設(shè)計方案。

利用基于GIS技術(shù)的多源數(shù)據(jù)融合平臺，可直觀展示環(huán)境與工程模型的融合、空間的布局、周邊既有物體與工程模型之間的關(guān)系，結(jié)合視頻、震動、溫度、應(yīng)力等傳感裝置，可以建立對結(jié)構(gòu)物健康狀態(tài)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控和分析系統(tǒng)，用來輔助決策預(yù)警。圖9所示為某鋼桁梁橋的實景預(yù)覽。

圖9 某橋梁實景預(yù)覽

4 結(jié)語

結(jié)合BIM技術(shù)在鐵路橋梁設(shè)計中的應(yīng)用實踐，從全生命周期的角度出發(fā)，圍繞模型的創(chuàng)建、管理和應(yīng)用，研究避免重復(fù)建模、實現(xiàn)信息共享的鐵路橋梁BIM建模方法。

提出從文件級到數(shù)據(jù)級的協(xié)同方法，即采用兩級管理的方式分別對文件和模型構(gòu)件進(jìn)行管理。解決了BIM模型階段間和專業(yè)間的信息傳遞問題，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)級的信息傳遞和共享，為協(xié)同設(shè)計提供了切實有效的方法。

提出了采用頂層節(jié)點管理的方式打通各參與方間的數(shù)據(jù)傳遞障礙，即通過單一訪問入口，多文件描述的方法，匯總?cè)芷诟麟A段的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的管理，避免了重復(fù)建模，實現(xiàn)了模型跨階段應(yīng)用。

從模型參數(shù)化到智能化的角度出發(fā)，介紹了基于AI和BIM技術(shù)的橋梁孔跨布置應(yīng)用。從結(jié)構(gòu)計算分析、施工仿真分析、環(huán)境及狀態(tài)仿真分析方面拓展BIM模型的應(yīng)用。

本文提出的兩級協(xié)同方法、單一訪問入口多文件描述的數(shù)據(jù)組織方式，為模型的全生命周期協(xié)同和應(yīng)用提供有效的實現(xiàn)路徑，可為后續(xù)BIM技術(shù)在鐵路橋梁工程中的應(yīng)用提供借鑒。