基于達索3DE 平臺的組合梁拱橋BIM 設計應用

熊淑華

（廣東深汕投資控股集團有限公司，廣東 深圳 518260）

0 引 言

目前工程設計、建設、運維管理等過程還主要依賴于傳統(tǒng)的二維圖紙，尤其是在特大型復雜橋梁的設計中[1]。工程設計過程繁瑣、優(yōu)化過程復雜，施工過程困難多，構造物的修建難度大。BIM 技術以三維模型為核心，具有可視化、協(xié)調性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性、可預測性和可控制性等優(yōu)點[2]，在工程的深化設計中，體現(xiàn)出其獨特的優(yōu)勢。

橋梁設計目前除了在計算方面采用三維模型進行分析，在整體和構件設計方面仍然主要采用二維的設計方式。由于在某些項目上，遇到傳統(tǒng)繪圖工具無法解決掉的問題，例如：大型項目的協(xié)同設計，異型復雜形體的建筑，綠色建筑分析應用需求等，需要尋求BIM 技術來更好地解決[3]。對于拱橋設計中細節(jié)構造的校核，常規(guī)依靠二維圖紙方式需要耗費大量精力也很難發(fā)現(xiàn)其中設計問題，采用BIM 技術不僅直觀表達設計對象，而且保證不同構件獨立完成，最終按照空間位置關系進行拼裝，為精準設計校核提供可靠依據(jù)。

達索V6 軟件2015X 平臺上為橋梁專業(yè)量身定制一套專用模塊，此模塊中引入橋梁專業(yè)，設立了一系列含有獨特屬性的橋梁結構類型構件。

現(xiàn)以深汕大橋為案例，在達索3DE 平臺（2015X）上以依據(jù)統(tǒng)一的標準要求按照橋梁構件類型分別建立構件模板，利用程序自動調用構件模板進行拼裝形成完整的模型。在模型拼接過程中發(fā)現(xiàn)拱橋結合段板件之間存在對接不一致，進行模型參數(shù)調整后優(yōu)化了設計結果；同時，對模型構件按照一定的規(guī)則進行編碼，提取了構件的設計信息，為模型向下階段傳遞提供了有利條件。

1 工程簡介

該拱橋的跨徑為230 m 一跨過河，主橋上部采用網狀吊桿鋼混組合梁拱橋結構，整幅設計，橋寬56 m，主拱拱肋中間設置，兩側設置車行道，車行道外側設置人行道，拱肋之間設置慢行系統(tǒng)。下部結構采用鋼筋混凝土實心墩和重力式橋臺，樁基采用鉆孔灌注樁，其橫斷面布置和立面圖分別見圖1、圖2 所示。

圖1 橫斷面布置圖

圖2 主橋立面圖

該項目由于拱橋造型復雜，單單用傳統(tǒng)設計手段難以在要求時間內完成，必須引入BIM 技術協(xié)同參與設計。利用BIM 技術的可視化、優(yōu)化性、協(xié)調性等優(yōu)點，在不同階段充分發(fā)揮其價值，提高設計成果質量，壓縮設計周期。

2 BIM 設計模型

BIM 設計模型主要采用“骨架驅動+ 模板”的方法實現(xiàn)。骨架本質上是一個比較廣泛的概念，可以理解為先決要素或者驅動要素。如何建立，以及具體的內容實際上與模板或者模型的建立是前后呼應的關

系[4]。

骨架關聯(lián)設計是對產品進行充分認識分解后，結合產品設計流程，運用控制元素對整個產品結構進行有效的總體控制，形成類似樹干狀的產品設計結構，并建立有效的參數(shù)信息傳遞線框及流程的自下而上的協(xié)同設計方法[5]。

2.1 骨架模型

骨架是模型建立的基礎條件，決定了模型之間的相互空間關系。該項目如何高效準確地定位網狀吊桿中心線是骨架模型中一個關鍵重難點，進一步分析就是如何定位網狀吊桿分別在拱上和梁上的吊點位置。首先，建立拱軸線，在3DE 平臺（2015X）上用法則曲線定義二次拋物線的方程如圖3 所示，由此生成豎直平面的拱軸線再投影到左右兩側內傾平面得到實際的拱軸線，如圖4 所示。

圖3 二次拋物線法則定義圖示

圖4 中心拱軸線示意圖

網狀吊桿的拱上吊點并不在中心拱軸線上，而是在由拱軸線左右偏移210 mm 分別得到內外側吊桿拱上吊點所在的軸線上，如圖5 所示。類似方式可以得到內外吊桿分別在主梁上吊點所在軸線，由吊點分別在拱上和梁上的水平距離即可以確定吊點位置。

圖5 拱軸線偏移圖示

在完成第一根吊桿中心線建立之后，可以將整個建立過程定義為一個附帶位置參數(shù)的模板，如圖6所示。最后通過程序調用模板賦予不同參數(shù)生成所有的吊桿中心線，如圖7 所示，最終得到全橋骨架模型，如圖8 所示。

圖6 吊桿中心線模板圖示

圖7 程序調用吊桿中心線模板圖示（單位：mm）

圖8 全橋骨架模型

2.2 構件模板

模板即對于一類有類似性的構件或特征結合參數(shù)進行歸集化建模而形成的模型。由于此模型可以依據(jù)不同的外部參考條件和自身參數(shù)的變化而形成一系列的模型（此過程為模板的實例化），故稱為智能模板[6]。

進行構件模板建立之前，需要從設計角度對結構進行拆分，以便確定構件模板的種類。該項目橋梁模型可以按照上部結構、下部結構和附屬結構三大類劃分，再由三大類細化到各構件層級，共計20 種構件模板，如圖9 所示。

圖9 構件拆分圖示

構件模板的建立需要給定輸入條件和構件設計參數(shù)，構件模板必須保證能隨輸入條件和設計參數(shù)的改變而作適應性變化。以模板中比較有代表的主縱梁為例簡要說明一下構件模板的建立過程。

輸入條件是生成構件模板的原始幾何元素，包含在上一步骨架模型創(chuàng)建的幾何元素中。對于主縱梁，它的輸入條件就是道路中心線，即由道路中心線起步，可以逐步建立主縱梁模板。建立的過程完全按照設計思路進行，核心技術路線也是需要擬定不同位置的截面形式和截面尺寸數(shù)據(jù)，再由截面沿著道路中心線進行拉伸生成三維模型，如圖10 所示。

圖10 主縱梁設計斷面及參數(shù)圖示

主縱梁內部結構相對復雜，除了加勁肋和橫隔板，還要考慮吊桿錨固構造，需要多角度定位幾何元素的位置，同時也是對二維平面表達的一種驗證，逐步依據(jù)設計圖紙完成了一個節(jié)段主縱梁模板，如圖11 所示。

圖11 主縱梁內部構造及成品模板圖示

相對常規(guī)二維設計，BIM 模型表達優(yōu)勢在于更加直觀，并且可以由參數(shù)控制所有的設計數(shù)據(jù)，實時進行設計變更，建模過程也完全符合設計核心思路。其它種類的模板建模思路限于篇幅不一一贅述，模板成品如圖12～圖14 所示。

圖12 上部結構模板示例圖

圖13 下部結構模板示例圖

圖14 附屬結構模板示例圖

構件模板全部建立完成之后，經過模板內部測試，滿足模板標準要求之后，需要添加構件庫中對應的專項分類，以方便統(tǒng)一管理和調用，構件庫如圖15所示。

圖15 構件庫示例圖

2.3 模型搭建

在所有需要的構件模板完成入庫之后，就可以通過構件庫在骨架模型上進行實例化操作，即各專業(yè)模型搭建。實例化操作以主縱梁為例進行簡要說明，一次模板實例化可以對應生成一個構件。為了實現(xiàn)批量實例化提高生成模型的效率，在實例化之前需要準備輸入條件的幾何元素、輸入條件表格和設計參數(shù)表格，最后再運行編寫的調用程序即可以實現(xiàn)。

輸入條件的幾何元素就是道路中心線，輸入條件表格中一行即代表一次實例化所需要輸入條件的名稱和類型，設計參數(shù)表格中一行即代表一次實例化對應的設計參數(shù)值，如圖16 所示。

圖16 輸入條件表和設計參數(shù)表圖示

完成兩個表格和輸入條件的準備工作后，就可以調用程序讀取表格進行實例化工作，主縱梁實例化結果如圖17 所示。基于同樣的方式，其它構件的批量實例化不一一贅述，在完成所有構件的實例化之后可以得到全橋模型如圖18 所示。

圖17 主縱梁批量實例化圖示

圖18 全橋模型

2.4 編碼與信息

模型編碼是識別模型的有效手段，對于模型的統(tǒng)一管理起到至關重要的作用。模型編碼為了方便識別，應遵循一定的規(guī)則，該項目采用比較符合工程習慣的專業(yè)分部分項等專業(yè)術語進行編碼規(guī)則制定，如圖19 所示，以主縱梁模型構件的編碼為例，如圖20 所示。

圖19 模型編碼說明圖示

圖20 模型編碼示例圖

在統(tǒng)一編碼基礎上，通過程序批量提取各類模型構件所包含的設計信息形成模型構件的設計屬性信息標表，不僅可以滿足該項目數(shù)字化交付的要求，同時也為下個階段更加廣泛和深入的應用提供了良好的基礎條件。模型設計屬性信息提取結果見圖21所示。

圖21 模型設計屬性信息示例圖

3 設計模型應用

3.1 模型校核

模型校核就是通過設計模型的建立發(fā)現(xiàn)設計圖紙中存在的問題，并通過模型對設計構造或參數(shù)進行優(yōu)化或調整，從而達到校核并深化設計的目的。

在該項目拱梁結合段構件模板建立過程中，發(fā)現(xiàn)在給定設計原始參數(shù)下拱梁結合段細節(jié)構造中拱肋的頂?shù)装迮c主梁內橫隔板的位置沒有對齊，產生將近24 cm 的間隔距離，這對于主拱受荷載后向主梁傳遞非常不利，如圖22 所示。

圖22 拱肋頂板與主梁內對應橫隔板距離偏差圖示

經同設計人員反復討論，利用構件自身關聯(lián)性特性，發(fā)現(xiàn)是總體布置圖紙中拱腳交點的豎向定位尺寸表達有誤。經過調整拱腳定位點的參數(shù)之后，偏差縮小到5 cm 左右，再次由模型驗證如圖23 所示。

圖23 調整后拱肋頂板與主梁內對應橫隔板距離偏差之圖示

同樣，在主拱拱肋中也發(fā)現(xiàn)吊桿錨固區(qū)域斜橫隔板與拱肋頂板豎向加勁肋局部存在結構設計沖突碰撞問題，如圖24 所示。

圖24 結構細節(jié)沖突碰撞之圖示

3.2 BIM+GIS 數(shù)字沙盤

利用BIM 工具，將現(xiàn)狀環(huán)境、規(guī)劃成果、設計方案進行三維建模，形成數(shù)字沙盤（PC 端、網頁/ 手機端）如圖25 所示。對方案重難點、合理性、比選方案進行三維表達。價值：輔助方案優(yōu)化、降低方案溝通門檻、提高溝通效率、加速決策過程。

圖25 BIM+GIS 數(shù)字沙盤

3.3 BIM 輔助結構分析

BIM 輔助結構分析的總體技術路線見圖26 所示。在BIM 模型建立完成之后，可以將模型特性的輸出見圖27 所示。通過程序編寫Midas 軟件可以讀取的文件格式如圖28 所示；直接導入Midas 中生成結構分析模型如圖29 所示。

圖26 BIM 與Mida s 交互基本路線圖

圖27 模型中截面信息的編程獲取之圖示

圖28 截面信息轉化mct 文件之圖示

圖29 Mida s 中結構分析模型

3.4 數(shù)字化交付

該項目通過BIM 協(xié)同設計，最終形成數(shù)字化交付成果，包括：信息模型、設計圖紙、應用成果等。該項目在施工階段將建立基于BIM 的建設管理平臺，除了交付常規(guī)的設計藍圖以外，經驗收通過的數(shù)字化成果也將傳遞至BIM 平臺，用于輔助施工管理，如：進度、質量、計量、安全等管理條線，交付成果見表1 所列。

表1 數(shù)字化交付清單表

4 結 語

本文在達索3DE 平臺（2015X）上采用骨架驅動+模板方法建立鋼組合梁拱橋模型。模板的建立過程與設計思路一脈相承，形成了一系列鋼組合梁拱橋的構件模板，豐富了專業(yè)構件庫內容，并通過構件庫的標準化模板調用流程完成了全橋模型的搭建。

在模板建立過程中，通過模型校核發(fā)現(xiàn)了拱梁結合段結構之間存在較大偏差、主拱板件之間的碰撞沖突。由此，找到設計圖紙上表達有誤的地方，及時發(fā)現(xiàn)了設計隱患，最終通過設計調整，由模型驗證確認。最后，還對模型進行統(tǒng)一的構件編碼，基于編碼提取了模型構件的設計屬性信息形成一系列的構件設計屬性信息表，為模型的深度應用創(chuàng)造了便利條件。

通過BIM 技術將復雜橋梁結構進行構件拆解，將難以理解的二維圖紙轉換為更為直觀和真實的三維模型展示，提前做到施工放樣深度，為更全面更深入輔助優(yōu)化設計提供有效的手段。