基于達(dá)索3DE 平臺(tái)的組合梁拱橋BIM 設(shè)計(jì)應(yīng)用

熊淑華

（廣東深汕投資控股集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518260）

0 引 言

目前工程設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)維管理等過(guò)程還主要依賴(lài)于傳統(tǒng)的二維圖紙，尤其是在特大型復(fù)雜橋梁的設(shè)計(jì)中[1]。工程設(shè)計(jì)過(guò)程繁瑣、優(yōu)化過(guò)程復(fù)雜，施工過(guò)程困難多，構(gòu)造物的修建難度大。BIM 技術(shù)以三維模型為核心，具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性、可預(yù)測(cè)性和可控制性等優(yōu)點(diǎn)[2]，在工程的深化設(shè)計(jì)中，體現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

橋梁設(shè)計(jì)目前除了在計(jì)算方面采用三維模型進(jìn)行分析，在整體和構(gòu)件設(shè)計(jì)方面仍然主要采用二維的設(shè)計(jì)方式。由于在某些項(xiàng)目上，遇到傳統(tǒng)繪圖工具無(wú)法解決掉的問(wèn)題，例如：大型項(xiàng)目的協(xié)同設(shè)計(jì)，異型復(fù)雜形體的建筑，綠色建筑分析應(yīng)用需求等，需要尋求BIM 技術(shù)來(lái)更好地解決[3]。對(duì)于拱橋設(shè)計(jì)中細(xì)節(jié)構(gòu)造的校核，常規(guī)依靠二維圖紙方式需要耗費(fèi)大量精力也很難發(fā)現(xiàn)其中設(shè)計(jì)問(wèn)題，采用BIM 技術(shù)不僅直觀表達(dá)設(shè)計(jì)對(duì)象，而且保證不同構(gòu)件獨(dú)立完成，最終按照空間位置關(guān)系進(jìn)行拼裝，為精準(zhǔn)設(shè)計(jì)校核提供可靠依據(jù)。

達(dá)索V6 軟件2015X 平臺(tái)上為橋梁專(zhuān)業(yè)量身定制一套專(zhuān)用模塊，此模塊中引入橋梁專(zhuān)業(yè)，設(shè)立了一系列含有獨(dú)特屬性的橋梁結(jié)構(gòu)類(lèi)型構(gòu)件。

現(xiàn)以深汕大橋?yàn)榘咐谶_(dá)索3DE 平臺(tái)（2015X）上以依據(jù)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)要求按照橋梁構(gòu)件類(lèi)型分別建立構(gòu)件模板，利用程序自動(dòng)調(diào)用構(gòu)件模板進(jìn)行拼裝形成完整的模型。在模型拼接過(guò)程中發(fā)現(xiàn)拱橋結(jié)合段板件之間存在對(duì)接不一致，進(jìn)行模型參數(shù)調(diào)整后優(yōu)化了設(shè)計(jì)結(jié)果；同時(shí)，對(duì)模型構(gòu)件按照一定的規(guī)則進(jìn)行編碼，提取了構(gòu)件的設(shè)計(jì)信息，為模型向下階段傳遞提供了有利條件。

1 工程簡(jiǎn)介

該拱橋的跨徑為230 m 一跨過(guò)河，主橋上部采用網(wǎng)狀吊桿鋼混組合梁拱橋結(jié)構(gòu)，整幅設(shè)計(jì)，橋?qū)?6 m，主拱拱肋中間設(shè)置，兩側(cè)設(shè)置車(chē)行道，車(chē)行道外側(cè)設(shè)置人行道，拱肋之間設(shè)置慢行系統(tǒng)。下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土實(shí)心墩和重力式橋臺(tái)，樁基采用鉆孔灌注樁，其橫斷面布置和立面圖分別見(jiàn)圖1、圖2 所示。

圖1 橫斷面布置圖

圖2 主橋立面圖

該項(xiàng)目由于拱橋造型復(fù)雜，單單用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段難以在要求時(shí)間內(nèi)完成，必須引入BIM 技術(shù)協(xié)同參與設(shè)計(jì)。利用BIM 技術(shù)的可視化、優(yōu)化性、協(xié)調(diào)性等優(yōu)點(diǎn)，在不同階段充分發(fā)揮其價(jià)值，提高設(shè)計(jì)成果質(zhì)量，壓縮設(shè)計(jì)周期。

2 BIM 設(shè)計(jì)模型

BIM 設(shè)計(jì)模型主要采用“骨架驅(qū)動(dòng)+ 模板”的方法實(shí)現(xiàn)。骨架本質(zhì)上是一個(gè)比較廣泛的概念，可以理解為先決要素或者驅(qū)動(dòng)要素。如何建立，以及具體的內(nèi)容實(shí)際上與模板或者模型的建立是前后呼應(yīng)的關(guān)

系[4]。

骨架關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行充分認(rèn)識(shí)分解后，結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程，運(yùn)用控制元素對(duì)整個(gè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的總體控制，形成類(lèi)似樹(shù)干狀的產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，并建立有效的參數(shù)信息傳遞線(xiàn)框及流程的自下而上的協(xié)同設(shè)計(jì)方法[5]。

2.1 骨架模型

骨架是模型建立的基礎(chǔ)條件，決定了模型之間的相互空間關(guān)系。該項(xiàng)目如何高效準(zhǔn)確地定位網(wǎng)狀吊桿中心線(xiàn)是骨架模型中一個(gè)關(guān)鍵重難點(diǎn)，進(jìn)一步分析就是如何定位網(wǎng)狀吊桿分別在拱上和梁上的吊點(diǎn)位置。首先，建立拱軸線(xiàn)，在3DE 平臺(tái)（2015X）上用法則曲線(xiàn)定義二次拋物線(xiàn)的方程如圖3 所示，由此生成豎直平面的拱軸線(xiàn)再投影到左右兩側(cè)內(nèi)傾平面得到實(shí)際的拱軸線(xiàn)，如圖4 所示。

圖3 二次拋物線(xiàn)法則定義圖示

圖4 中心拱軸線(xiàn)示意圖

網(wǎng)狀吊桿的拱上吊點(diǎn)并不在中心拱軸線(xiàn)上，而是在由拱軸線(xiàn)左右偏移210 mm 分別得到內(nèi)外側(cè)吊桿拱上吊點(diǎn)所在的軸線(xiàn)上，如圖5 所示。類(lèi)似方式可以得到內(nèi)外吊桿分別在主梁上吊點(diǎn)所在軸線(xiàn)，由吊點(diǎn)分別在拱上和梁上的水平距離即可以確定吊點(diǎn)位置。

圖5 拱軸線(xiàn)偏移圖示

在完成第一根吊桿中心線(xiàn)建立之后，可以將整個(gè)建立過(guò)程定義為一個(gè)附帶位置參數(shù)的模板，如圖6所示。最后通過(guò)程序調(diào)用模板賦予不同參數(shù)生成所有的吊桿中心線(xiàn)，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(xiàn)模板圖示

圖7 程序調(diào)用吊桿中心線(xiàn)模板圖示（單位：mm）

圖8 全橋骨架模型

2.2 構(gòu)件模板

模板即對(duì)于一類(lèi)有類(lèi)似性的構(gòu)件或特征結(jié)合參數(shù)進(jìn)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(guò)程為模板的實(shí)例化），故稱(chēng)為智能模板[6]。

進(jìn)行構(gòu)件模板建立之前，需要從設(shè)計(jì)角度對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分，以便確定構(gòu)件模板的種類(lèi)。該項(xiàng)目橋梁模型可以按照上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)三大類(lèi)劃分，再由三大類(lèi)細(xì)化到各構(gòu)件層級(jí)，共計(jì)20 種構(gòu)件模板，如圖9 所示。

圖9 構(gòu)件拆分圖示

構(gòu)件模板的建立需要給定輸入條件和構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)，構(gòu)件模板必須保證能隨輸入條件和設(shè)計(jì)參數(shù)的改變而作適應(yīng)性變化。以模板中比較有代表的主縱梁為例簡(jiǎn)要說(shuō)明一下構(gòu)件模板的建立過(guò)程。

輸入條件是生成構(gòu)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(duì)于主縱梁，它的輸入條件就是道路中心線(xiàn)，即由道路中心線(xiàn)起步，可以逐步建立主縱梁模板。建立的過(guò)程完全按照設(shè)計(jì)思路進(jìn)行，核心技術(shù)路線(xiàn)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(xiàn)進(jìn)行拉伸生成三維模型，如圖10 所示。

圖10 主縱梁設(shè)計(jì)斷面及參數(shù)圖示

主縱梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，除了加勁肋和橫隔板，還要考慮吊桿錨固構(gòu)造，需要多角度定位幾何元素的位置，同時(shí)也是對(duì)二維平面表達(dá)的一種驗(yàn)證，逐步依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙完成了一個(gè)節(jié)段主縱梁模板，如圖11 所示。

圖11 主縱梁內(nèi)部構(gòu)造及成品模板圖示

相對(duì)常規(guī)二維設(shè)計(jì)，BIM 模型表達(dá)優(yōu)勢(shì)在于更加直觀，并且可以由參數(shù)控制所有的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)變更，建模過(guò)程也完全符合設(shè)計(jì)核心思路。其它種類(lèi)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(jié)構(gòu)模板示例圖

圖13 下部結(jié)構(gòu)模板示例圖

圖14 附屬結(jié)構(gòu)模板示例圖

構(gòu)件模板全部建立完成之后，經(jīng)過(guò)模板內(nèi)部測(cè)試，滿(mǎn)足模板標(biāo)準(zhǔn)要求之后，需要添加構(gòu)件庫(kù)中對(duì)應(yīng)的專(zhuān)項(xiàng)分類(lèi)，以方便統(tǒng)一管理和調(diào)用，構(gòu)件庫(kù)如圖15所示。

圖15 構(gòu)件庫(kù)示例圖

2.3 模型搭建

在所有需要的構(gòu)件模板完成入庫(kù)之后，就可以通過(guò)構(gòu)件庫(kù)在骨架模型上進(jìn)行實(shí)例化操作，即各專(zhuān)業(yè)模型搭建。實(shí)例化操作以主縱梁為例進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明，一次模板實(shí)例化可以對(duì)應(yīng)生成一個(gè)構(gòu)件。為了實(shí)現(xiàn)批量實(shí)例化提高生成模型的效率，在實(shí)例化之前需要準(zhǔn)備輸入條件的幾何元素、輸入條件表格和設(shè)計(jì)參數(shù)表格，最后再運(yùn)行編寫(xiě)的調(diào)用程序即可以實(shí)現(xiàn)。

輸入條件的幾何元素就是道路中心線(xiàn)，輸入條件表格中一行即代表一次實(shí)例化所需要輸入條件的名稱(chēng)和類(lèi)型，設(shè)計(jì)參數(shù)表格中一行即代表一次實(shí)例化對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)值，如圖16 所示。

圖16 輸入條件表和設(shè)計(jì)參數(shù)表圖示

完成兩個(gè)表格和輸入條件的準(zhǔn)備工作后，就可以調(diào)用程序讀取表格進(jìn)行實(shí)例化工作，主縱梁實(shí)例化結(jié)果如圖17 所示。基于同樣的方式，其它構(gòu)件的批量實(shí)例化不一一贅述，在完成所有構(gòu)件的實(shí)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(shí)例化圖示

圖18 全橋模型

2.4 編碼與信息

模型編碼是識(shí)別模型的有效手段，對(duì)于模型的統(tǒng)一管理起到至關(guān)重要的作用。模型編碼為了方便識(shí)別，應(yīng)遵循一定的規(guī)則，該項(xiàng)目采用比較符合工程習(xí)慣的專(zhuān)業(yè)分部分項(xiàng)等專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)進(jìn)行編碼規(guī)則制定，如圖19 所示，以主縱梁模型構(gòu)件的編碼為例，如圖20 所示。

圖19 模型編碼說(shuō)明圖示

圖20 模型編碼示例圖

在統(tǒng)一編碼基礎(chǔ)上，通過(guò)程序批量提取各類(lèi)模型構(gòu)件所包含的設(shè)計(jì)信息形成模型構(gòu)件的設(shè)計(jì)屬性信息標(biāo)表，不僅可以滿(mǎn)足該項(xiàng)目數(shù)字化交付的要求，同時(shí)也為下個(gè)階段更加廣泛和深入的應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)條件。模型設(shè)計(jì)屬性信息提取結(jié)果見(jiàn)圖21所示。

圖21 模型設(shè)計(jì)屬性信息示例圖

3 設(shè)計(jì)模型應(yīng)用

3.1 模型校核

模型校核就是通過(guò)設(shè)計(jì)模型的建立發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖紙中存在的問(wèn)題，并通過(guò)模型對(duì)設(shè)計(jì)構(gòu)造或參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化或調(diào)整，從而達(dá)到校核并深化設(shè)計(jì)的目的。

在該項(xiàng)目拱梁結(jié)合段構(gòu)件模板建立過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在給定設(shè)計(jì)原始參數(shù)下拱梁結(jié)合段細(xì)節(jié)構(gòu)造中拱肋的頂?shù)装迮c主梁內(nèi)橫隔板的位置沒(méi)有對(duì)齊，產(chǎn)生將近24 cm 的間隔距離，這對(duì)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(nèi)對(duì)應(yīng)橫隔板距離偏差圖示

經(jīng)同設(shè)計(jì)人員反復(fù)討論，利用構(gòu)件自身關(guān)聯(lián)性特性，發(fā)現(xiàn)是總體布置圖紙中拱腳交點(diǎn)的豎向定位尺寸表達(dá)有誤。經(jīng)過(guò)調(diào)整拱腳定位點(diǎn)的參數(shù)之后，偏差縮小到5 cm 左右，再次由模型驗(yàn)證如圖23 所示。

圖23 調(diào)整后拱肋頂板與主梁內(nèi)對(duì)應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沖突碰撞問(wèn)題，如圖24 所示。

圖24 結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)沖突碰撞之圖示

3.2 BIM+GIS 數(shù)字沙盤(pán)

利用BIM 工具，將現(xiàn)狀環(huán)境、規(guī)劃成果、設(shè)計(jì)方案進(jìn)行三維建模，形成數(shù)字沙盤(pán)（PC 端、網(wǎng)頁(yè)/ 手機(jī)端）如圖25 所示。對(duì)方案重難點(diǎn)、合理性、比選方案進(jìn)行三維表達(dá)。價(jià)值：輔助方案優(yōu)化、降低方案溝通門(mén)檻、提高溝通效率、加速?zèng)Q策過(guò)程。

圖25 BIM+GIS 數(shù)字沙盤(pán)

3.3 BIM 輔助結(jié)構(gòu)分析

BIM 輔助結(jié)構(gòu)分析的總體技術(shù)路線(xiàn)見(jiàn)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(jiàn)圖27 所示。通過(guò)程序編寫(xiě)Midas 軟件可以讀取的文件格式如圖28 所示；直接導(dǎo)入Midas 中生成結(jié)構(gòu)分析模型如圖29 所示。

圖26 BIM 與Mida s 交互基本路線(xiàn)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(zhuǎn)化mct 文件之圖示

圖29 Mida s 中結(jié)構(gòu)分析模型

3.4 數(shù)字化交付

該項(xiàng)目通過(guò)BIM 協(xié)同設(shè)計(jì)，最終形成數(shù)字化交付成果，包括：信息模型、設(shè)計(jì)圖紙、應(yīng)用成果等。該項(xiàng)目在施工階段將建立基于BIM 的建設(shè)管理平臺(tái)，除了交付常規(guī)的設(shè)計(jì)藍(lán)圖以外，經(jīng)驗(yàn)收通過(guò)的數(shù)字化成果也將傳遞至BIM 平臺(tái)，用于輔助施工管理，如：進(jìn)度、質(zhì)量、計(jì)量、安全等管理?xiàng)l線(xiàn)，交付成果見(jiàn)表1 所列。

表1 數(shù)字化交付清單表

4 結(jié) 語(yǔ)

本文在達(dá)索3DE 平臺(tái)（2015X）上采用骨架驅(qū)動(dòng)+模板方法建立鋼組合梁拱橋模型。模板的建立過(guò)程與設(shè)計(jì)思路一脈相承，形成了一系列鋼組合梁拱橋的構(gòu)件模板，豐富了專(zhuān)業(yè)構(gòu)件庫(kù)內(nèi)容，并通過(guò)構(gòu)件庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)化模板調(diào)用流程完成了全橋模型的搭建。

在模板建立過(guò)程中，通過(guò)模型校核發(fā)現(xiàn)了拱梁結(jié)合段結(jié)構(gòu)之間存在較大偏差、主拱板件之間的碰撞沖突。由此，找到設(shè)計(jì)圖紙上表達(dá)有誤的地方，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了設(shè)計(jì)隱患，最終通過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)整，由模型驗(yàn)證確認(rèn)。最后，還對(duì)模型進(jìn)行統(tǒng)一的構(gòu)件編碼，基于編碼提取了模型構(gòu)件的設(shè)計(jì)屬性信息形成一系列的構(gòu)件設(shè)計(jì)屬性信息表，為模型的深度應(yīng)用創(chuàng)造了便利條件。

通過(guò)BIM 技術(shù)將復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)件拆解，將難以理解的二維圖紙轉(zhuǎn)換為更為直觀和真實(shí)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(shè)計(jì)提供有效的手段。