基于BIM的混凝土梁橋數字化設計

胡童云, 張文軒

(中交公路規劃設計院有限公司，北京 100010)

隨著建筑信息化的推進，公路橋梁數字化設計是現今橋梁發展的重要課題。現今橋梁設計普遍使用的是整理修改通用圖集的方式，工程項目通過平面圖紙的形式展現[1]。設計人員通過“反向BIM設計”的模式，通過二維圖紙再建立三維模型，最后根據修改意見對設計方案和模型進行修改，直至設計完成[2]。在該模式中，BIM僅僅是作為確定設計方案的輔助工具。同時，在橋梁結構日益復雜、結構線形變化多樣的今天，普通的二維設計逐漸暴露出它在指導施工方面的不足。根據歐美國家有關調查統計顯示，工程設計人員每天約有35%的工作時間花費在查閱圖紙及相關資料上，這對設計資源浪費嚴重[3]。針對該問題，基于BIM技術的數字化設計給我們提供了解決辦法，通過優化原有建模流程、建模方式，使工程師們能夠更加便捷、高效、精確的完成工作。

1 技術路線及關鍵技術

在建筑結構領域，Revit的軟件研發已經碩果累累，僅國內就有魯班、鴻業、橄欖山等公司開發了針對建筑結構的BIM軟件[4]。與之相比，Revit在橋梁工程領域的研發與應用則十分有限，但許多基于CAD開發的橋梁設計工具，如橋梁通、橋梁設計師等軟件已十分普及。Revit平臺和AutoCAD平臺同樣都擁有開放、通用、穩定的特征，Revit開發與AutoCAD開發是相似的，這就為本軟件的研發提供了基礎[5]。

基于C#語言，通過對Revit進行二次開發，建立的中小跨徑混凝土梁橋BIM參數化建模軟件OSIS-BIM，為混凝土梁橋的BIM設計提供一個簡單、有效、快速的途徑。該軟件以數據為核心，采用面向模型對象的設計思想，各橋梁構件間通過數據建立動態關系，實現模型的三維表達。

1.1 技術路線

對于中小跨徑橋梁工程，其設計目標往往有很大的相似性，如跨徑為30m與跨徑為35m的小箱梁橋設計，工程師通常都會先對以往圖紙進行查找，在已有類似圖紙的基礎上進行設計，這意味著太多數設計過程是基于以前設計資源的重用。橋梁通用圖中除了自身的幾何信息之外，還包含了許多額外信息，如橋梁的結構造型、使用材料、工程概況等。對現有圖紙進行積累分析，提取有效描述信息，構造企業通用圖數據庫，能夠在設計過程中幫助橋梁工程師快速匹配所需橋梁參數信息，通過對圖紙內容的參考或修改完成設計以實現圖紙的重用[6]。

針對大量混凝土梁橋(包括混凝土箱梁、T梁、小箱梁)構造及圖紙分類研究，參照交通部通用圖已有的混凝土梁橋設計，對其根據截面形式、跨徑等參數信息進行分類，形成一套參數化構件建模分類體系，并通過對BIM軟件的二次開發，實現混凝土梁橋BIM數字化設計(圖1)。

圖1 技術路線

1.2 軟件關鍵技術

1.2.1 通用圖知識庫數字化管理

通用圖知識庫將橋梁設計人員的設計經驗與前期成熟的設計成果歸納存儲，以備再次設計橋梁時能夠重用。在知識庫的創建過程中，需要將標準化的設計通用圖紙進行參數化處理，抽取出共性信息，包含幾何模型、計算模型與鋼筋模型等固化到數據庫中。通過完整的參數描述通用圖中所表達的有用信息，是進行智能化設計的前提條件，這些設計參數將成為整個智能設計系統處理的對象[7-8]。

同時，通用圖知識庫的建立和維護需要較好的技術組織和設計，這包括知識的組織管理、知識庫的結構設計、知識的檢索機制、訪問機制以及修改維護機制等。通過建立智能決策機制使通用圖知識庫成為橋梁設計人員的助手，為設計師提供一套完整的橋梁設計解決方案。設計師可以用通用圖知識庫中快速獲取需要的設計信息。同時每個設計師又是知識庫的數據源，通過后臺審核機制逐漸擴充通用圖知識庫的種類與大小。通過以上內容形成通用圖數據的檢索、使用、校驗、入庫的解決方案，以組織高價值資源支撐設計生產。

1.2.2IFC信息擴展

IFC標準是一種公開的，支持建筑數據在各個應用系統之間進行數據交換和管理的國際標準，不同BIM軟件可以基于IFC數據源交換和共享。Revit軟件的信息表達同樣基于IFC數據標準，通過對IFC數據標準的拓展可實現標準化模板的信息表達和信息共享。IFC的框架為模塊化設計，包括4個功能層次：資源層、核心層、交互層和領域層，其主要功能如表1所示[9]。

表1 IFC功能層次及其作用

由于建筑信息量的巨大，面對復雜工程實際情況，IFC作為公開的系標準提供了3種擴展機制滿足工程需求：基于IfcProxy實體的擴展機制，通過增加實體定義的擴展機制和屬性集擴展機制[10]。本文通過增加實體的方式構建混凝土梁橋體系(圖2)。

圖2 通過數據構件混凝土梁橋實體模型

2 軟件功能

OSIS-BIM軟件實現從道路路線、橋跨布置到每一聯橋的上部結構、下部結構和部分附屬結構等BIM模型的參數化、快速化、智能化建立(圖3)。

圖3 軟件總體框架

2.1 路線與橋跨布置模塊

設計線模型是整個項目模型的基礎，Revit軟件中沒有線路設計模塊，以往的建模方式是從圖紙中提取樁基坐標，依據下部計算結果從下向上進行模型的搭建，數據統計工作量大，且不符合橋梁設計的原則[11]。OSIS-BIM軟件可根據路線數據、跨徑布置數據實現在Revit軟件中的跨徑布置，并且可以將該模塊中的總體數據傳遞至后續的上部結構和下部結構模塊中，實現數據從整體到局部的連通與流動。OSIS-BIM軟件支持主流道路設計軟件EICAD等平曲線、縱曲線、地面線和超高數據文件的讀取，可在Revit軟件中根據路線數據點創建路線模型(圖4)。

圖4 跨徑布置思路

2.2 上部結構模塊

該模塊主要為橋梁上部結構模型創建，通過跨徑、橋梁類型、斜交角等用戶輸入數據，軟件自動匹配通用圖數據中橋梁的構造信息，包括梁斷面數據、縱向數據、橫梁數據以及梁端伸縮縫構造數據等。Revit中采用(0,0)點作為坐標原點，在實際工程中坐標系數值較大，程序通過設置項目基點的方式，將工程坐標進行統一扣減得到模型坐標。OSIS-BIM通過創建自適應常規模型的方式，從超高數據、斷面數據、縱向數據以及橫梁數據計算出所有關鍵截面處的數據對象，然后將截面對象放置在道路中心線上的空間實際位置，在自適應族中進行融合來生成初步模型，最后再結合梁端伸縮縫的信息，通過剪切連接等布爾運算來生成最終模型(圖5)。

圖5 現澆箱梁BIM模型

這種采用標準截面+縱向變化的輸入方式，對于變梁高、變橋寬、變板厚的梁橋，可省去在CAD中量取關鍵位置截面的梁寬、梁高等大量工作。程序可計算出任意截面的輪廓形狀，實現現澆箱梁、預制箱梁、懸臂現澆梁、預制T梁和預制小箱梁等橋型的生成，并且適用于變高、變寬、變箱室、斜交、超高段和變懸臂等任意組合的異形構件。

2.3 下部結構模塊

該模塊主要包括橋臺、橋墩和承臺基礎族文件的批量調用、實例化放置、參數化修改尺寸，樁長批量計算等功能。OSIS-BIM軟件根據路線數據和橋跨布置信息自動生成橋梁墩臺的列表，程序會自動讀取用戶積累的族文件，根據輸入信息進行墩頂標高等參數的參數計算，并創建相應的墩臺族實例。軟件內置實現了蓋梁柱式墩、獨柱墩、花瓶墩、樁柱式橋臺等結構形式。同時支持用戶自定義族文件的添加，具有高擴展性(圖6)。

圖6 橋墩尺寸參數輸入界面

下部結構的墩頂標高和承臺標高均可根據梁寬、梁高、橫坡以及基礎埋深等參數自動計算，并且這些參數均由橋跨布置數據和上部結構數據傳遞得到，可有效減少在CAD中量取參數的工作以及在Excel表格中計算標高等工作(圖7)。

圖7 樁長批量計算界面

針對傳統樁長設計根據地質勘探報告數據分析計算，計算工作大量且繁瑣，面對地質勘探報告數據的二次增加，設計人員需重新進行樁長計算或復核工作的問題[12]。下部計算模塊結合橋跨布置信息與下部結構參數，提供單樁承載力檢算批量計算功能，用戶可建立項目地質數據庫，輸入樁基總體信息、土層分布指標、巖層分布指標、鉆孔信息等內容，程序對每個樁基自動匹配最近的鉆孔地質信息進行創建承載力檢算，并輸出樁長計算信息。

2.4 通用功能模塊

該模塊可通過導入用戶自定義的參數化族截面和路線數據來生成粗略模型，可用于箱梁、涵洞等結構的BIM模型創建。也支持通過導入用戶自定義的參數化族截面和用戶選擇結構邊線或模型線等來生成粗略模型，可用于橋梁護欄等結構的BIM模型創建。

2.5 族庫管理模塊

族庫管理系統作為收集、處理、分享、再利用一個組織的全部知識的信息系統，對組織中大量的有價值成果、經驗等知識進行分類存儲和管理，積累知識資產，促進知識的學習、共享、培訓、再利用和創新，有效降低組織運營成本，強化其核心競爭力的管理方法[13](圖8)。

圖8 族庫管理界面

OSIS-BIM軟件族庫管理平臺對接企業族庫管理云平臺，可實現企業對族文件的集中存儲、共享與調用，實現企業對族庫文件的規范化管理。設計人員可以按照不同權限使用企業已有族文件，進而提高設計效率、保障交付成果的規范性與完整性。該模塊支持按目錄查詢、單文件導入及目錄批量導入，可直接在Revit環境中插入族實例，并且擁有完善的人員管理體系，對族文件的使用采用角色授權方式，確保企業模型構件的統一規范管理。除此之外，用戶可將族庫管理里中的族文件擴充至該軟件下部結構模塊中來實現橋墩、橋臺以及基礎類型的擴展。

3 應用效果

在實體工程項目，針對其引橋和互通區的箱梁橋中應用OSIS-BIM建模軟件，通過參數化輸入結構數據，實現該項目中梁橋BIM模型的快速化建立。使建立一座箱橋梁的精細化模型用時從7h銳減至7min，效率極大提高。同時通過該參數化軟件可積累結構化、標準化數據，構建橋梁設計的通用圖知識庫，為實現橋梁的智能設計提供數據支撐(圖9)。

圖9 混凝土箱梁BIM模型

4 結束語

本文以混凝土梁橋為例，探索了一套適用于混凝土梁橋的設計方法，實現從道路路線、橋跨布置到每一聯橋的上部結構、下部結構和部分附屬結構等BIM模型的參數化、數字化、智能化建立。主要創新點包含：

(1)改變了現階段BIM設計生產方式，所有的輸入參數均為設計參數，對于實現復雜的變寬超高箱梁橋，參數輸入量少，模型生成速度快，減少時間成本。

(2)設計數據從整體到細節傳遞，打破設計、BIM與數據的隔閡。參數數據可由總體的橋跨布置傳遞至上部結構，再傳遞至下部結構，實現數據的流動，無需重復輸入。

(3)具有高擴展性，支持用戶自定義族文件的添加來不斷豐富軟件中橋梁墩臺和基礎的結構類型。

(4)該軟件將橋梁數據結構化，將會積累大量橋梁專業的信息數據，扮演著數據采集者的角色。積累的結構化數據可為基礎設施行業與大數據的鏈接及相互作用做前期準備工作，為基礎設施建設受益于大數據庫奠定了基礎，對提高我國橋梁設計數字化和智能化水平具有重要意義。