基于3DEXPERIENCE平臺(tái)的鋼橋主梁的BIM快速建模方法應(yīng)用實(shí)踐

王寧

（北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京市 100082）

0 引 言

隨著三維技術(shù)的快速地發(fā)展以及應(yīng)用需求的不斷提高，建筑信息模型（BIM）技術(shù)近些年開始廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域之中。BIM（Building Information Modeling）是一種應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)建造管理的數(shù)據(jù)化手段，通過建立可視化的三維模型，整合工程項(xiàng)目相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)信息在項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維的全生命周期過程中的共享、傳遞和應(yīng)用，提高工程項(xiàng)目的管理水平。尤其對于大型復(fù)雜的工程項(xiàng)目，僅僅憑借二維形式的設(shè)計(jì)很難描述復(fù)雜構(gòu)件的形狀以及各個(gè)構(gòu)件之間的相對關(guān)系，需要通過BIM技術(shù)建立三維數(shù)據(jù)模型完成相應(yīng)的設(shè)計(jì)表達(dá)。BIM技術(shù)在實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)、三維建模、仿真模擬等方面具有不可替代的優(yōu)勢[1-3]。

3DEXPERIENCE平臺(tái)是達(dá)索公司在以往產(chǎn)品基礎(chǔ)上推出的一款包含了設(shè)計(jì)、仿真、管理等一系列軟件協(xié)同環(huán)境，其核心技術(shù)特點(diǎn)就是平臺(tái)內(nèi)軟件與軟件之間的信息交互流動(dòng)無縫銜接。其中的基礎(chǔ)建模模塊能夠?qū)崿F(xiàn)空間線形復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建模，相比其他的BIM軟件，可較好解決大型復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)劃分、構(gòu)件參數(shù)化建模、模型組裝等問題[4]。配合平臺(tái)中的其他功能模塊，可以對橋梁模型進(jìn)行的仿真模擬與運(yùn)維管理[5]。

1 工程概況

京雄高速跨永定河大橋由主橋、東引橋、西引橋組成，橋梁全長1 620 m。主橋?yàn)轱w燕式中承系桿拱橋，與永定河河道中線斜交角90°，主跨300 m，兩側(cè)邊拱跨徑50 m，輔助孔跨徑60 m，主橋全長520 m。京雄高速上跨永定河特大橋作為京雄高速控制性的節(jié)點(diǎn)工程。其方案目前采用主跨300 m的中承式系桿拱橋，由于景觀的需求使其拱肋變截面扭曲，加大了設(shè)計(jì)、加工制造和施工建造的難度。同時(shí)大橋項(xiàng)目構(gòu)件節(jié)點(diǎn)連接數(shù)量多且構(gòu)造復(fù)雜，BIM設(shè)計(jì)工作量大。

2 大橋鋼主梁建模方法

大橋鋼主梁鋼構(gòu)件組成，涉及到的鋼構(gòu)件種類多，數(shù)量大。同時(shí)，大橋鋼主梁的結(jié)構(gòu)具有重復(fù)性，如隔板橫梁等結(jié)構(gòu)在鋼主梁中是交替重復(fù)出現(xiàn)的。根據(jù)以上提到的特點(diǎn)，本文采用“骨架+模板”建模方法，通過骨架條件的定位，利用模板可重復(fù)生成模型的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)鋼主梁模型的快速創(chuàng)建，該方法已經(jīng)在多個(gè)文章中提出并使用[6-7]。

骨架的作用是通過點(diǎn)、線、面、軸系等空間幾何元素對模型構(gòu)件進(jìn)行定位，確保構(gòu)件之間位置關(guān)系的正確。模板作用是以骨架提供的定位要素作為輸入條件，在模型空間中快速生成對應(yīng)結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型。該方法的難點(diǎn)在于根據(jù)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定模板的制作邏輯。因?yàn)椴煌慕Ｋ悸?，?huì)對模板的輸入條件造成影響，從而導(dǎo)致骨架形式的千差萬別。圖1為鋼主梁使用“骨架+模板”建模方法建立大橋鋼主梁模型的總體技術(shù)路線圖。

圖1 鋼主梁建模技術(shù)路線圖

3 鋼主梁構(gòu)件的組織與分類

3DExpierence平臺(tái)中目前主流的結(jié)構(gòu)組織形式是零件到產(chǎn)品，通過對最終產(chǎn)品逐層的劃分，在不同的級(jí)別建立對應(yīng)的產(chǎn)品或零件，從最底層的零件向上聚合為產(chǎn)品，再由同級(jí)別的產(chǎn)品聚合成上一級(jí)別的產(chǎn)品，最后聚合形成最終的產(chǎn)品。這種方式建立了構(gòu)件的層次概念，明確了構(gòu)件之間的邏輯關(guān)系，使得模型在后期的使用過程更為便捷。因此，在建模之前如何對鋼梁中的各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行組織十分重要。

本文沒有按照施工中對鋼主梁的分段方式直接對結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，而是在施工分段的基礎(chǔ)上，根據(jù)鋼梁的結(jié)構(gòu)所具的特點(diǎn)，向下一級(jí)進(jìn)行了劃分。這里將鋼主梁劃分成縱向構(gòu)件、橫向構(gòu)件、風(fēng)嘴內(nèi)部構(gòu)件和其他構(gòu)件四大類。縱向構(gòu)件主要為順橋向結(jié)構(gòu)尺寸跟隨路線變化的構(gòu)件，如鋼梁的頂板、壁板、縱向加勁肋，橫向構(gòu)件則為與路線方向正交的相關(guān)構(gòu)件，主要為橫隔板及橫隔板上的構(gòu)件。風(fēng)嘴內(nèi)部構(gòu)件由于包含錨箱使得與鋼梁橫向構(gòu)件的變化不統(tǒng)一所以單獨(dú)列出，其他構(gòu)件則由各種附屬的構(gòu)件組成。對鋼主梁劃分后所得到的結(jié)構(gòu)樹如圖2所示。

圖2 鋼主梁產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹

這樣對結(jié)構(gòu)劃分在保證施工分段的前提下，將沿線路變化不一致的縱向結(jié)構(gòu)與橫向結(jié)構(gòu)進(jìn)行了區(qū)分，使得在設(shè)計(jì)發(fā)生調(diào)整時(shí)，模型修改更為簡單便捷，不必牽一發(fā)而動(dòng)全身。

4 鋼主梁構(gòu)件模板的創(chuàng)建

3DEXPERIENCE平臺(tái)根據(jù)模板實(shí)例化的位置，可將模板分為兩類：特征模板和工程模板。特征模板是對于零件內(nèi)部各種要素進(jìn)行實(shí)例化的模板，分為超級(jí)副本和用戶特征。用戶特征模板可以將建模過程封裝起來，只提供了可調(diào)控的參數(shù)內(nèi)容，在簡化了模板內(nèi)容顯示的同時(shí)，也避免了其他使用者對模板的無意修改，保證了模板的穩(wěn)定性。超級(jí)副本則完整地保留了模板中的所有內(nèi)容，便于使用者查看其中的邏輯。工程模板則是用于零件和物理產(chǎn)品實(shí)例化的模板。

因此，將模板分為上下兩個(gè)層次，基本的形狀通過用戶特征模板創(chuàng)建，然后零件中實(shí)例化用戶特征模板創(chuàng)建具體的工程模板，最后再通過工程模板實(shí)例化創(chuàng)建主梁模型。鋼主梁中雖然有各種不同的鋼構(gòu)件，但在建模時(shí)可以根據(jù)各構(gòu)件的形狀特征分類為幾種形狀，如與路線相關(guān)的縱向構(gòu)件，只需建立一種用戶特征模板即可，在創(chuàng)建具體的構(gòu)件時(shí)，只需調(diào)整輸入條件即可。相對于直接創(chuàng)建工程模板而言，雖然在過程中多了一個(gè)層次，但也省去了在創(chuàng)建多個(gè)類似構(gòu)件時(shí)重復(fù)的操作，從而實(shí)現(xiàn)了建模效率的提升。具體過程如圖3所示。

圖3 用戶特征模板到工程模板流程圖

此外，在創(chuàng)建模板時(shí)需要采用參數(shù)化設(shè)計(jì)的方式，通過為模型構(gòu)件添加可調(diào)的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化目的。當(dāng)模型的特征造型使用參數(shù)化時(shí)，它不僅可以隨時(shí)調(diào)整產(chǎn)品形狀和尺寸，而且可以隨時(shí)調(diào)整產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和特征，同時(shí)實(shí)現(xiàn)尺寸驅(qū)動(dòng)和特征驅(qū)動(dòng)[8]。圖4展示了參數(shù)化模板的制作流程。

圖4 參數(shù)化模板制作流程圖

可添加的參數(shù)有多種類型，如尺寸、字符串、布爾類型等，還可創(chuàng)建公式，增加各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)，可以通過知識(shí)工程模塊中的規(guī)則檢查等命令，創(chuàng)建邏輯判斷等更為復(fù)雜的邏輯關(guān)系。這樣通過模板生成的構(gòu)件將會(huì)帶有控制參數(shù)，在設(shè)計(jì)發(fā)生大小尺寸等方面的發(fā)生改動(dòng)時(shí)，模型能夠快速的通過參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。圖5中的右側(cè)結(jié)構(gòu)樹的參數(shù)集節(jié)點(diǎn)展示了頂板U肋構(gòu)件中的控制參數(shù)。

圖5 創(chuàng)建完成的頂板U肋模板

5 建立模板庫

由于鋼主梁涉及的構(gòu)件類型眾多，而且需要根據(jù)模型的分類與組織創(chuàng)建特征模板和工程模板，導(dǎo)致需要建立的模板數(shù)量龐大。而且3DEXPERIENCE平臺(tái)是基于服務(wù)器的，所有創(chuàng)建的文件都位于數(shù)據(jù)庫中，查找文件時(shí)需要手動(dòng)進(jìn)行搜索，給使用與修改模板造成了極大的不便。因此需要建立模板的庫文件，以方便各類模板的使用和管理。

3DEXPERIENCE平臺(tái)中所提供了的目錄應(yīng)用程序來對模型和模板進(jìn)行歸類與管理。圖6展示了目錄文件對模板文件的管理形式。

圖6 目錄應(yīng)用程序?qū)δ０逦募墓芾?/p>

通過目錄應(yīng)用程序中左側(cè)的結(jié)構(gòu)樹，可在目錄根節(jié)點(diǎn)下插入新的章節(jié)，還可在已有的章節(jié)中創(chuàng)建新的章節(jié)，而在右側(cè)展示窗口中會(huì)以文件夾的形式進(jìn)行顯示。可以根據(jù)需求創(chuàng)建不同的章節(jié)目錄，再將創(chuàng)建好的模板按類別添加到對應(yīng)章節(jié)下，在以后使用模板時(shí)，只需打開創(chuàng)建目錄應(yīng)用程序，找到對應(yīng)的模板使用即可。

6 編寫自動(dòng)化腳本

知識(shí)工程語言（EKL），是在知識(shí)工程模塊的核心語言。通過EKL語言，以編寫代碼的方式，可以在3DEXPERIENCE平臺(tái)中，自動(dòng)化地實(shí)現(xiàn)一些繁雜的操作[9]。對于大橋的鋼主梁，除了兩端的構(gòu)造需要與其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行銜接而較為不同，其余部分都是相同構(gòu)件的重復(fù)，但要逐個(gè)創(chuàng)建生成這些重復(fù)的構(gòu)建，需要大量的精力和時(shí)間。所以這里通過編寫ELK語言腳本的方式，以骨架要素和工程模板為輸入條件，自動(dòng)化的生成鋼橋主梁標(biāo)準(zhǔn)段部分的模型。

知識(shí)工程模塊所包含的“知識(shí)工程陣列”、“操作”等命令都可編寫自動(dòng)化生成腳本，而操作命令提供了人機(jī)交互的功能，在創(chuàng)建模板實(shí)例化時(shí)更為靈活，所以這里選擇“操作”命令，使用EKL語言進(jìn)行自動(dòng)化腳本的編寫。如圖7所示，在隔板節(jié)點(diǎn)下建立了知識(shí)工程規(guī)范檢查，工作指令中為EKL語言編寫的腳本程序，資源表中包含了實(shí)例化過程中要用到各種資源模板。

執(zhí)行工作指令，選擇生成的位置、定位要素和模板資源，即可自動(dòng)的生成構(gòu)件，圖8展示了通過工作指令根據(jù)定位軸系自動(dòng)化所生成的中橫梁隔板A。

圖8 由工作指令在骨架上自動(dòng)化生成的中橫梁隔板A

自動(dòng)化腳本可以提高效率，減輕工作量。隨著模板復(fù)雜度的增加，實(shí)例化的時(shí)間也會(huì)隨之增長，相對于手動(dòng)實(shí)例化，自動(dòng)化腳本將每個(gè)構(gòu)件實(shí)例化所需的時(shí)間聚合在了一起自動(dòng)完成，避免了個(gè)人精力的無效浪費(fèi)。同時(shí)也避免了在每次實(shí)例化模板時(shí)，手動(dòng)選擇模板輸入條件的過程。

將大橋鋼主梁的各個(gè)構(gòu)件模板在骨架上分別進(jìn)行實(shí)例化，再根據(jù)鋼主梁與拱肋的接觸關(guān)系，對模型進(jìn)行切割，形成的最終模型如圖9、圖10所示。

圖9 大橋鋼主梁BIM模型（俯視）

圖10 大橋鋼主梁BIM模型（仰視）

7 結(jié) 語

在永定河大橋項(xiàng)目上運(yùn)用BIM技術(shù)的建模實(shí)踐，驗(yàn)證了“骨架+模板”方法創(chuàng)建橋梁BIM模型的可行性。同時(shí)，進(jìn)一步根據(jù)鋼主梁構(gòu)件的特點(diǎn)，對模型進(jìn)行組織和分類，明確了模板的制作邏輯，降低了各個(gè)構(gòu)件之間的相互影響。通過建立兩個(gè)層次的模板，大大減少了中間建模的重復(fù)步驟。運(yùn)用EKL語言編寫腳本，使大量模板自動(dòng)化生成。以上對于建模時(shí)的處理方法可以應(yīng)用到相似的工程項(xiàng)目中，優(yōu)化建模流程，從而實(shí)現(xiàn)建模效率的提高。此外，對于大量的構(gòu)件模板，建立模板庫文件，將不同類型的模板集中起來進(jìn)行分類與管理，有效避免了在數(shù)據(jù)庫中搜索模板的時(shí)間問題。