基于BIM 的鋼箱拱橋參數(shù)化建模及應(yīng)用

王成WANG Cheng

（中鐵九橋工程有限公司，九江 332000）

0 引言

大規(guī)模的鐵路及公路建設(shè)為人民的出行帶來了極大的便利，橋梁在鐵路和公路的建設(shè)中起著極其重要的紐帶作用。但是目前二維設(shè)計(jì)模式對(duì)于橋梁建設(shè)的數(shù)字化發(fā)展方向有很大的制約。

近年來，建筑信息模型的發(fā)展為橋梁精細(xì)化設(shè)計(jì)提供了有效的手段。與傳統(tǒng)手段不同，BIM 技術(shù)將更先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)與三維精細(xì)模型進(jìn)行融合，在提高設(shè)計(jì)文件表達(dá)力的同時(shí)，BIM 模型也作為公路工程全生命期的數(shù)字底座，完成數(shù)據(jù)傳遞和信息整合，全面提升公路工程全生命期的信息化與智能化水平[1]。然而，目前橋梁BIM 模型族庫較為缺少，并且可復(fù)用性不強(qiáng)，對(duì)于不同項(xiàng)目進(jìn)行單獨(dú)建模時(shí)間周期長，且不易修改。為此本文以來安至全椒段一級(jí)公路襄河大橋?yàn)楣こ瘫尘埃⒘艘环N基于BIM 的鋼箱拱橋快速參數(shù)化建模方法，并依托BIM 模型進(jìn)行圖紙會(huì)審、深化出圖、安裝工序模擬、數(shù)字化加工及二維碼應(yīng)用研究，成果可為橋梁數(shù)字化發(fā)展作為參考。

1 鋼箱拱橋參數(shù)化建模技術(shù)

為縮短建模周期，方便模型快速化修改，通過對(duì)鋼箱系桿拱橋進(jìn)行分項(xiàng)參數(shù)化建模，形成了一種基于BIM 的鋼箱拱橋快速參數(shù)化建模方法。參數(shù)化建模就是將復(fù)雜橋梁進(jìn)行逐步分解為點(diǎn)、線、面，由基礎(chǔ)點(diǎn)、線、面依據(jù)一定規(guī)則及約束生成參數(shù)可調(diào)節(jié)的控制參數(shù)化構(gòu)件，將同一種邏輯關(guān)系的構(gòu)件作為參數(shù)化模板并對(duì)其進(jìn)行封裝，再依據(jù)不同數(shù)據(jù)合理調(diào)用軟件提供的類、庫的屬性和方法以及二次開發(fā)函數(shù)，快速生成同種類型的所有構(gòu)件，其技術(shù)路線如圖1 所示[2]，通過對(duì)每個(gè)部件的參數(shù)化實(shí)現(xiàn)整體橋梁的參數(shù)化[3]。基于BIM 的鋼箱拱橋快速參數(shù)化建模主要步驟包括：①建立參數(shù)化道路中心線+拱軸線模板，明確道路中心線與拱軸線之間的空間關(guān)系及控制變量；②建立拱肋、風(fēng)撐、梁拱、橫梁、吊桿等部件參數(shù)化模板；③制定通用BIM數(shù)據(jù)信息文件承載模型設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；④通過道路中心線、拱軸線、參數(shù)化模板及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行批量化拱肋、風(fēng)撐、梁拱、橫梁、吊桿等模型生成；⑤手動(dòng)建立非參數(shù)化模型，完成橋梁模型如圖2 所示。

圖2 鋼箱拱橋快速參數(shù)化建模流程

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

來安至全椒段襄河大橋?yàn)橄鲁惺戒撓湎禇U拱橋（主跨120 米異型拱橋），全長約2.445 公里。主橋?yàn)榱汗敖M合體系橋梁，拱圈及縱梁均采用鋼箱結(jié)構(gòu)，系桿為剛性系桿，風(fēng)撐為異性空間結(jié)構(gòu)，襄河大橋主橋橋型布置如圖3 所示。

圖3 襄河大橋主橋橋型布置圖

2.2 鋼箱拱橋參數(shù)化族

2.2.1 參數(shù)化道路中心線+拱軸線

下承式鋼箱系桿拱橋道路中心線及拱軸線作為橋面系及拱肋控制線決定著橋梁的總體空間位置，道路中心線與拱軸線的相對(duì)空間關(guān)系決定著橋梁模型的準(zhǔn)確性。基于BIM 進(jìn)行參數(shù)化道路中心線+拱軸線模板建立，能夠根據(jù)類VB 語言自動(dòng)讀取承載模型設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)表格中的模型信息進(jìn)行參數(shù)化建模，并能根據(jù)后續(xù)設(shè)計(jì)變更，快速修改道路中心線+拱軸線模型，避免因設(shè)計(jì)變更造成的重復(fù)建模。主要步驟包括：①建立參數(shù)化道路平曲線及道路縱曲線，將平縱曲線擬合成未加預(yù)拱線的參數(shù)化道路中心線；②根據(jù)設(shè)計(jì)要求增加預(yù)拱線，根據(jù)橋面數(shù)據(jù)得到拱軸定位點(diǎn)；③依據(jù)設(shè)計(jì)要求使用類VB 語言生成參數(shù)化拱軸線，如圖4 所示。

圖4 參數(shù)化道路中心線+拱軸線構(gòu)建

2.2.2 參數(shù)化鋼箱拱

鋼箱拱分為多個(gè)節(jié)段，除梁拱結(jié)合處與其余節(jié)段存在較大結(jié)構(gòu)差異外，其余節(jié)段僅在厚度、隔板數(shù)量等方面存在不同。因此，梁拱結(jié)合處進(jìn)行手動(dòng)建立非參數(shù)化模型，其余節(jié)段建立參數(shù)化鋼箱拱模型。主要包括建立參數(shù)化頂?shù)装鍢?gòu)件、參數(shù)化腹板構(gòu)件、參數(shù)化A 型隔板構(gòu)件、參數(shù)化B型隔板構(gòu)件等如圖5 所示。并根據(jù)類VB 語言調(diào)用數(shù)據(jù)表格中的數(shù)據(jù)對(duì)參數(shù)化構(gòu)件進(jìn)行賦值實(shí)例，得到依據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段的參數(shù)化鋼箱拱模型，如圖6 所示。主要步驟包括：①定義拱軸分段位置，確定基本輸入曲線；②繪制參數(shù)化構(gòu)件基本框架圖，定義關(guān)鍵部位變量，形成各參數(shù)化構(gòu)件庫；③設(shè)置所需參數(shù)值，包括頂?shù)装灏搴瘛⒏拱灏搴瘛?shù)化隔板類型、定位里程點(diǎn)等；④使用類VB 語言讀取數(shù)據(jù)信息文件中的數(shù)據(jù)自動(dòng)生成按設(shè)計(jì)分段的鋼箱拱模型。

圖5 參數(shù)化A 型隔板構(gòu)件

圖6 已分段參數(shù)化鋼箱拱模型

2.2.3 參數(shù)化風(fēng)撐

風(fēng)撐為空間異形結(jié)構(gòu)，在建模過程中耗時(shí)占比多，建立參數(shù)化風(fēng)撐族庫有助于減少后期模型修改時(shí)間。本方法采用整體+局部式參數(shù)化方式，將風(fēng)撐頂?shù)赘拱遄鳛檎w進(jìn)行參數(shù)化構(gòu)件建立，將加勁、隔板及腹板部分建立單獨(dú)參數(shù)化構(gòu)件，依托各單獨(dú)構(gòu)件在整體中的相對(duì)位置進(jìn)行批量參數(shù)化建模，如圖7 所示。主要步驟包括：①建立參數(shù)化投影曲線，生成整體參數(shù)化風(fēng)撐頂?shù)赘拱鍢?gòu)件；②建立加勁、隔板及腹板基本框架圖，定義關(guān)鍵部位變量，形成各單獨(dú)參數(shù)化構(gòu)件；③根據(jù)投影曲線、風(fēng)撐頂?shù)赘拱鍢?gòu)件、定位位置、尺寸等參數(shù)快速生成參數(shù)化風(fēng)撐局部模型，如圖8 所示。

圖7 參數(shù)化風(fēng)撐頂?shù)赘拱?/p>

圖8 風(fēng)撐局部模型

2.2.4 參數(shù)化鋼箱梁

不同鋼箱梁節(jié)段的區(qū)別在于其包含吊桿橫隔梁、普通橫隔梁的類型、數(shù)量及厚度等參數(shù)的變化、縱梁頂?shù)赘拱搴穸茸兓约傲汗敖Y(jié)合段的特有結(jié)構(gòu)區(qū)別。同理，對(duì)于梁拱結(jié)合段鋼箱梁進(jìn)行手動(dòng)建立模型，其他節(jié)段通過參數(shù)化橫隔梁構(gòu)件進(jìn)行模型建立，如圖9 所示。主要步驟包括：①繪制節(jié)段頂?shù)赘拱寤究蚣埽身數(shù)赘拱迥Ｐ停虎诶L制節(jié)段橫隔梁基本框架，生成橫隔梁模型，并定義關(guān)鍵部位變量設(shè)為輸入?yún)?shù)；③根據(jù)各階段類型、其相對(duì)于道路中心線的位置、各關(guān)鍵參數(shù)（長、寬、高、厚度等）批量進(jìn)行不同橫梁節(jié)段自動(dòng)快速參數(shù)化生成，如圖10 所示。

圖9 參數(shù)化橫梁B 構(gòu)件

圖10 批量實(shí)例化模型

2.2.5 參數(shù)化系桿

參數(shù)化系桿構(gòu)件主要包括吊桿、耳板、耳板加勁等部件，將吊桿位置及傾斜度作為構(gòu)件控制變量，依據(jù)頂板傾斜度控制耳板加勁具體尺寸數(shù)據(jù)，快速建立系桿三維模型，如圖11 所示。

圖11 參數(shù)化系桿模型

3 BIM 技術(shù)應(yīng)用

3.1 基于BIM 模型的圖紙會(huì)審

對(duì)建立完成的BIM 橋梁模型進(jìn)行碰撞檢查如圖12所示，發(fā)現(xiàn)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)過程中碰撞問題、設(shè)計(jì)錯(cuò)漏碰缺、施工可行性等幾個(gè)方面的問題進(jìn)行基于BIM 模型的圖紙會(huì)審，提前發(fā)現(xiàn)施工可行性的問題，在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行解決，提高了設(shè)計(jì)方案的施工可行性，減少了后期變更和返工，確保了施工質(zhì)量，節(jié)省施工工期、降低成本和消除安全隱患。

圖12 碰撞檢查

3.2 基于BIM 模型的深化出圖

基于BIM 模型的深化出圖區(qū)別于二維工藝深化，進(jìn)行工藝出圖，避免工程存在部分缺陷或施工不合理性，優(yōu)化各構(gòu)件的設(shè)計(jì)，提高功能實(shí)用性。其主要步驟為：①依據(jù)制造廠的生產(chǎn)條件和現(xiàn)場(chǎng)施工條件，并考慮運(yùn)輸要求、焊接工藝要求以及零件間的連接方式等因素，根據(jù)已建立的模型及設(shè)計(jì)院反饋意見，對(duì)已完成橋梁BIM 模型進(jìn)行修改；②并依據(jù)已深化BIM 模型，導(dǎo)出DWG 白圖；③對(duì)導(dǎo)出的DWG 圖紙進(jìn)行圖紙標(biāo)注、審核。如圖13 所示。

圖13 深化出圖流程

3.3 基于BIM 模型的安裝工序模擬

依據(jù)BIM 模型及橋梁專項(xiàng)施工方案進(jìn)行橋梁安裝工序模擬，將施工總進(jìn)度計(jì)劃的每一道工序與工序內(nèi)每一個(gè)構(gòu)件進(jìn)行掛接最終形成施工總進(jìn)度計(jì)劃模擬，其可展示總進(jìn)度計(jì)劃時(shí)間內(nèi)任意時(shí)間點(diǎn)的施工狀態(tài)，并對(duì)其進(jìn)行三維可視化展示。主要步驟包括：①根據(jù)安裝方案及施工總進(jìn)度計(jì)劃對(duì)模型進(jìn)行拆分；②根據(jù)方案確定解說腳本，生成配音及字幕文件；③將BIM 模型轉(zhuǎn)化為fbx 格式，導(dǎo)入動(dòng)畫模擬軟件中，按先后順序逐個(gè)插入工序任務(wù)或?qū)胍丫帉懞玫氖┕みM(jìn)度計(jì)劃表。設(shè)置每一個(gè)工序的起止時(shí)間，并將該工序?qū)?yīng)的模型構(gòu)件綁定到該任務(wù)中。直至全部工序均綁定模型構(gòu)件；④將所有工序任務(wù)逐個(gè)設(shè)置動(dòng)畫形式（編輯動(dòng)畫）。包括：生長、水平移動(dòng)、豎直移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、靜止、方向等動(dòng)作，輸出視頻文件；⑤在視頻剪輯軟件中將視頻文件，配音文件及字幕文件進(jìn)行整合、剪輯、后期制作。基于BIM 的安裝工序模擬能夠準(zhǔn)確直觀地展示安裝細(xì)節(jié)及總進(jìn)度流程，能夠提高交底質(zhì)量，減少返工，對(duì)進(jìn)度計(jì)劃的合理性和適宜性進(jìn)行分析和優(yōu)化，如圖14 所示。

圖14 安裝工序模擬

3.4 基于BIM 模型的數(shù)字化加工

基于BIM 模型的數(shù)字化加工能夠保證從構(gòu)件設(shè)計(jì)到制造的一致性，主要步驟包括：①根據(jù)構(gòu)件生產(chǎn)方式、施工工藝及安裝方式等原則對(duì)深化完成的模型進(jìn)行拆分、編號(hào)；②根據(jù)編號(hào)對(duì)所述異形構(gòu)件的不同部分的構(gòu)件信息進(jìn)行存儲(chǔ)，其中，所述不同部分的構(gòu)件信息包括：構(gòu)件尺寸信息、構(gòu)件外型信息、構(gòu)件立面信息、構(gòu)件平面信息、構(gòu)件剖面信息、構(gòu)件材質(zhì)信息。然后利用BIM 技術(shù)的可出圖性結(jié)合拆分構(gòu)件BIM 信息，導(dǎo)出構(gòu)件平面圖、立面圖、剖面圖、節(jié)點(diǎn)大樣圖、三維示意圖，并依據(jù)BIM 環(huán)境及BIM 構(gòu)件生成現(xiàn)場(chǎng)放線圖；③依據(jù)已有BIM 構(gòu)件的深化圖紙及數(shù)字化模型，提取信息化模型中所包含的構(gòu)件信息，通過數(shù)字化機(jī)床、3D 打印機(jī)等數(shù)字化生產(chǎn)設(shè)備，對(duì)拆分構(gòu)件進(jìn)行精準(zhǔn)生產(chǎn)加工，如圖15 所示。

圖15 數(shù)字化加工

3.5 二維碼應(yīng)用

基于BIM 模型信息生成二維碼粘貼在實(shí)際構(gòu)件上，借助二維碼掃描手段，幫助管理人員輕松用手機(jī)掃描獲取構(gòu)件相關(guān)信息，不斷積累設(shè)計(jì)、施工階段的信息，并用于后期運(yùn)營管理。主要應(yīng)用場(chǎng)景如下：①現(xiàn)場(chǎng)人員通過二維碼獲得該構(gòu)件的詳細(xì)信息，并將其高亮顯示在模型中，輔助現(xiàn)場(chǎng)人員準(zhǔn)確定位；②現(xiàn)場(chǎng)人員通過掃描二維碼調(diào)出對(duì)應(yīng)構(gòu)件質(zhì)檢表單進(jìn)行填寫，及時(shí)同步至管理平臺(tái)。

4 結(jié)論

本文依托BIM 技術(shù)，對(duì)下承式鋼箱系桿拱橋參數(shù)化模型建立方法進(jìn)行研究，提出了一種基于BIM 的鋼箱拱橋參數(shù)化建模路線，以襄河大橋?yàn)槔瑢?duì)道路中心線+拱軸線、鋼箱拱、風(fēng)撐、鋼箱梁及系桿的參數(shù)化過程提供了技術(shù)方案并驗(yàn)證了參數(shù)化建模的可信性，并進(jìn)一步的通過BIM模型進(jìn)行了圖紙會(huì)審、深化出圖、安裝工序模擬、數(shù)字化加工及二維碼應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題20 余項(xiàng)，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，提升了生產(chǎn)精度及安裝質(zhì)量，初步實(shí)現(xiàn)智能化管理應(yīng)用。本鋼箱拱橋參數(shù)化建模技術(shù)適用于各類鋼箱拱橋，包括道路中心線+拱軸線、鋼箱拱、風(fēng)撐橫梁、鋼箱梁及系桿，能夠依據(jù)不同鋼箱拱橋提升30%-50%的建模效率，之后可以在此基礎(chǔ)上深入探索適用于全類型橋梁的參數(shù)化建模技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)橋梁智能設(shè)計(jì)、智能施工、智能運(yùn)維創(chuàng)造基礎(chǔ)。