我國(guó)西部山區(qū)和東部沿海地區(qū)的高速鐵路建設(shè)逐年增多，而跨越河流、溝谷的高墩橋梁以及軟基沉陷地區(qū)的深基礎(chǔ)橋梁占比較大，墩臺(tái)基礎(chǔ)造價(jià)較高。當(dāng)橋梁跨度大于32m時(shí)，多采用現(xiàn)澆橋梁（包括簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)等），其經(jīng)濟(jì)性下降，且質(zhì)量控制難度較大。為此，我國(guó)多個(gè)單位合作成功研制了40m預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁。
高鐵40m簡(jiǎn)支梁在規(guī)劃伊始便提出了設(shè)計(jì)-建造-運(yùn)維全生命周期的應(yīng)用設(shè)想，確定了基于BIM技術(shù)的智能設(shè)計(jì)、制運(yùn)架一體化和智能運(yùn)維的實(shí)施內(nèi)容。
本文介紹BIM技術(shù)在40m簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)中的研究和應(yīng)用工作，涉及模型結(jié)構(gòu)分解、精細(xì)化BIM模型構(gòu)建和BIM設(shè)計(jì)交底系統(tǒng)研發(fā)3個(gè)方面，以期為全生命周期BIM模型使用和信息流轉(zhuǎn)奠定基礎(chǔ)。
面向裝配化的模型結(jié)構(gòu)分解
高速鐵路40m簡(jiǎn)支梁具有跨度大、技術(shù)含量高等特點(diǎn)，反映到BIM模型上則表現(xiàn)出模型體量大、構(gòu)成單元多、層級(jí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特性，因此制定一套完整、規(guī)范的模型結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。借鑒制造業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)管理方式，采用基于BOM(Bill of Material)的模式對(duì)40m簡(jiǎn)支梁進(jìn)行模型結(jié)構(gòu)分解，一方面依據(jù)設(shè)計(jì)固有表達(dá)方式，體現(xiàn)詳細(xì)的構(gòu)造細(xì)節(jié)，準(zhǔn)確反映設(shè)計(jì)意圖; 另一方面考慮簡(jiǎn)支梁制造、運(yùn)輸、架設(shè)乃至運(yùn)營(yíng)一體化管理和模型精細(xì)度的對(duì)應(yīng)要求，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)傳遞和信息集成的渠道貫通，并為后期運(yùn)營(yíng)提供數(shù)據(jù)信息接口，統(tǒng)籌全生命周期的應(yīng)用需求。
為此，將40m簡(jiǎn)支梁視為裝配化的綜合平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)不同構(gòu)件層級(jí)的裝配化: 充分考慮簡(jiǎn)支梁制造需求，提供如預(yù)應(yīng)力自動(dòng)張拉、管道智能壓漿等施工數(shù)據(jù)匹配的對(duì)象實(shí)體，將簡(jiǎn)支梁主體結(jié)構(gòu)合理拆分，形成面向裝配化的主梁結(jié)構(gòu); 考慮鐵路不同結(jié)構(gòu)形式的常用跨度簡(jiǎn)支梁應(yīng)用模式，搭載附屬設(shè)施( 包括線(xiàn)路結(jié)構(gòu)) 產(chǎn)品庫(kù)，對(duì)簡(jiǎn)支梁主體結(jié)構(gòu)與附屬設(shè)施進(jìn)行一體化BIM設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)兩者的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和模塊化的靈活組裝。
模型結(jié)構(gòu)分解的具體原則如下:
涵蓋40m簡(jiǎn)支梁綜合平臺(tái)的所有組成單元，并賦予唯一編碼標(biāo)識(shí);
清晰地劃分層級(jí)結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系，為不同業(yè)務(wù)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享、集成和追溯提供實(shí)體;
作為制造階段計(jì)劃編制、物料領(lǐng)用、成本核算等過(guò)程管控對(duì)象的最小劃分粒度，為精細(xì)化管理提供條件。
按照上述原則，將40m簡(jiǎn)支梁分為主梁、支座和附屬設(shè)施三大類(lèi)。根據(jù)具體工程項(xiàng)目采用不同的通用圖靈活組合裝配，輸出40m簡(jiǎn)支梁不同結(jié)構(gòu)形式的整體BIM設(shè)計(jì)模型。
40m簡(jiǎn)支梁主梁信息模型結(jié)構(gòu)分解
屬性信息的定義和賦加是設(shè)計(jì)階段BIM應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到后續(xù)信息流轉(zhuǎn)和應(yīng)用效率。基于確定的模型結(jié)構(gòu)劃分，梳理簡(jiǎn)支梁構(gòu)成單元的設(shè)計(jì)信息，如下表所示。
40m簡(jiǎn)支梁典型構(gòu)成單元設(shè)計(jì)信息示例
表中將設(shè)計(jì)信息劃分為基本信息、技術(shù)參數(shù)和工程數(shù)量3類(lèi)，通過(guò)BOM表內(nèi)的唯一ID標(biāo)識(shí)，采用二次開(kāi)發(fā)插件批量賦予對(duì)象實(shí)體，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)樹(shù)-模型-數(shù)據(jù)的互關(guān)聯(lián)。進(jìn)一步研究不同構(gòu)成單元基本信息與工程數(shù)量的邏輯關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)工程量的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)。
IFD編碼是構(gòu)成單元的基本信息之一，在分類(lèi)、統(tǒng)計(jì)中發(fā)揮重要作用。橋梁構(gòu)件模型結(jié)構(gòu)分解一般基于《鐵路工程信息模型分類(lèi)和編碼標(biāo)準(zhǔn)》( 1. 0 版) 中的53表，按照功能特征對(duì)構(gòu)件進(jìn)行分類(lèi)，但對(duì)單獨(dú)的箱梁梁體不完全適用。考慮到梁體結(jié)構(gòu)由多種鐵路工程產(chǎn)品構(gòu)成，結(jié)合53表及擴(kuò)展補(bǔ)充58表的分類(lèi)，編制完成每一類(lèi)構(gòu)成單元的編碼。
BIM 模型構(gòu)建
受BIM技術(shù)成熟度和管理交付模式所限，BIM正向設(shè)計(jì)還處于探索階段，目前仍以翻模為主。40m簡(jiǎn)支梁BIM模型構(gòu)建也是采取此種模式。本文基于CATIA軟件進(jìn)行建模，涉及模型精度和衍生的產(chǎn)品庫(kù)，具體要求為: 按照LOD3. 5模型精度對(duì)混凝土梁體、普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力筋、輕質(zhì)橋面、近軌矮屏障、無(wú)砟軌道等構(gòu)成單元進(jìn)行精細(xì)化建模，建模過(guò)程中開(kāi)展信息集成、碰撞檢查、方案優(yōu)化、工程量統(tǒng)計(jì)等輔助設(shè)計(jì)工作; 立足裝配化思想，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品開(kāi)展參數(shù)化建模，逐漸積累鐵路簡(jiǎn)支梁的配套產(chǎn)品庫(kù)。
基于BIM 的設(shè)計(jì)優(yōu)化
通過(guò)圖紙審核和模型碰撞實(shí)現(xiàn)基于BIM的設(shè)計(jì)優(yōu)化。首先根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行BIM建模，基本原則是保持與二維設(shè)計(jì)圖紙的一致性，建模過(guò)程完成圖紙的校核; 然后通過(guò)BIM技術(shù)進(jìn)行碰撞檢測(cè)，輸出分析報(bào)告，反饋至專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員，由其確定修改方案，進(jìn)而更新BIM模型，優(yōu)化二維設(shè)計(jì)圖紙。重復(fù)上述過(guò)程，直至二維設(shè)計(jì)圖紙差錯(cuò)漏碰問(wèn)題基本解決，誤差在允許范圍內(nèi); 最后進(jìn)行設(shè)計(jì)鋼筋大樣圖輸出及分類(lèi)工程量統(tǒng)計(jì)，形成交付成果。
基于BIM的40m簡(jiǎn)支梁輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)流程
基于BIM的設(shè)計(jì)優(yōu)化包括以下工作重點(diǎn):
圖紙審核
模型創(chuàng)建過(guò)程中對(duì)圖紙的數(shù)量、標(biāo)注、空間關(guān)系等內(nèi)容進(jìn)行校核，實(shí)質(zhì)是二維設(shè)計(jì)成果的過(guò)程審查。
碰撞檢查
在二維設(shè)計(jì)圖紙中，預(yù)應(yīng)力筋與梁體配筋是分開(kāi)布置的，對(duì)于空間出現(xiàn)的碰撞問(wèn)題無(wú)法避免，只能通過(guò)施工人員自行調(diào)整，這不僅給施工過(guò)程帶來(lái)困擾，也給設(shè)計(jì)質(zhì)量帶來(lái)一定的不確定性。
為了避免施工過(guò)程中的無(wú)序修改，借助BIM技術(shù)進(jìn)行幾何體的碰撞檢查，可深度分析基于二維設(shè)計(jì)成果中鋼筋、預(yù)應(yīng)力筋與其他零件的空間關(guān)系。直觀反饋其中的不合理之處，實(shí)現(xiàn)問(wèn)題前置化，進(jìn)而提前調(diào)整相應(yīng)單元的空間布置，減少變更及現(xiàn)場(chǎng)返工。
碰撞檢查內(nèi)容主要包括普通鋼筋與預(yù)應(yīng)力筋管道的碰撞、普通鋼筋與梁體的碰撞、預(yù)埋件與預(yù)應(yīng)力筋管道的碰撞。
普通鋼筋與預(yù)應(yīng)力筋管道的碰撞
信息精準(zhǔn)輸出
40m簡(jiǎn)支梁BIM模型承載了混凝土數(shù)量、預(yù)應(yīng)力筋長(zhǎng)度、管道壓漿體積等詳細(xì)工程信息，可精準(zhǔn)分類(lèi)、輸出工程量信息，輔助二維設(shè)計(jì)成果的完善。以鋼筋為例，結(jié)合規(guī)范規(guī)定的彎鉤長(zhǎng)度要求對(duì)帶肋鋼筋進(jìn)行準(zhǔn)確放樣，自動(dòng)輸出二維鋼筋大樣圖，可直接指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。
鋼筋大樣輸出圖( 單位: mm)
參數(shù)化建模及產(chǎn)品庫(kù)
參數(shù)化是BIM技術(shù)的顯著特點(diǎn)之一，考慮40m簡(jiǎn)支梁具有不同的結(jié)構(gòu)類(lèi)型以及配套的附屬設(shè)施，可通過(guò)控制多類(lèi)型參數(shù)調(diào)整模型中數(shù)據(jù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)模型屬性信息對(duì)應(yīng)改變，提高建模效率。
梁體及鋼筋
將梁體各項(xiàng)指標(biāo)( 包括長(zhǎng)、寬、高等各種幾何尺寸，共計(jì)53個(gè)) 設(shè)置為參數(shù)，通過(guò)BIM建模軟件以.xls格式導(dǎo)出各項(xiàng)指標(biāo)，基于.xls 格式改變參數(shù)輸入量值，基于參數(shù)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同跨度梁體模型的快速調(diào)整。
根據(jù)鋼筋彎折角度( 135°，90°) 繪制模板，將幾何信息( 如長(zhǎng)度、直徑等) 進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，實(shí)現(xiàn)模型批量實(shí)例化。針對(duì)長(zhǎng)度隨梁體造型變化的部分鋼筋，根據(jù)其漸變規(guī)律在CATIA中自動(dòng)計(jì)算彎折點(diǎn)后進(jìn)行鋼筋實(shí)例化。
鐵路標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品庫(kù)
鐵路簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)中應(yīng)用了多種產(chǎn)品，如錨墊板、錨具、支座、防落梁裝置等，這些產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化程度高、重復(fù)使用率高。因此，可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的幾何尺寸、屬性信息，搭建簡(jiǎn)支梁常用配套標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品庫(kù)，方便在不同類(lèi)型簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)中調(diào)用，從而提高設(shè)計(jì)效率，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的累積和繼承。
通過(guò)獲取并存儲(chǔ)相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參數(shù)，建立鐵路常用跨度簡(jiǎn)支梁所配套的產(chǎn)品模型，借助目錄編輯器模塊逐漸形成標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品庫(kù)。
標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品庫(kù)的建立流程
BIM設(shè)計(jì)交底系統(tǒng)研究
BIM技術(shù)不僅在設(shè)計(jì)優(yōu)化中發(fā)揮了重要價(jià)值，而且為設(shè)計(jì)交底提供了豐富的展現(xiàn)方式�？紤]簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)交底內(nèi)容形式的通用性，泛化了設(shè)計(jì)交底系統(tǒng)定位: 不局限于40m梁，而是立足不同鐵路等級(jí)( 高速鐵路、城際鐵路、客貨共線(xiàn)鐵路以及重載鐵路) 、結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計(jì)時(shí)速、跨度、線(xiàn)路類(lèi)型形成的標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支梁和常用跨度連續(xù)梁，支持不同BIM設(shè)計(jì)軟件的三維模型導(dǎo)入、多方式的設(shè)計(jì)交底與信息傳遞。目的是實(shí)現(xiàn)鐵路常用跨度混凝土梁模型可視化，設(shè)計(jì)信息綜合展示和一致性傳遞，拓展設(shè)計(jì)方與建設(shè)、施工及監(jiān)理方的交流手段，提升設(shè)計(jì)單位的服務(wù)水平。
基于40m簡(jiǎn)支梁全生命周期BIM技術(shù)應(yīng)用規(guī)劃及模型成果，確定了BIM設(shè)計(jì)交底系統(tǒng)架構(gòu)，包括展示層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層。
系統(tǒng)架構(gòu)
為豐富設(shè)計(jì)交底內(nèi)容和形式，設(shè)計(jì)了梁體模型、附屬設(shè)施模型、圖紙查看、三維設(shè)計(jì)交底、資料管理、模型裝配、模型上傳等功能模塊。
簡(jiǎn)支梁BIM模型包含單元種類(lèi)多，關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，通過(guò)整體BIM模型很難查看特定元素之間的相互關(guān)系。為此，對(duì)梁體模型和附屬設(shè)施模型模塊的展示內(nèi)容進(jìn)行開(kāi)放式設(shè)計(jì)，通過(guò)靈活定義不同單元的組裝，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)支梁不同裝配單元的對(duì)應(yīng)、查看和對(duì)比，滿(mǎn)足不同人員對(duì)設(shè)計(jì)模型的使用需求。
以梁體模型裝配為例，通過(guò)模型上傳完成梁體混凝土、普通鋼筋、預(yù)埋鋼筋、加強(qiáng)鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼筋、錨墊板、支座預(yù)埋鋼板等單元輕量化格式的分類(lèi)存儲(chǔ)，根據(jù)不同需求形成了橋面布置、翼緣板構(gòu)造、接觸網(wǎng)加強(qiáng)構(gòu)造、綜合接地、電纜上橋等多個(gè)固定組合單元。還可以選擇不同裝配模型結(jié)構(gòu)樹(shù)中的子類(lèi)，實(shí)現(xiàn)具體元素組合，其組合內(nèi)容包括空間相對(duì)關(guān)系及參數(shù)信息。
系統(tǒng)架構(gòu)
構(gòu)建面向全生命周期的40m簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)BIM模型時(shí)，通過(guò)圖紙審核和碰撞檢查輔助二維設(shè)計(jì)圖紙優(yōu)化，對(duì)梁體、普通鋼筋進(jìn)行了參數(shù)化建模，實(shí)現(xiàn)鋼筋大樣圖輸出，構(gòu)建了錨墊板、支座等簡(jiǎn)支梁標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品庫(kù)。
秉承裝配化管理理念，開(kāi)展了BIM設(shè)計(jì)交底系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)及研發(fā)，通過(guò)對(duì)不同裝配單元的自由組合，實(shí)現(xiàn)模型的靈活查看及相對(duì)空間位置的準(zhǔn)確展示，豐富了設(shè)計(jì)交底表達(dá)方式。
