梁式橋BIM輔助設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)

以往研究涉及到橋梁BIM建模方法的居多,而對(duì)專(zhuān)業(yè)間協(xié)同設(shè)計(jì)及橋梁設(shè)計(jì)、建模、算量一體化程序開(kāi)發(fā)的研究較少。因此，研發(fā)符合專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)習(xí)慣和設(shè)計(jì)流程的輔助設(shè)計(jì)軟件，可提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量

軟件的研發(fā)思路

橋梁設(shè)計(jì)是生產(chǎn)橋梁設(shè)計(jì)信息數(shù)據(jù)的過(guò)程,無(wú)論是二維的圖紙及相關(guān)符號(hào)和文字說(shuō)明,還是三維的模型及附加信息,都是設(shè)計(jì)成果的表達(dá)。輔助設(shè)計(jì)軟件是為了幫助設(shè)計(jì)人員更快速、高效和準(zhǔn)確地完成設(shè)計(jì)信息的生產(chǎn)和表達(dá)。軟件的研發(fā)應(yīng)遵循回歸建筑信息模型的基本理念,以信息為中心,用圖紙或模型來(lái)承載和表達(dá)信息。結(jié)合梁式橋的結(jié)構(gòu)組成和設(shè)計(jì)流程,將梁式橋設(shè)計(jì)過(guò)程中所需的信息進(jìn)行分類(lèi)和結(jié)構(gòu)化,對(duì)梁式橋各組成部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)分解,拆分成如梁部、橋墩、橋臺(tái)、基礎(chǔ)等基本組成構(gòu)件。

采用面向?qū)ο蟮姆绞綄?duì)各種設(shè)計(jì)信息和結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)組織,結(jié)合設(shè)計(jì)流程,編寫(xiě)接口或設(shè)計(jì)模塊,進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互和計(jì)算加工。設(shè)計(jì)人員在使用軟件的過(guò)程中,僅需填寫(xiě)或選擇少量的參數(shù),即可完成一座橋的設(shè)計(jì)工作,利用BIM 可視化的特性,可以對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)查看和修改�；�于“BIM 模型是設(shè)計(jì)信息的表達(dá)” 理念,模型由數(shù)據(jù)來(lái)驅(qū)動(dòng)、生成和修改,相應(yīng)非幾何信息的賦予也由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)完成。

根據(jù)梁式橋多采用標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件的特點(diǎn)和積累工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)的需要,采用了數(shù)據(jù)庫(kù)的方式對(duì)構(gòu)件數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。在軟件的使用過(guò)程中,首先訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù),讀取構(gòu)件的信息,利用數(shù)據(jù)庫(kù)中的構(gòu)件開(kāi)展設(shè)計(jì)。隨著項(xiàng)目的進(jìn)行,構(gòu)件庫(kù)也逐漸得到積累和完善。

軟件的功能定位

根據(jù)梁式橋的設(shè)計(jì)習(xí)慣,設(shè)計(jì)內(nèi)容可分為工點(diǎn)總體設(shè)計(jì)和構(gòu)件設(shè)計(jì)兩部分。工點(diǎn)總體設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括全橋孔跨布置、下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、工程數(shù)量計(jì)算等。構(gòu)件的設(shè)計(jì)包括整個(gè)項(xiàng)目采用的梁部、橋墩、橋臺(tái)、基礎(chǔ)等構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。在綜合鐵路的設(shè)計(jì)中,多采用行業(yè)參考圖;在地鐵、輕軌、單軌等設(shè)計(jì)中,為了統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)化,多采用項(xiàng)目參考圖。工點(diǎn)總體設(shè)計(jì)引用了標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的設(shè)計(jì)成果,采用“搭積木”的方式進(jìn)行。輔助設(shè)計(jì)軟件可實(shí)現(xiàn)總體設(shè)計(jì)所需的全橋孔跨布置、下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、工程數(shù)量的計(jì)算、BIM 模型的創(chuàng)建等功能。

軟件基本框架

輔助設(shè)計(jì)軟件分為以下六大部分:基本組成構(gòu)件數(shù)據(jù)庫(kù)的管理模塊、邊界設(shè)計(jì)條件設(shè)置和專(zhuān)業(yè)協(xié)同模塊、橋梁孔跨布置模塊、墩臺(tái)及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算模塊、三維信息模型控制模塊、工程數(shù)量清單計(jì)算模塊。

軟件基本流程

軟件的模塊組成

根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)流程,軟件的功能可劃分為:設(shè)計(jì)基本條件(包含內(nèi)部和外部)、設(shè)計(jì)計(jì)算部分、設(shè)計(jì)結(jié)果輸出三大塊內(nèi)容。其中設(shè)計(jì)基本條件包含橋位處的地形資料、地質(zhì)資料、線路資料、水文資料、環(huán)境資料,以及橋梁自身墩、臺(tái)、梁的選取,橋梁孔跨布置等。設(shè)計(jì)計(jì)算部分包含墩臺(tái)里程計(jì)算、設(shè)計(jì)荷載組合、墩臺(tái)結(jié)構(gòu)檢算、基礎(chǔ)計(jì)算。設(shè)計(jì)結(jié)果的輸出包含生成工程數(shù)量清單、生成BIM信息模型等。

構(gòu)件數(shù)據(jù)庫(kù)管理

對(duì)梁部、橋墩、橋臺(tái)、基礎(chǔ)等基本組成構(gòu)件進(jìn)行抽象化分解,在程序的實(shí)現(xiàn)中分別對(duì)應(yīng)梁類(lèi)、橋墩類(lèi)、橋臺(tái)類(lèi)、基礎(chǔ)類(lèi),每種類(lèi)型由該類(lèi)型包含的數(shù)據(jù)和方法組成,數(shù)據(jù)中包含構(gòu)件的幾何參數(shù)、設(shè)計(jì)信息、圖塊和模型信息、工程數(shù)量信息等。上述構(gòu)件信息以數(shù)據(jù)庫(kù)和構(gòu)件單元庫(kù)的方式進(jìn)行存儲(chǔ),便于編輯和管理。以梁部、橋墩、基礎(chǔ)為例,對(duì)構(gòu)件的管理進(jìn)行介紹。

梁部構(gòu)件庫(kù)管理

梁部構(gòu)件由梁部類(lèi)型(如簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)等)、幾何參數(shù)、工程數(shù)量、模型庫(kù)鏈接所需的文件名和單元名等內(nèi)容構(gòu)成。

梁部構(gòu)件庫(kù)管理界面

簡(jiǎn)支梁共享單元模型

橋墩構(gòu)件庫(kù)管理

橋墩構(gòu)件由頂帽、墩身的幾何參數(shù)、橋墩計(jì)算信息、模型庫(kù)鏈接所需的文件名和單元名等內(nèi)容構(gòu)成。以重力式實(shí)體墩為例,詳見(jiàn)下方圖片所示。

橋墩構(gòu)件庫(kù)管理界面

墩身參數(shù)化單元模型

頂帽共享單元模型

基礎(chǔ)構(gòu)件庫(kù)管理

基礎(chǔ)構(gòu)件由基礎(chǔ)的類(lèi)型(如樁基、擴(kuò)基、挖井等)、幾何參數(shù)、工程數(shù)量、模型庫(kù)鏈接所需的文件名和單元名等內(nèi)容構(gòu)成。以常用的樁基礎(chǔ)為例,詳見(jiàn)下方圖片所示。

基礎(chǔ)構(gòu)件庫(kù)管理界面

樁基礎(chǔ)參數(shù)化單元模型

設(shè)計(jì)邊界條件及專(zhuān)業(yè)間數(shù)據(jù)協(xié)同

橋梁總體布置和結(jié)構(gòu)形式的選取與橋址處地形、地質(zhì)條件、線路平面位置和縱斷面高程等設(shè)計(jì)邊界條件息息相關(guān)。如何快速準(zhǔn)確地獲取這些信息,是專(zhuān)業(yè)協(xié)同模塊需要解決的問(wèn)題。以下分別介紹地形面獲取、地質(zhì)信息獲取和線路信息獲取。

地形及線路信息獲取

線路平、縱信息可以采用圖形交互的方式獲取。打開(kāi)帶有特征屬性的線路曲線模型,點(diǎn)選橋梁設(shè)計(jì)所需的線路基準(zhǔn)線,程序根據(jù)選擇的曲線讀取對(duì)應(yīng)的線路平、縱斷面特征值(包括豎曲線變坡點(diǎn)高程和里程,平曲線要素等。地形模型采用與線路模型相同的操作方式進(jìn)行選擇,程序根據(jù)選擇的地形面獲取地形網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

線路和地形模型

線路平縱信息獲取

地質(zhì)信息獲取

地質(zhì)信息采取鏈接地質(zhì)模型的方式獲得,程序截取橋址里程范圍內(nèi)的地質(zhì)模型,讀取各地層的名稱(chēng)和附加于地層上的信息,進(jìn)而得到橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)所需的土層參數(shù)值。如需要某計(jì)算里程處的地質(zhì)信息,可采用抓取地層名稱(chēng)和高程的方式獲取。

橋址范圍內(nèi)地質(zhì)模型示例

獲取的地質(zhì)參數(shù)示例

梁式橋工點(diǎn)設(shè)計(jì)

獲取了橋址位置處的線路、地形、地質(zhì)、水文等設(shè)計(jì)信息后,即可根據(jù)上述邊界條件進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)。按照設(shè)計(jì)流程,橋梁工點(diǎn)設(shè)計(jì)內(nèi)容為:整體布置、墩臺(tái)選型及尺寸擬定、墩臺(tái)基礎(chǔ)選型及尺寸擬定、墩臺(tái)及基礎(chǔ)檢算。

整體布置

根據(jù)控制跨越點(diǎn)的里程和初步擬定的孔跨來(lái)確定橋梁的長(zhǎng)度、橋臺(tái)和橋墩的位置,這個(gè)過(guò)程中需考慮道路、水文、地質(zhì)、施工可行性等多方面的因素。

經(jīng)過(guò)多次試算調(diào)整后,確定最終的孔跨,借助于孔跨布置計(jì)算功能,能夠快速計(jì)算墩臺(tái)位置,實(shí)時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)覽�？卓绮贾糜�(jì)算需支持以直代曲、曲梁曲做、交點(diǎn)距定長(zhǎng)等布梁方式,并可以選取左線或右線為里程基準(zhǔn)線。

某簡(jiǎn)支梁橋以直代曲的孔跨布置結(jié)果

墩臺(tái)及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

此部分內(nèi)容包含墩臺(tái)、基礎(chǔ)的選型和檢算。根據(jù)墩臺(tái)的里程、線路信息、地形信息及設(shè)計(jì)基本信息(設(shè)計(jì)時(shí)速、地震動(dòng)分區(qū)等),程序自動(dòng)匹配符合條件的墩臺(tái)類(lèi)型,并結(jié)合線路高程和地形面高程給出推薦的墩臺(tái)高度。然后根據(jù)現(xiàn)行橋涵設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范進(jìn)行墩臺(tái)基礎(chǔ)的檢算,此過(guò)程可調(diào)用荷載組合模塊、墩臺(tái)檢算模塊、基礎(chǔ)檢算模塊、地質(zhì)信息提取模塊來(lái)完成墩臺(tái)基礎(chǔ)的檢算。計(jì)算過(guò)程中,程序可根據(jù)基礎(chǔ)所在位置自動(dòng)提取該處的地層信息。

橋臺(tái)設(shè)計(jì)界面

橋墩設(shè)計(jì)界面

三維信息模型創(chuàng)建

在設(shè)計(jì)過(guò)程中,用戶可以根據(jù)需求,實(shí)時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行創(chuàng)建預(yù)覽,從模型中查看橋梁的總體布置、橋臺(tái)的位置以及相關(guān)的設(shè)計(jì)信息。模型創(chuàng)建包含幾何模型和非幾何信息的創(chuàng)建。梁式橋BIM輔助設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)_17

某梁式橋設(shè)計(jì)模型

幾何模型的創(chuàng)建

根據(jù)構(gòu)件的特點(diǎn),幾何模型可劃分為簡(jiǎn)單模型的構(gòu)件庫(kù)引用和復(fù)雜模型的創(chuàng)建。復(fù)雜模型的創(chuàng)建是指對(duì)于連續(xù)結(jié)構(gòu)等幾何復(fù)雜形體(存在沿線變寬變高或其他的復(fù)雜幾何關(guān)系,用參數(shù)化單元的方式難以實(shí)現(xiàn)),針對(duì)特定類(lèi)型結(jié)構(gòu)編寫(xiě)的方法函數(shù)。

非幾何信息的創(chuàng)建

對(duì)梁式橋各組成構(gòu)件非幾何信息進(jìn)行研究和歸納后,將其信息類(lèi)型分為數(shù)值類(lèi)信息、字符類(lèi)信息、工程量類(lèi)信息三大類(lèi)。

模型的非幾何信息以附加屬性的方式附加于幾何模型上。

某軌道交通梁式橋橋墩非幾何屬性

工程數(shù)量清單計(jì)算

利用程序的工程數(shù)量計(jì)算功能,可實(shí)現(xiàn)工程數(shù)量的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì),縮短設(shè)計(jì)周期。工程數(shù)量采用編碼配合數(shù)量模板的方式進(jìn)行計(jì)算輸出。根據(jù)統(tǒng)計(jì)方法的不同,將工程數(shù)量分為構(gòu)件本體數(shù)量和需計(jì)算的相關(guān)數(shù)量?jī)煞N類(lèi)型。

構(gòu)件本體數(shù)量隨構(gòu)件庫(kù)進(jìn)行配置和管理,可實(shí)現(xiàn)工程數(shù)量項(xiàng)的靈活配置。

某類(lèi)型橋墩工程數(shù)量

對(duì)于需要計(jì)算的數(shù)量項(xiàng)(如基礎(chǔ)開(kāi)挖量),可將固定的計(jì)算規(guī)則編寫(xiě)到程序中進(jìn)行計(jì)算,每一工程數(shù)量項(xiàng)對(duì)應(yīng)唯一的程序內(nèi)部編碼。程序內(nèi)部編碼可采用配置映射關(guān)系的方式靈活關(guān)聯(lián)不同類(lèi)型的編碼 ,既可實(shí)現(xiàn)與工程數(shù)量模板的關(guān)聯(lián),又可掛接于模型上,滿足信息化交付要求。

基于橋梁專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)流程,結(jié)合BIM信息化技術(shù),選取軌道交通橋梁工程中占比超過(guò)80%的梁式橋結(jié)構(gòu)為代表 ,進(jìn)行BIM正向設(shè)計(jì)的軟件研發(fā)。提出了橋梁正向設(shè)計(jì)解決方案,開(kāi)發(fā)了具有構(gòu)件庫(kù)管理、橋梁布置計(jì)算、墩臺(tái)設(shè)計(jì)檢算、BIM信息模型創(chuàng)建、工程數(shù)量計(jì)算等功能的梁式橋輔助設(shè)計(jì)軟件。在橋梁與線路、地質(zhì)等專(zhuān)業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)方面,開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)級(jí)交互的協(xié)同模塊,打通了專(zhuān)業(yè)間與專(zhuān)業(yè)內(nèi)部的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)流。

梁式橋BIM正向設(shè)計(jì)軟件的研發(fā),為橋梁BIM正向設(shè)計(jì)落地提供了有效的工具,填補(bǔ)了BIM平臺(tái)軟件的短板,為其他BIM正向設(shè)計(jì)軟件的研發(fā)積累了經(jīng)驗(yàn)。