軌道交通梁式橋BIM輔助設計軟件開發(fā)研究

韓廣暉 宋 浩

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

在單體建筑BIM技術向軌道交通工程項目的推廣應用過程中[7]，許多業(yè)內人士進行了一些探討，如柳龍[10]利用Dynamo對橋梁BIM構件進行定位，實現(xiàn)了橋梁BIM模型的快速創(chuàng)建。劉彥明[1]結合銀西高速鐵路項目，給出了鐵路橋梁BIM設計系統(tǒng)開發(fā)的主要技術特征。齊成龍[11]基于達索/CAA二次開發(fā)的橋墩批量實例化程序，實現(xiàn)了全橋橋墩模型的快速建立。目前，現(xiàn)有的主流BIM平臺軟件(AutoDesk、Bentley、Dassault)缺乏高效的橋梁專業(yè)設計輔助工具[4]，部分BIM設計只能依靠翻模的方式完成。這種“為了BIM而BIM”的方式，不僅不能提高設計效率和質量，反而會給工程設計人員帶來額外的負擔。

以往研究涉及到橋梁BIM建模方法的居多，而對專業(yè)間協(xié)同設計及橋梁設計、建模、算量一體化程序開發(fā)的研究較少。因此，研發(fā)符合專業(yè)設計習慣和設計流程的輔助設計軟件[3]，對提高設計效率和設計質量意義重大[5]。

梁式橋在綜合鐵路、地鐵、輕軌和單軌等軌道交通工程中大量存在，具有數(shù)量多、組成構件標準化等特點，適合采用軟件開發(fā)的方式加以解決。結合京張高鐵、鄭濟鐵路、蕪湖跨坐式軌道交通等工程項目，選取Microstation作為BIM模型承載平臺軟件，采用二次開發(fā)的方式進行梁式橋輔助設計軟件研發(fā)。

2 軟件的研發(fā)思路

橋梁設計是生產橋梁設計信息數(shù)據(jù)的過程，無論是二維的圖紙及相關符號和文字說明，還是三維的模型及附加信息，都是設計成果的表達。輔助設計軟件是為了幫助設計人員更快速、高效和準確地完成設計信息的生產和表達。軟件的研發(fā)應遵循回歸建筑信息模型(Building Information Modeling)的基本理念[2]，以信息為中心，用圖紙或模型來承載和表達信息。結合梁式橋的結構組成和設計流程，將梁式橋設計過程中所需的信息進行分類和結構化，對梁式橋各組成部分進行結構分解，拆分成如梁部、橋墩、橋臺、基礎等基本組成構件。

采用面向對象的方式對各種設計信息和結構構件進行結構化數(shù)據(jù)組織，結合設計流程，編寫接口或設計模塊，進行數(shù)據(jù)的交互和計算加工。設計人員在使用軟件的過程中，僅需填寫或選擇少量的參數(shù)，即可完成一座橋的設計工作，利用BIM可視化的特性，可以對設計模型進行實時查看和修改?；凇癇IM模型是設計信息的表達”理念，模型由數(shù)據(jù)來驅動、生成和修改，相應非幾何信息的賦予也由數(shù)據(jù)驅動完成。

根據(jù)梁式橋多采用標準化構件的特點和積累工程項目數(shù)據(jù)的需要，采用了數(shù)據(jù)庫的方式對構件數(shù)據(jù)進行管理。在軟件的使用過程中，首先訪問數(shù)據(jù)庫，讀取構件的信息，利用數(shù)據(jù)庫中的構件開展設計。隨著項目的進行，構件庫也逐漸得到積累和完善。

2.1 軟件的功能定位

根據(jù)梁式橋的設計習慣，設計內容可分為工點總體設計和構件設計兩部分。工點總體設計的內容包括全橋孔跨布置、下部結構和基礎設計、工程數(shù)量計算等。構件的設計包括整個項目采用的梁部、橋墩、橋臺、基礎等構件的標準設計。在綜合鐵路的設計中，多采用行業(yè)參考圖；在地鐵、輕軌、單軌等設計中，為了統(tǒng)一和標準化，多采用項目參考圖。工點總體設計引用了標準構件的設計成果，采用“搭積木”的方式進行。輔助設計軟件可實現(xiàn)總體設計所需的全橋孔跨布置、下部結構和基礎的設計、工程數(shù)量的計算、BIM模型的創(chuàng)建等功能。

2.2 軟件基本框架

輔助設計軟件的基本流程如圖1所示。依據(jù)功能分為以下六大部分：基本組成構件數(shù)據(jù)庫的管理模塊、邊界設計條件設置和專業(yè)協(xié)同模塊、橋梁孔跨布置模塊、墩臺及基礎設計計算模塊、三維信息模型控制模塊、工程數(shù)量清單計算模塊。

圖1 軟件基本流程

3 軟件的模塊組成

根據(jù)橋梁設計流程，軟件的功能可劃分為：設計基本條件(包含內部和外部)、設計計算部分、設計結果輸出三大塊內容。其中設計基本條件包含橋位處的地形資料、地質資料、線路資料、水文資料、環(huán)境資料，以及橋梁自身墩、臺、梁的選取，橋梁孔跨布置等。設計計算部分包含墩臺里程計算、設計荷載組合、墩臺結構檢算、基礎計算。設計結果的輸出包含生成工程數(shù)量清單、生成BIM信息模型等。

3.1 構件數(shù)據(jù)庫管理

對梁部、橋墩、橋臺、基礎等基本組成構件進行抽象化分解，在程序的實現(xiàn)中分別對應梁類、橋墩類、橋臺類、基礎類，每種類型由該類型包含的數(shù)據(jù)和方法組成，數(shù)據(jù)中包含構件的幾何參數(shù)、設計信息、圖塊和模型信息、工程數(shù)量信息等。上述構件信息以數(shù)據(jù)庫和構件單元庫的方式進行存儲，便于編輯和管理。以梁部、橋墩、基礎為例，對構件的管理進行介紹。

(1)梁部構件庫管理

梁部構件由梁部類型(如簡支梁、連續(xù)梁、連續(xù)剛構等)、幾何參數(shù)、工程數(shù)量、模型庫鏈接所需的文件名和單元名等內容構成，梁庫管理界面如圖2所示，鏈接的梁部模型以簡支梁為例，如圖3所示。

圖2 梁部構件庫管理界面

圖3 簡支梁共享單元模型

(2)橋墩構件庫管理

橋墩構件由頂帽、墩身的幾何參數(shù)、橋墩計算信息、模型庫鏈接所需的文件名和單元名等內容構成。以重力式實體墩為例，橋墩庫管理界面如圖4所示，鏈接的橋墩模型示例如圖5所示，頂帽模型示例如圖6所示。

圖4 橋墩構件庫管理界面

圖5 墩身參數(shù)化單元模型

圖6 頂帽共享單元模型

(3)基礎構件庫管理

基礎構件由基礎的類型(如樁基、擴基、挖井等)、幾何參數(shù)、工程數(shù)量、模型庫鏈接所需的文件名和單元名等內容構成。以常用的樁基礎為例，其管理界面如圖7所示，鏈接的基礎模型如圖8所示。

3.2 設計邊界條件及專業(yè)間數(shù)據(jù)協(xié)同

橋梁總體布置和結構形式的選取與橋址處地形、地質條件、線路平面位置和縱斷面高程等設計邊界條件息息相關[9]。如何快速準確地獲取這些信息，是專業(yè)協(xié)同模塊需要解決的問題。以下分別介紹地形面獲取、地質信息獲取和線路信息獲取。

(1)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。打開帶有特征屬性的線路曲線模型，點選橋梁設計所需的線路基準線(如圖9所示)，程序根據(jù)選擇的曲線讀取對應的線路平、縱斷面特征值(包括豎曲線變坡點高程和里程，平曲線要素等，如圖10所示)。地形模型采用與線路模型相同的操作方式進行選擇，程序根據(jù)選擇的地形面獲取地形網格數(shù)據(jù)。

圖9 線路和地形模型

圖10 線路平縱信息獲取

(2)地質信息獲取

地質信息采取鏈接地質模型(如圖11所示)的方式獲得，程序截取橋址里程范圍內的地質模型，讀取各地層的名稱和附加于地層上的信息，進而得到橋梁基礎設計所需的土層參數(shù)值(如圖12所示)。如需要某計算里程處的地質信息，可采用抓取地層名稱和高程的方式獲取。

圖11 橋址范圍內地質模型示例

圖12 獲取的地質參數(shù)示例

3.3 梁式橋工點設計

獲取了橋址位置處的線路、地形、地質、水文等設計信息后，即可根據(jù)上述邊界條件進行橋梁設計。按照設計流程，橋梁工點設計內容為：整體布置、墩臺選型及尺寸擬定、墩臺基礎選型及尺寸擬定、墩臺及基礎檢算。

(1)整體布置

根據(jù)控制跨越點的里程和初步擬定的孔跨來確定橋梁的長度、橋臺和橋墩的位置，這個過程中需考慮道路、水文、地質、施工可行性等多方面的因素。

經過多次試算調整后，確定最終的孔跨，借助于孔跨布置計算功能，能夠快速計算墩臺位置，實時進行動態(tài)預覽?？卓绮贾糜嬎阈柚С忠灾贝?、曲梁曲做、交點距定長等布梁方式，并可以選取左線或右線為里程基準線。圖13為某簡支梁橋以直代曲的孔跨布置結果。

圖13 以直代曲孔跨布置計算結果

(2)墩臺及基礎設計

此部分內容包含墩臺、基礎的選型和檢算。根據(jù)墩臺的里程、線路信息、地形信息及設計基本信息(設計時速、地震動分區(qū)等)，程序自動匹配符合條件的墩臺類型，并結合線路高程和地形面高程給出推薦的墩臺高度。然后根據(jù)現(xiàn)行橋涵設計的相關規(guī)范[12-14]進行墩臺基礎的檢算，此過程可調用荷載組合模塊、墩臺檢算模塊、基礎檢算模塊、地質信息提取模塊來完成墩臺基礎的檢算。計算過程中，程序可根據(jù)基礎所在位置自動提取該處的地層信息。圖14和圖15分別為橋臺、橋墩設計界面。

圖14 橋臺設計界面

圖15 橋墩設計界面

3.4 三維信息模型創(chuàng)建

在設計過程中，用戶可以根據(jù)需求，實時對設計模型進行創(chuàng)建預覽(如圖16所示)，從模型中查看橋梁的總體布置、橋臺的位置以及相關的設計信息。模型創(chuàng)建包含幾何模型和非幾何信息的創(chuàng)建。

圖16 某梁式橋設計模型

(1)幾何模型的創(chuàng)建

根據(jù)構件的特點，幾何模型可劃分為簡單模型的構件庫引用和復雜模型的創(chuàng)建。復雜模型的創(chuàng)建是指對于連續(xù)結構等幾何復雜形體(存在沿線變寬變高或其他的復雜幾何關系，用參數(shù)化單元的方式難以實現(xiàn))，針對特定類型結構編寫的方法函數(shù)。

(2)非幾何信息的創(chuàng)建

對梁式橋各組成構件非幾何信息進行研究和歸納后，將其信息類型分為數(shù)值類信息、字符類信息、工程量類信息三大類。

模型的非幾何信息以附加屬性的方式附加于幾何模型上，某軌道交通橋墩非幾何屬性如圖17所示。

圖17 某軌道交通梁式橋橋墩非幾何屬性

3.5 工程數(shù)量清單計算

利用程序的工程數(shù)量計算功能，可實現(xiàn)工程數(shù)量的實時統(tǒng)計，縮短設計周期。工程數(shù)量采用編碼配合數(shù)量模板的方式進行計算輸出。根據(jù)統(tǒng)計方法的不同，將工程數(shù)量分為構件本體數(shù)量和需計算的相關數(shù)量兩種類型。

圖18 某類型橋墩工程數(shù)量

構件本體數(shù)量隨構件庫進行配置和管理，可實現(xiàn)工程數(shù)量項的靈活配置，圖18為某類型橋墩的工程數(shù)量。對于需要計算的數(shù)量項(如基礎開挖量)，可將固定的計算規(guī)則編寫到程序中進行計算，每一工程數(shù)量項對應唯一的程序內部編碼。程序內部編碼可采用配置映射關系的方式靈活關聯(lián)不同類型的編碼[14]，既可實現(xiàn)與工程數(shù)量模板的關聯(lián)，又可掛接于模型上，滿足信息化交付要求[6]。

4 總結

基于橋梁專業(yè)的設計流程，結合BIM信息化技術，選取軌道交通橋梁工程中占比超過80%的梁式橋結構為代表[1]，進行BIM正向設計的軟件研發(fā)。提出了橋梁正向設計解決方案，開發(fā)了具有構件庫管理、橋梁布置計算、墩臺設計檢算、BIM信息模型創(chuàng)建、工程數(shù)量計算等功能的梁式橋輔助設計軟件。在橋梁與線路、地質等專業(yè)的協(xié)同設計方面，開發(fā)了數(shù)據(jù)級交互的協(xié)同模塊，打通了專業(yè)間與專業(yè)內部的設計數(shù)據(jù)流。梁式橋BIM正向設計軟件的研發(fā)，為橋梁BIM正向設計落地提供了有效的工具，填補了BIM平臺軟件的短板，為其他BIM正向設計軟件的研發(fā)積累了經驗。