基于BIM的混凝土梁橋數(shù)字化設(shè)計(jì)

胡童云, 張文軒

(中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100010)

隨著建筑信息化的推進(jìn)，公路橋梁數(shù)字化設(shè)計(jì)是現(xiàn)今橋梁發(fā)展的重要課題?，F(xiàn)今橋梁設(shè)計(jì)普遍使用的是整理修改通用圖集的方式，工程項(xiàng)目通過(guò)平面圖紙的形式展現(xiàn)[1]。設(shè)計(jì)人員通過(guò)“反向BIM設(shè)計(jì)”的模式，通過(guò)二維圖紙?jiān)俳⑷S模型，最后根據(jù)修改意見(jiàn)對(duì)設(shè)計(jì)方案和模型進(jìn)行修改，直至設(shè)計(jì)完成[2]。在該模式中，BIM僅僅是作為確定設(shè)計(jì)方案的輔助工具。同時(shí)，在橋梁結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜、結(jié)構(gòu)線(xiàn)形變化多樣的今天，普通的二維設(shè)計(jì)逐漸暴露出它在指導(dǎo)施工方面的不足。根據(jù)歐美國(guó)家有關(guān)調(diào)查統(tǒng)計(jì)顯示，工程設(shè)計(jì)人員每天約有35%的工作時(shí)間花費(fèi)在查閱圖紙及相關(guān)資料上，這對(duì)設(shè)計(jì)資源浪費(fèi)嚴(yán)重[3]。針對(duì)該問(wèn)題，基于BIM技術(shù)的數(shù)字化設(shè)計(jì)給我們提供了解決辦法，通過(guò)優(yōu)化原有建模流程、建模方式，使工程師們能夠更加便捷、高效、精確的完成工作。

1 技術(shù)路線(xiàn)及關(guān)鍵技術(shù)

在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，Revit的軟件研發(fā)已經(jīng)碩果累累，僅國(guó)內(nèi)就有魯班、鴻業(yè)、橄欖山等公司開(kāi)發(fā)了針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的BIM軟件[4]。與之相比，Revit在橋梁工程領(lǐng)域的研發(fā)與應(yīng)用則十分有限，但許多基于CAD開(kāi)發(fā)的橋梁設(shè)計(jì)工具，如橋梁通、橋梁設(shè)計(jì)師等軟件已十分普及。Revit平臺(tái)和AutoCAD平臺(tái)同樣都擁有開(kāi)放、通用、穩(wěn)定的特征，Revit開(kāi)發(fā)與AutoCAD開(kāi)發(fā)是相似的，這就為本軟件的研發(fā)提供了基礎(chǔ)[5]。

基于C#語(yǔ)言，通過(guò)對(duì)Revit進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，建立的中小跨徑混凝土梁橋BIM參數(shù)化建模軟件OSIS-BIM，為混凝土梁橋的BIM設(shè)計(jì)提供一個(gè)簡(jiǎn)單、有效、快速的途徑。該軟件以數(shù)據(jù)為核心，采用面向模型對(duì)象的設(shè)計(jì)思想，各橋梁構(gòu)件間通過(guò)數(shù)據(jù)建立動(dòng)態(tài)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)模型的三維表達(dá)。

1.1 技術(shù)路線(xiàn)

對(duì)于中小跨徑橋梁工程，其設(shè)計(jì)目標(biāo)往往有很大的相似性，如跨徑為30m與跨徑為35m的小箱梁橋設(shè)計(jì)，工程師通常都會(huì)先對(duì)以往圖紙進(jìn)行查找，在已有類(lèi)似圖紙的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，這意味著太多數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程是基于以前設(shè)計(jì)資源的重用。橋梁通用圖中除了自身的幾何信息之外，還包含了許多額外信息，如橋梁的結(jié)構(gòu)造型、使用材料、工程概況等。對(duì)現(xiàn)有圖紙進(jìn)行積累分析，提取有效描述信息，構(gòu)造企業(yè)通用圖數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠在設(shè)計(jì)過(guò)程中幫助橋梁工程師快速匹配所需橋梁參數(shù)信息，通過(guò)對(duì)圖紙內(nèi)容的參考或修改完成設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)圖紙的重用[6]。

針對(duì)大量混凝土梁橋(包括混凝土箱梁、T梁、小箱梁)構(gòu)造及圖紙分類(lèi)研究，參照交通部通用圖已有的混凝土梁橋設(shè)計(jì)，對(duì)其根據(jù)截面形式、跨徑等參數(shù)信息進(jìn)行分類(lèi)，形成一套參數(shù)化構(gòu)件建模分類(lèi)體系，并通過(guò)對(duì)BIM軟件的二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)混凝土梁橋BIM數(shù)字化設(shè)計(jì)(圖1)。

圖1 技術(shù)路線(xiàn)

1.2 軟件關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 通用圖知識(shí)庫(kù)數(shù)字化管理

通用圖知識(shí)庫(kù)將橋梁設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與前期成熟的設(shè)計(jì)成果歸納存儲(chǔ)，以備再次設(shè)計(jì)橋梁時(shí)能夠重用。在知識(shí)庫(kù)的創(chuàng)建過(guò)程中，需要將標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)通用圖紙進(jìn)行參數(shù)化處理，抽取出共性信息，包含幾何模型、計(jì)算模型與鋼筋模型等固化到數(shù)據(jù)庫(kù)中。通過(guò)完整的參數(shù)描述通用圖中所表達(dá)的有用信息，是進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)的前提條件，這些設(shè)計(jì)參數(shù)將成為整個(gè)智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)處理的對(duì)象[7-8]。

同時(shí)，通用圖知識(shí)庫(kù)的建立和維護(hù)需要較好的技術(shù)組織和設(shè)計(jì)，這包括知識(shí)的組織管理、知識(shí)庫(kù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、知識(shí)的檢索機(jī)制、訪(fǎng)問(wèn)機(jī)制以及修改維護(hù)機(jī)制等。通過(guò)建立智能決策機(jī)制使通用圖知識(shí)庫(kù)成為橋梁設(shè)計(jì)人員的助手，為設(shè)計(jì)師提供一套完整的橋梁設(shè)計(jì)解決方案。設(shè)計(jì)師可以用通用圖知識(shí)庫(kù)中快速獲取需要的設(shè)計(jì)信息。同時(shí)每個(gè)設(shè)計(jì)師又是知識(shí)庫(kù)的數(shù)據(jù)源，通過(guò)后臺(tái)審核機(jī)制逐漸擴(kuò)充通用圖知識(shí)庫(kù)的種類(lèi)與大小。通過(guò)以上內(nèi)容形成通用圖數(shù)據(jù)的檢索、使用、校驗(yàn)、入庫(kù)的解決方案，以組織高價(jià)值資源支撐設(shè)計(jì)生產(chǎn)。

1.2.2IFC信息擴(kuò)展

IFC標(biāo)準(zhǔn)是一種公開(kāi)的，支持建筑數(shù)據(jù)在各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和管理的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，不同BIM軟件可以基于IFC數(shù)據(jù)源交換和共享。Revit軟件的信息表達(dá)同樣基于IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的拓展可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化模板的信息表達(dá)和信息共享。IFC的框架為模塊化設(shè)計(jì)，包括4個(gè)功能層次：資源層、核心層、交互層和領(lǐng)域?qū)?，其主要功能如?所示[9]。

表1 IFC功能層次及其作用

由于建筑信息量的巨大，面對(duì)復(fù)雜工程實(shí)際情況，IFC作為公開(kāi)的系標(biāo)準(zhǔn)提供了3種擴(kuò)展機(jī)制滿(mǎn)足工程需求：基于IfcProxy實(shí)體的擴(kuò)展機(jī)制，通過(guò)增加實(shí)體定義的擴(kuò)展機(jī)制和屬性集擴(kuò)展機(jī)制[10]。本文通過(guò)增加實(shí)體的方式構(gòu)建混凝土梁橋體系(圖2)。

圖2 通過(guò)數(shù)據(jù)構(gòu)件混凝土梁橋?qū)嶓w模型

2 軟件功能

OSIS-BIM軟件實(shí)現(xiàn)從道路路線(xiàn)、橋跨布置到每一聯(lián)橋的上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)和部分附屬結(jié)構(gòu)等BIM模型的參數(shù)化、快速化、智能化建立(圖3)。

圖3 軟件總體框架

2.1 路線(xiàn)與橋跨布置模塊

設(shè)計(jì)線(xiàn)模型是整個(gè)項(xiàng)目模型的基礎(chǔ)，Revit軟件中沒(méi)有線(xiàn)路設(shè)計(jì)模塊，以往的建模方式是從圖紙中提取樁基坐標(biāo)，依據(jù)下部計(jì)算結(jié)果從下向上進(jìn)行模型的搭建，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工作量大，且不符合橋梁設(shè)計(jì)的原則[11]。OSIS-BIM軟件可根據(jù)路線(xiàn)數(shù)據(jù)、跨徑布置數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)在Revit軟件中的跨徑布置，并且可以將該模塊中的總體數(shù)據(jù)傳遞至后續(xù)的上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)模塊中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從整體到局部的連通與流動(dòng)。OSIS-BIM軟件支持主流道路設(shè)計(jì)軟件EICAD等平曲線(xiàn)、縱曲線(xiàn)、地面線(xiàn)和超高數(shù)據(jù)文件的讀取，可在Revit軟件中根據(jù)路線(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)創(chuàng)建路線(xiàn)模型(圖4)。

圖4 跨徑布置思路

2.2 上部結(jié)構(gòu)模塊

該模塊主要為橋梁上部結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)建，通過(guò)跨徑、橋梁類(lèi)型、斜交角等用戶(hù)輸入數(shù)據(jù)，軟件自動(dòng)匹配通用圖數(shù)據(jù)中橋梁的構(gòu)造信息，包括梁斷面數(shù)據(jù)、縱向數(shù)據(jù)、橫梁數(shù)據(jù)以及梁端伸縮縫構(gòu)造數(shù)據(jù)等。Revit中采用(0,0)點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，在實(shí)際工程中坐標(biāo)系數(shù)值較大，程序通過(guò)設(shè)置項(xiàng)目基點(diǎn)的方式，將工程坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一扣減得到模型坐標(biāo)。OSIS-BIM通過(guò)創(chuàng)建自適應(yīng)常規(guī)模型的方式，從超高數(shù)據(jù)、斷面數(shù)據(jù)、縱向數(shù)據(jù)以及橫梁數(shù)據(jù)計(jì)算出所有關(guān)鍵截面處的數(shù)據(jù)對(duì)象，然后將截面對(duì)象放置在道路中心線(xiàn)上的空間實(shí)際位置，在自適應(yīng)族中進(jìn)行融合來(lái)生成初步模型，最后再結(jié)合梁端伸縮縫的信息，通過(guò)剪切連接等布爾運(yùn)算來(lái)生成最終模型(圖5)。

圖5 現(xiàn)澆箱梁BIM模型

這種采用標(biāo)準(zhǔn)截面+縱向變化的輸入方式，對(duì)于變梁高、變橋?qū)?、變板厚的梁橋，可省去在CAD中量取關(guān)鍵位置截面的梁寬、梁高等大量工作。程序可計(jì)算出任意截面的輪廓形狀，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)澆箱梁、預(yù)制箱梁、懸臂現(xiàn)澆梁、預(yù)制T梁和預(yù)制小箱梁等橋型的生成，并且適用于變高、變寬、變箱室、斜交、超高段和變懸臂等任意組合的異形構(gòu)件。

2.3 下部結(jié)構(gòu)模塊

該模塊主要包括橋臺(tái)、橋墩和承臺(tái)基礎(chǔ)族文件的批量調(diào)用、實(shí)例化放置、參數(shù)化修改尺寸，樁長(zhǎng)批量計(jì)算等功能。OSIS-BIM軟件根據(jù)路線(xiàn)數(shù)據(jù)和橋跨布置信息自動(dòng)生成橋梁墩臺(tái)的列表，程序會(huì)自動(dòng)讀取用戶(hù)積累的族文件，根據(jù)輸入信息進(jìn)行墩頂標(biāo)高等參數(shù)的參數(shù)計(jì)算，并創(chuàng)建相應(yīng)的墩臺(tái)族實(shí)例。軟件內(nèi)置實(shí)現(xiàn)了蓋梁柱式墩、獨(dú)柱墩、花瓶墩、樁柱式橋臺(tái)等結(jié)構(gòu)形式。同時(shí)支持用戶(hù)自定義族文件的添加，具有高擴(kuò)展性(圖6)。

圖6 橋墩尺寸參數(shù)輸入界面

下部結(jié)構(gòu)的墩頂標(biāo)高和承臺(tái)標(biāo)高均可根據(jù)梁寬、梁高、橫坡以及基礎(chǔ)埋深等參數(shù)自動(dòng)計(jì)算，并且這些參數(shù)均由橋跨布置數(shù)據(jù)和上部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳遞得到，可有效減少在CAD中量取參數(shù)的工作以及在Excel表格中計(jì)算標(biāo)高等工作(圖7)。

圖7 樁長(zhǎng)批量計(jì)算界面

針對(duì)傳統(tǒng)樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告數(shù)據(jù)分析計(jì)算，計(jì)算工作大量且繁瑣，面對(duì)地質(zhì)勘探報(bào)告數(shù)據(jù)的二次增加，設(shè)計(jì)人員需重新進(jìn)行樁長(zhǎng)計(jì)算或復(fù)核工作的問(wèn)題[12]。下部計(jì)算模塊結(jié)合橋跨布置信息與下部結(jié)構(gòu)參數(shù)，提供單樁承載力檢算批量計(jì)算功能，用戶(hù)可建立項(xiàng)目地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，輸入樁基總體信息、土層分布指標(biāo)、巖層分布指標(biāo)、鉆孔信息等內(nèi)容，程序?qū)γ總€(gè)樁基自動(dòng)匹配最近的鉆孔地質(zhì)信息進(jìn)行創(chuàng)建承載力檢算，并輸出樁長(zhǎng)計(jì)算信息。

2.4 通用功能模塊

該模塊可通過(guò)導(dǎo)入用戶(hù)自定義的參數(shù)化族截面和路線(xiàn)數(shù)據(jù)來(lái)生成粗略模型，可用于箱梁、涵洞等結(jié)構(gòu)的BIM模型創(chuàng)建。也支持通過(guò)導(dǎo)入用戶(hù)自定義的參數(shù)化族截面和用戶(hù)選擇結(jié)構(gòu)邊線(xiàn)或模型線(xiàn)等來(lái)生成粗略模型，可用于橋梁護(hù)欄等結(jié)構(gòu)的BIM模型創(chuàng)建。

2.5 族庫(kù)管理模塊

族庫(kù)管理系統(tǒng)作為收集、處理、分享、再利用一個(gè)組織的全部知識(shí)的信息系統(tǒng)，對(duì)組織中大量的有價(jià)值成果、經(jīng)驗(yàn)等知識(shí)進(jìn)行分類(lèi)存儲(chǔ)和管理，積累知識(shí)資產(chǎn)，促進(jìn)知識(shí)的學(xué)習(xí)、共享、培訓(xùn)、再利用和創(chuàng)新，有效降低組織運(yùn)營(yíng)成本，強(qiáng)化其核心競(jìng)爭(zhēng)力的管理方法[13](圖8)。

圖8 族庫(kù)管理界面

OSIS-BIM軟件族庫(kù)管理平臺(tái)對(duì)接企業(yè)族庫(kù)管理云平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)企業(yè)對(duì)族文件的集中存儲(chǔ)、共享與調(diào)用，實(shí)現(xiàn)企業(yè)對(duì)族庫(kù)文件的規(guī)范化管理。設(shè)計(jì)人員可以按照不同權(quán)限使用企業(yè)已有族文件，進(jìn)而提高設(shè)計(jì)效率、保障交付成果的規(guī)范性與完整性。該模塊支持按目錄查詢(xún)、單文件導(dǎo)入及目錄批量導(dǎo)入，可直接在Revit環(huán)境中插入族實(shí)例，并且擁有完善的人員管理體系，對(duì)族文件的使用采用角色授權(quán)方式，確保企業(yè)模型構(gòu)件的統(tǒng)一規(guī)范管理。除此之外，用戶(hù)可將族庫(kù)管理里中的族文件擴(kuò)充至該軟件下部結(jié)構(gòu)模塊中來(lái)實(shí)現(xiàn)橋墩、橋臺(tái)以及基礎(chǔ)類(lèi)型的擴(kuò)展。

3 應(yīng)用效果

在實(shí)體工程項(xiàng)目，針對(duì)其引橋和互通區(qū)的箱梁橋中應(yīng)用OSIS-BIM建模軟件，通過(guò)參數(shù)化輸入結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)目中梁橋BIM模型的快速化建立。使建立一座箱橋梁的精細(xì)化模型用時(shí)從7h銳減至7min，效率極大提高。同時(shí)通過(guò)該參數(shù)化軟件可積累結(jié)構(gòu)化、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，構(gòu)建橋梁設(shè)計(jì)的通用圖知識(shí)庫(kù)，為實(shí)現(xiàn)橋梁的智能設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐(圖9)。

圖9 混凝土箱梁BIM模型

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以混凝土梁橋?yàn)槔剿髁艘惶走m用于混凝土梁橋的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)從道路路線(xiàn)、橋跨布置到每一聯(lián)橋的上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)和部分附屬結(jié)構(gòu)等BIM模型的參數(shù)化、數(shù)字化、智能化建立。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包含：

(1)改變了現(xiàn)階段BIM設(shè)計(jì)生產(chǎn)方式，所有的輸入?yún)?shù)均為設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的變寬超高箱梁橋，參數(shù)輸入量少，模型生成速度快，減少時(shí)間成本。

(2)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)從整體到細(xì)節(jié)傳遞，打破設(shè)計(jì)、BIM與數(shù)據(jù)的隔閡。參數(shù)數(shù)據(jù)可由總體的橋跨布置傳遞至上部結(jié)構(gòu)，再傳遞至下部結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的流動(dòng)，無(wú)需重復(fù)輸入。

(3)具有高擴(kuò)展性，支持用戶(hù)自定義族文件的添加來(lái)不斷豐富軟件中橋梁墩臺(tái)和基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型。

(4)該軟件將橋梁數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化，將會(huì)積累大量橋梁專(zhuān)業(yè)的信息數(shù)據(jù)，扮演著數(shù)據(jù)采集者的角色。積累的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)可為基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)與大數(shù)據(jù)的鏈接及相互作用做前期準(zhǔn)備工作，為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)受益于大數(shù)據(jù)庫(kù)奠定了基礎(chǔ)，對(duì)提高我國(guó)橋梁設(shè)計(jì)數(shù)字化和智能化水平具有重要意義。