■ 楊詠漪 徐勇 陳列

滬昆客專北盤江特大橋BIM應(yīng)用研究

■ 楊詠漪 徐勇 陳列

橋梁業(yè)與建筑業(yè)相比，具有與地形地質(zhì)結(jié)合緊密和二維出圖更為復(fù)雜等特點(diǎn)，BIM技術(shù)在橋梁領(lǐng)域的應(yīng)用國(guó)內(nèi)外尚處于起步階段。以滬昆客專北盤江特大橋?yàn)楣こ瘫尘?，采用達(dá)索平臺(tái)建立全橋BIM模型，并對(duì)BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)方面的應(yīng)用進(jìn)行了探索性研究。

橋梁工程；建筑信息模型；全壽命管理

信息技術(shù)已經(jīng)為制造業(yè)、電子業(yè)等行業(yè)帶來(lái)了革新性的變化，而BIM技術(shù)作為建筑業(yè)信息革命的核心，已經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)建筑業(yè)開始一場(chǎng)繼CAD技術(shù)革命后的又一場(chǎng)技術(shù)革命[1]。不久的將來(lái)，建筑業(yè)的生產(chǎn)效率必將在BIM技術(shù)的帶領(lǐng)與支持下得到極大提高，建筑生產(chǎn)方式也將隨著BIM技術(shù)的應(yīng)用及普及發(fā)生革命性的變化[2]。以主跨445 m的滬昆客專北盤江特大橋?yàn)楣こ瘫尘埃瑢?duì)BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)方面的應(yīng)用進(jìn)行探索性研究。

1 工程概況

北盤江特大橋是滬昆客專的控制性工程，建成后將成為世界上最大跨度的鋼筋混凝土拱橋之一。該橋在貴州省關(guān)嶺縣和晴隆縣之間跨越北盤江，主橋?yàn)?45 m上承式鋼筋混凝土拱橋，梁部孔跨布置為1-32 m+2-65 m T構(gòu)+8-42 m連續(xù)梁+2-65 m T構(gòu)+2-37 m連續(xù)梁[3]。北盤江特大橋效果圖見圖1。

2 BIM在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

北盤江特大橋造型復(fù)雜，拱圈為變高、變寬和空間扭曲的外包混凝土勁性骨架箱形結(jié)構(gòu)，其中拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)為1.6。拱圈中心跨度為445.00 m，矢高100.00 m。拱圈為單箱三室、等高度、變寬度箱體，高度9.00 m，拱頂315 m段為18.00 m等寬，拱腳65 m段為18.00～28.00 m變寬，拱圈變寬由左右兩個(gè)邊室的寬度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。拱箱中間箱室為9.80 m，左右兩個(gè)邊箱室為3.50～8.50 m變寬。

2.1 構(gòu)建三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)

圖1 北盤江特大橋效果圖

北盤江特大橋涉及測(cè)繪、線路、地質(zhì)、橋梁、隧道、軌道和路基等多個(gè)專業(yè)，需要建立統(tǒng)一的設(shè)計(jì)環(huán)境，并能對(duì)三維模型和零件進(jìn)行有效管理。因此，利用ENOVIA

VPM構(gòu)建三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)（見圖2），實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目數(shù)據(jù)可視化管理、完整變化的設(shè)計(jì)上下文環(huán)境、支持參考已有的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)知識(shí)模板重用、關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)、系統(tǒng)即時(shí)通知、設(shè)計(jì)任務(wù)轉(zhuǎn)移、CATIA應(yīng)用性能提升、離線設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)共享安全等目的。

2.2 地形、地質(zhì)建模

地形和地質(zhì)建模是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，開發(fā)了AutoCAD轉(zhuǎn)換插件，生成了CATIA能識(shí)別的點(diǎn)云文件，利用CATIA的逆向功能模塊構(gòu)建了復(fù)雜地形、地質(zhì)和水文實(shí)體。圖3是在3DVia Composer中采用爆炸視圖方式輕量化展現(xiàn)的地形、地質(zhì)和水文實(shí)體。

2.3 三維參數(shù)化建模

針對(duì)北盤江特大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，構(gòu)建參數(shù)化模板庫(kù)，利用知識(shí)工程將幾何變形、邏輯關(guān)系和外部輸入條件封裝在模板中，采用先進(jìn)的骨架式建模思想，建立全橋模型骨架，通過(guò)模板實(shí)例化實(shí)現(xiàn)構(gòu)件在三維空間的精準(zhǔn)定位和自適用變形設(shè)計(jì)，并利用知識(shí)工程的黑盒功能對(duì)模板進(jìn)行封裝，從而有效保護(hù)了設(shè)計(jì)人員的知識(shí)產(chǎn)權(quán)[4]。三維參數(shù)化建模見圖4—圖6。

2.4 二維出圖

將指定的三維模型在二維工程圖上投影、剖切并添加特定標(biāo)注構(gòu)建出二維工程圖模板，再使其與三維模型相關(guān)聯(lián)，從而快速生成二維工程圖。

2.5 工程量統(tǒng)計(jì)

圖2 三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)

圖3 地形、地質(zhì)和水文輕量化展示

圖4 部分三維參數(shù)化模型及模板

圖5 節(jié)段勁性骨架輕量化展示

圖6 最大施工階段模型

CATIA的BOM表統(tǒng)計(jì)功能只能對(duì)零件級(jí)別進(jìn)行工程量統(tǒng)計(jì)，針對(duì)這種情況，采用CAA[5]開發(fā)了CATIA工程量統(tǒng)計(jì)插件，該插件對(duì)產(chǎn)品樹下的零件和實(shí)體進(jìn)行遍歷統(tǒng)計(jì)，并定制了工程量輸出表格。

2.6 干涉及碰撞檢查通過(guò)碰撞檢查功能，可以檢測(cè)構(gòu)件的接觸和碰撞問(wèn)題（見圖7），從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的數(shù)字化預(yù)拼裝。

2.7 橋墩實(shí)體分析

利用CATIA的分析模塊，實(shí)現(xiàn)CAD與CAE的一體化。以交接墩為例，進(jìn)行背索優(yōu)化分析（見圖8），計(jì)算結(jié)果表明根部背索可以優(yōu)化。

2.8 海量數(shù)據(jù)管理

北盤江特大橋的BIM模型數(shù)據(jù)量超過(guò)4G，模型文件總量超過(guò)1萬(wàn)個(gè)，利用VPM（見圖9）采用如下方式減少了計(jì)算機(jī)資源消耗，可以使全橋模型在筆記本電腦上運(yùn)行：（1）高速緩存模式后臺(tái)實(shí)現(xiàn)模型輕量化；（2）上下文追加方式快速構(gòu)建設(shè)計(jì)環(huán)境；（3）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)卸載減輕計(jì)算機(jī)負(fù)擔(dān)。

2.9 數(shù)據(jù)命名規(guī)則

通過(guò)北盤江特大橋三維設(shè)計(jì)BIM應(yīng)用，初步制定了橋梁專業(yè)結(jié)構(gòu)樹、模板和文件命名規(guī)則。圖10為18位橋梁專業(yè)結(jié)構(gòu)樹命名規(guī)則，表1為文件后綴命名規(guī)則。

圖7 節(jié)段勁性骨架的干涉及碰撞檢查

圖8 交界墩背索優(yōu)化分析

3 BIM在施工中的應(yīng)用

3.1 制造一體化

利用NC加工模塊在BIM三維設(shè)計(jì)模型上添加加工制造信息，可以生成數(shù)控加工程序，并直接被數(shù)控加工設(shè)備識(shí)別使用。具體可以分為7個(gè)布置，制造一體化流程見圖11。

圖10 結(jié)構(gòu)樹命名規(guī)則

表1 文件后綴命名規(guī)則

圖11 制造一體化流程

（1）建立三維數(shù)模：數(shù)控加工技術(shù)一般都是從零件模型開始，因此零件三維模型是整個(gè)數(shù)控加工的基礎(chǔ)。

（2）加工工藝分析：主要分析零件加工工序、使用刀具、切削速度、主軸轉(zhuǎn)速等。

（3）工藝模型檢查。

（4）添加加工參數(shù)：加工參數(shù)主要包括加工對(duì)象、機(jī)床參數(shù)、加工操作、加工刀具、進(jìn)退刀路徑、刀具路徑等。

（5）生成加工刀路：設(shè)置生成加工的刀路。

（6）刀路仿真：刀路仿真可以模擬刀具切削過(guò)程，在刀路仿真中，可以檢查出切削情況，是否有過(guò)切或加工不到位，還可以對(duì)加工余量進(jìn)行分析。

（7）生成數(shù)控程序：CATIA V5提供強(qiáng)大的數(shù)控編程模塊，可以將刀路輸出為標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)控程序，這些數(shù)據(jù)可以直接輸入到數(shù)控設(shè)備中進(jìn)行數(shù)控加工。3.2 施工模擬

北盤江特大橋施工步驟特別多，全橋共211個(gè)施工階段，采用DELMIA和Composer對(duì)龍門吊預(yù)拼裝桿件、吊裝輔助定位、焊接、勁性骨架節(jié)段吊裝、拱圈外包混凝土和T構(gòu)掛籃施工等進(jìn)行模擬，并通過(guò)DELMIA實(shí)時(shí)仿真，檢查施工工序中不合理的地方。

4 BIM在運(yùn)維中的應(yīng)用

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)初步構(gòu)建了橋梁工程管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)以橋梁BIM模型為核心，將遠(yuǎn)程訪問(wèn)控制、模型管理、信息查詢、文檔管理、傳感器數(shù)據(jù)傳輸、施工控制、運(yùn)營(yíng)維護(hù)集為一體。系統(tǒng)整體架構(gòu)流程見圖12，主要采用如下架構(gòu)方式：

圖12 系統(tǒng)整體架構(gòu)流程

（1）整個(gè)系統(tǒng)主要基于微軟.NET架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，通過(guò).NET架構(gòu)實(shí)現(xiàn)后臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)及系統(tǒng)前端的應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)適用于Windows平臺(tái)的大型工程三維展示及BIM信息管理功能。系統(tǒng)基于C/S架構(gòu)，對(duì)大型三維場(chǎng)景應(yīng)用會(huì)有更好地支持并對(duì)BIM信息數(shù)據(jù)進(jìn)行更有效地展示。

（2）系統(tǒng)主要使用Microsoft SQL Server作為數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)除了能夠?qū)Υ罅繑?shù)據(jù)進(jìn)行處理外，對(duì)Windows平臺(tái)下的應(yīng)用也具有更好地支持。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)同樣支持Oracle等大型數(shù)據(jù)庫(kù)。

（3）對(duì)于三維模型的顯示，系統(tǒng)主要選用了能夠支持精確化的CAD三維模型顯示控件，能夠支撐從大型工程場(chǎng)景到精確化零部件展示的各個(gè)顯示級(jí)別。該顯示平臺(tái)本身也支持從CATIA三維BIM模型的直接導(dǎo)入，導(dǎo)入后的模型也包含了BIM模型本身的三維輪廓信息等重要數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)客戶端設(shè)計(jì)主要采用模塊插件式的開發(fā)，每個(gè)功能作為一個(gè)獨(dú)立應(yīng)用模塊，結(jié)構(gòu)權(quán)限模塊的管理，實(shí)現(xiàn)分用戶角色、用戶權(quán)限加載應(yīng)用模塊。后續(xù)新功能的開發(fā)也可以通過(guò)插件式架構(gòu)方式接入到系統(tǒng)中。圖13是橋梁工程管理系統(tǒng)的程序界面。

圖13 橋梁工程管理系統(tǒng)程序界面

5 結(jié)論

通過(guò)BIM技術(shù)在北盤江特大橋設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了該橋的全生命周期管理，可以得出以下結(jié)論：

（1）三維參數(shù)化設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)相比，可以更為快速地構(gòu)建全橋勁性骨架模型；

（2）采用ENOVIA VPM可以有效管理海量設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)間的協(xié)同設(shè)計(jì)；

（3）通過(guò)干涉碰撞檢查可以即時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中不合理的地方；

（4）基于.NET開發(fā)的橋梁工程管理系統(tǒng)可以有效進(jìn)行橋梁模型信息查詢、施工控制及運(yùn)維管理。

[1] 陳訓(xùn).建筑工程全壽命信息管理（BLM）思想和應(yīng)用的研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2006.

[2] 洪磊.BIM技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2012.

[3] 謝海清.北盤江特大橋鋼管混凝土勁性骨架設(shè)計(jì)專題研究報(bào)告[R].成都：中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，2012.

[4] 張?jiān)平?CATIA V5 R20高級(jí)應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[5] CAA V5 Encyclopedia.Dassault Systems[S]，2011.

楊詠漪：中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，高級(jí)工程師，四川 成都，610031

徐 勇：中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，教授級(jí)高級(jí)工程師，四川 成都，610031

陳 列：中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，教授級(jí)高級(jí)工程師，四川 成都，610031

責(zé)任編輯高紅義

U24

A

1672-061X（2014）05-0054-05