■ 傅萌萌 曾敏 黃衛(wèi) 劉振標

深茂鐵路潭江特大橋BIM設(shè)計研究

■ 傅萌萌 曾敏 黃衛(wèi) 劉振標

在BIM技術(shù)已經(jīng)成熟運用于制造業(yè)、建筑業(yè)等行業(yè)并取得頗豐成果后，將BIM技術(shù)引入鐵路橋梁工程的設(shè)計、施工中勢在必行。鐵路橋梁設(shè)計具有地質(zhì)情況復(fù)雜、與線路自適應(yīng)較差以及二維CAD出圖量大等特點，使BIM技術(shù)在鐵路橋梁中的應(yīng)用、推廣更為艱難。以深茂鐵路潭江特大橋為工程背景，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)設(shè)計的側(cè)重點不同，采用達索平臺多種設(shè)計軟件分項建立、交互整合全橋BIM模型，將BIM技術(shù)因地制宜地應(yīng)用在鐵路橋梁的正向設(shè)計中。

鐵路；橋梁工程；BIM；正向設(shè)計；碰撞檢查

隨著現(xiàn)代工程技術(shù)日新月異的發(fā)展，傳統(tǒng)計算數(shù)據(jù)輸出和二維圖形表達方式已經(jīng)不能滿足業(yè)主對工程設(shè)計、施工等環(huán)節(jié)的高效性要求，更不能滿足工程項目中上下游各專業(yè)、各環(huán)節(jié)順暢傳遞數(shù)字信息及統(tǒng)一管理的要求。BIM技術(shù)以建筑物的各項信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，進行建筑模型的建立，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息［1］。因此，將BIM技術(shù)引入鐵路工程中，是現(xiàn)代信息化鐵路設(shè)計的一項重大嘗試。以深茂鐵路潭江特大橋為項目依托，考慮到一般橋梁結(jié)構(gòu)和特殊橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計側(cè)重點的不同，選用不同BIM軟件更能發(fā)揮出各自設(shè)計優(yōu)勢，創(chuàng)新性提出多軟件分模塊設(shè)計的思想，取得了一定的階段性研究成果。

1 工程概況

深茂鐵路潭江特大橋橋址左岸位于江門市新會區(qū)會城街道南庚村，橋址右岸位于小岡鎮(zhèn)龍蟠里村附近，主橋采用（31.85+57+130+256+63.9）m獨塔混合梁斜拉橋，主梁全長540.55 m。主橋平面位于直線上，線間距4.4 m，主橋處縱斷面為平坡［2］。

基于本項目橋梁工點設(shè)計的特殊性，潭江橋引橋部分為常規(guī)簡支梁、中小跨度連續(xù)梁，采用Catia軟件設(shè)計，應(yīng)用知識工程生成橋墩、梁部等主體結(jié)構(gòu)，并在線路變動的情況下自適應(yīng)調(diào)整，實現(xiàn)橋梁的自動化正向設(shè)計。潭江橋主橋部分則采用（32+57+130+256+64）m獨塔混合梁斜拉橋，邊跨為混凝土箱梁，中跨采用鋼箱梁。主跨256 m為潭江通航孔，鋼-混結(jié)合面設(shè)置于10#墩頂處?？紤]主橋部分構(gòu)件繁多且均為非常規(guī)構(gòu)件，構(gòu)件間的空間邏輯關(guān)系復(fù)雜等特點，選用善于精細化表達的Solidworks軟件進行主橋的正向設(shè)計。

依據(jù)不同橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計需求及構(gòu)造特點的不同，在同一個工點設(shè)計下，分別應(yīng)用不同BIM軟件進行三維正向設(shè)計并最終整合，實現(xiàn)施工圖出圖、數(shù)據(jù)交互，后期指導(dǎo)施工及運維，在鐵路橋梁BIM設(shè)計中是一次創(chuàng)新性的挑戰(zhàn)。

2 Catia設(shè)計潭江特大橋引橋

針對潭江特大橋自身結(jié)構(gòu)特點，搭建參數(shù)化的構(gòu)件模板庫，利用知識工程將幾何變形、邏輯關(guān)系和外部輸入條件封裝在模板中，引進先進的骨架式建模思想，搭建全橋模型骨架，通過模板實例化現(xiàn)實構(gòu)件在三維空間的精準定位和自適用變形設(shè)計，并利用知識工程的黑盒功能對模板進行封裝，有效保護了設(shè)計人員的知識產(chǎn)權(quán)［3-4］。三維參數(shù)化建模成果見圖1。

Catia設(shè)計常規(guī)結(jié)構(gòu)引橋成功解決了橋梁對線路適應(yīng)性差、工作量繁重等設(shè)計技術(shù)難題。

圖1 潭江特大橋引橋模型

3 Solidworks設(shè)計潭江特大橋主橋

3.1 正向設(shè)計的參數(shù)化建模

由于橋梁復(fù)雜異性結(jié)構(gòu)多，“族”構(gòu)件庫基本空白，導(dǎo)致在設(shè)計過程中模型可重復(fù)利用性差，只有通過參數(shù)化建模才能實現(xiàn)設(shè)計方案的快速變更，提高生產(chǎn)效率。

Solidworks參數(shù)化建模功能，即通過修改預(yù)設(shè)待變參數(shù)值，由骨架式草圖驅(qū)動整體模型，在極短時間內(nèi)生成多個比選方案模型，再在BIM模型計算分析的基礎(chǔ)上選擇出最優(yōu)方案，大大減少傳統(tǒng)設(shè)計過程中由于比選方案的改動造成模型整體重建及圖紙大量變更所產(chǎn)生的重復(fù)性勞動，真正達到解放設(shè)計思想的目的。

骨架式草圖中參數(shù)設(shè)置應(yīng)綜合考慮橋梁結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計特點、施工過程及預(yù)設(shè)變量等因素。潭江特大橋為獨塔混合梁斜拉橋，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，鋼混結(jié)合段方案不穩(wěn)定，在設(shè)計過程中需要多方案比選，參數(shù)化建模保障了潭江特大橋BIM設(shè)計的高效性。該模型設(shè)置了橋梁凈空、橋面橫坡、鋼梁板厚、拉索方向、施工流程等可變參數(shù)組，通過改變草圖中的參數(shù)驅(qū)動三維BIM模型變動，實現(xiàn)了設(shè)計方案的快速變更。

3.2 結(jié)構(gòu)仿真分析

BIM技術(shù)使得結(jié)構(gòu)精細化應(yīng)力分析變得簡單高效。將三維BIM模型導(dǎo)入ANSYS、FEA等大型通用有限元分析軟件，省去在計算軟件中建模的繁瑣工作，并完全考慮加勁肋、過焊孔、拉索錨管開孔等細部構(gòu)造，真實反應(yīng)實際情況，大大節(jié)省局部應(yīng)力分析時間，結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化也更有效率。

本項目采用BIM三維模型直接對接大型有限元計算軟件，完成了橋塔錨固區(qū)應(yīng)力分析、混凝土梁段應(yīng)力分析、鋼箱梁細部構(gòu)造應(yīng)力及方案優(yōu)化研究等，體現(xiàn)了應(yīng)用BIM平臺正向設(shè)計鐵路橋梁的優(yōu)勢。潭江橋鋼箱梁模型導(dǎo)入FEA計算應(yīng)力示意見圖2。

3.3 碰撞檢查

由于三維模型中的構(gòu)件形狀、位置均與施工現(xiàn)場中的真實構(gòu)件一一對應(yīng)，可通過BIM三維模型發(fā)現(xiàn)項目在施工現(xiàn)場中可能出現(xiàn)的錯、漏、碰、缺等設(shè)計錯誤。大規(guī)模的自動化碰撞檢查可以優(yōu)化工程設(shè)計，減少在實際施工階段可能存在的錯誤損失和返工的可能性，達到降低項目成本的目的。

在潭江特大橋中應(yīng)用軟件的碰撞檢查功能（見圖3），檢查鋼混結(jié)構(gòu)段中鋼板剪力釘沖突及附屬結(jié)構(gòu)爬梯嵌入橋塔實體的情況。

3.4 施工圖出圖

圖2 鋼箱梁FEA計算應(yīng)力示意圖

鐵路工程設(shè)計通常以交付二維圖紙來展示橋梁結(jié)構(gòu)的空間布置及構(gòu)件大樣（見圖4），這種傳統(tǒng)意義上二維工程圖實際上是工程師通過空間想象將腦海中的三維模型投影、剖切到二維平面上的產(chǎn)物，相應(yīng)得到的二維圖紙表現(xiàn)能力及校核糾錯功能相比實際三維模型大打折扣。由BIM模型直接生成的圖紙則表現(xiàn)形式更為豐富，三維布置圖、預(yù)拼裝圖能精準無誤地表示各細部結(jié)構(gòu)的空間位置，二維剖面圖及大樣圖是由三維模型經(jīng)過計算機程序自動投影、剖切得到，比由人腦加工轉(zhuǎn)換得到的二維圖紙更加高效、精準，更便于其他人員再次復(fù)核。因此，不僅在空間構(gòu)造表現(xiàn)方面，三維圖紙有其絕對優(yōu)勢，而且在剖切示意及大樣展示方面，由自動生成的二維圖紙更能保證精確度。三維模型關(guān)聯(lián)工程圖紙的方式，在改善了出圖效能的同時也將工程師的工作重心真正意義地轉(zhuǎn)移到了設(shè)計上面。

圖3 干涉及碰撞檢查示意圖

圖4 潭江特大橋主橋段工程圖

3.5 材料信息賦予及工程數(shù)量統(tǒng)計

潭江特大橋BIM模型不僅包含幾何實體信息，更重要的是承載著材料屬性、拼裝序號等相關(guān)信息，達索平臺系列軟件的數(shù)據(jù)繼承性可將模型所有信息傳遞給下游專業(yè)，也能作為交付內(nèi)容提供給施工單位指導(dǎo)施工。潭江特大橋橋面板橫梁腹板屬性界面包含了幾何信息、材料信息、設(shè)計人員信息等（見圖5）。

在正向設(shè)計過程中，工程數(shù)量匯總作為串行設(shè)計流程的最后一道環(huán)節(jié)，由于其專業(yè)下游性，前面方案選定、結(jié)構(gòu)計算等環(huán)節(jié)稍有變動都會造成工程數(shù)量的改變。

由中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司橋梁院自主研發(fā)的Solidworks規(guī)格計算插件能智能測量構(gòu)件幾何信息，在預(yù)定義三維模型構(gòu)件材料屬性的前提下，能一次性計算并存儲所有構(gòu)件規(guī)格信息，自動生成工程數(shù)量總表，解決了人為算量的勞動力重復(fù)性、錯誤主觀性等問題。

3.6 指導(dǎo)施工工序

橋梁三維BIM模型除了能直觀展示各構(gòu)件空間位置及組裝形式，還可以引入時間因子，將BIM模型拓展為4D模型，即按現(xiàn)場實際施工工序模擬橋梁樁基、墩臺、梁部及橋面附屬等結(jié)構(gòu)的逐步施工過程。在潭江特大橋BIM設(shè)計中，應(yīng)用Solidworks軟件的爆炸功能模塊清晰直觀地展示了鋼混結(jié)合段、鋼梁段中各鋼板構(gòu)件的拼裝、焊接及混凝土澆筑順序，在模擬施工方案、優(yōu)化施工工序方面體現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。潭江特大橋某鋼箱梁節(jié)段爆炸狀態(tài)圖見圖6，動態(tài)回溯可演示該梁段的完整拼裝流程，并且拼裝視頻能用于指導(dǎo)工人施工操作、安全培訓(xùn)等。

圖5 鋼橋面板橫梁腹板屬性

圖6 鋼箱梁節(jié)段爆炸狀態(tài)圖

4 結(jié)論

在深茂鐵路潭江特大橋BIM試點項目中，應(yīng)用基于達索平臺的Catia及Solidworks軟件配合設(shè)計并指導(dǎo)施工，實現(xiàn)了不同軟件正向設(shè)計，從該項目的常規(guī)結(jié)構(gòu)及特殊結(jié)構(gòu)的混合設(shè)計中總結(jié)得出：

為充分發(fā)揮BIM軟件在橋梁正向設(shè)計上的應(yīng)用優(yōu)勢，采用2種側(cè)重點不同的軟件分別設(shè)計不同橋梁結(jié)構(gòu)，本項目選用同一達索平臺軟件，避免了BIM模型在整合中可能遇到的數(shù)據(jù)割裂、信息丟失等問題。

三維參數(shù)化設(shè)計在適應(yīng)橋梁設(shè)計多方案比選中起著至關(guān)重要的作用，不同于建筑BIM軟件平臺自帶成熟模塊庫的優(yōu)勢，橋梁專業(yè)推進BIM設(shè)計最大困難在于庫構(gòu)件的空白，而三維參數(shù)化設(shè)計使得常規(guī)構(gòu)件及可通用特殊構(gòu)件的重復(fù)利用變得可行，極大程度上改善了多方案比選的設(shè)計效率。

BIM設(shè)計不是單純的3D建模，雖然直觀空間模型可以表達出二維圖紙不善描述的構(gòu)造細節(jié)，也能通過干涉碰撞檢查發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的錯、漏、碰、缺，優(yōu)化設(shè)計細節(jié)，但BIM設(shè)計最突出的貢獻應(yīng)為信息交互，比如直接用于仿真設(shè)計計算、交付數(shù)據(jù)用于后期指導(dǎo)施工等［5］，這些特點在潭江特大橋中都得到了成功應(yīng)用。

［1］ 黃強. 論BIM［M］. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.

［2］ 曾敏. 潭江特大橋設(shè)計專題研究報告［R］. 武漢：中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，2015.

［3］ 張云杰. CATIA V5 R20高級應(yīng)用［M］. 北京：清華大學(xué)出版社，2011.

［4］ 楊詠漪，徐勇，陳列. 滬昆客專北盤江特大橋BIM應(yīng)用研究［J］. 鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2014（5）：54-58.

［5］ 劉延宏. EBS在鐵路工程建設(shè)管理中的應(yīng)用探討［J］.中國鐵路，2015（7）：62-65.

傅萌萌：中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，工程師，湖北 武漢，430063
曾 敏：中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，工程師，湖北 武漢，430063
黃 衛(wèi)：中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，高級工程師，湖北 武漢，430063
劉振標：中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，教授級高級工程師，湖北 武漢，430063

責任編輯 苑曉蒙

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1672-061X（2016）03-0058-04