潘永杰，蘇永華，魏乾坤，賈王育，郭 維

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，鐵道建筑研究所,北京 100081)

目前我國(guó)高速鐵路橋梁以預(yù)制架設(shè)的32m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁為主，箱梁設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、預(yù)制的工廠化、運(yùn)架的機(jī)械化等技術(shù)為高速鐵路規(guī)?；ㄔO(shè)提供了保證。隨著高速鐵路建設(shè)的縱深發(fā)展，中西部地區(qū)高速鐵路建設(shè)逐年增多，為降低高墩橋梁以及軟基沉陷地區(qū)深基礎(chǔ)橋梁的工程造價(jià)，在既有成果積累的基礎(chǔ)上，我國(guó)開展了40m大跨度預(yù)制簡(jiǎn)支梁成套技術(shù)研究和應(yīng)用推廣工作[1]。

本文開展了BIM技術(shù)在40m簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)中的研究和應(yīng)用工作，涉及模型結(jié)構(gòu)[5]分解、精細(xì)化BIM模型構(gòu)建和BIM設(shè)計(jì)交底系統(tǒng)研發(fā)3個(gè)方面，以期為全生命周期BIM模型使用和信息流轉(zhuǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 面向裝配化的模型結(jié)構(gòu)分解

高速鐵路40 m簡(jiǎn)支梁具有跨度大、技術(shù)含量高等特點(diǎn)，反映到BIM模型上則表現(xiàn)出模型體量大、構(gòu)成單元多、層級(jí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特性，因此制定一套完整、規(guī)范的模型結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。借鑒制造業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)管理方式，采用“基于BOM(Bill of Material)”模式對(duì)40 m簡(jiǎn)支梁進(jìn)行模型結(jié)構(gòu)分解，一方面依據(jù)設(shè)計(jì)固有表達(dá)方式，體現(xiàn)詳細(xì)的構(gòu)造細(xì)節(jié)，準(zhǔn)確反映設(shè)計(jì)意圖；另一方面考慮簡(jiǎn)支梁制造、運(yùn)輸、架設(shè)乃至運(yùn)營(yíng)一體化管理和模型精細(xì)度的對(duì)應(yīng)要求，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)傳遞和信息集成的渠道貫通，并為后期運(yùn)營(yíng)提供數(shù)據(jù)信息接口，統(tǒng)籌全生命周期的應(yīng)用需求。

為此，將40 m簡(jiǎn)支梁視為裝配化的綜合平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)不同構(gòu)件層級(jí)的裝配化：①充分考慮簡(jiǎn)支梁制造需求，提供如預(yù)應(yīng)力自動(dòng)張拉[6]、管道智能壓漿[7]等施工數(shù)據(jù)匹配的對(duì)象實(shí)體，將簡(jiǎn)支梁主體結(jié)構(gòu)合理拆分，形成面向裝配化的主梁結(jié)構(gòu)；②考慮鐵路不同結(jié)構(gòu)形式的常用跨度簡(jiǎn)支梁應(yīng)用模式，搭載附屬設(shè)施(包括線路結(jié)構(gòu))產(chǎn)品庫(kù)，對(duì)簡(jiǎn)支梁主體結(jié)構(gòu)與附屬設(shè)施進(jìn)行一體化BIM設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)兩者的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和模塊化的靈活組裝。

模型結(jié)構(gòu)分解的具體原則如下：①涵蓋40 m簡(jiǎn)支梁綜合平臺(tái)的所有組成單元，并賦予唯一編碼標(biāo)識(shí)；②清晰地劃分層級(jí)結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系，為不同業(yè)務(wù)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享、集成和追溯提供實(shí)體；③作為制造階段計(jì)劃編制、物料領(lǐng)用、成本核算等過程管控對(duì)象的最小劃分粒度，為精細(xì)化管理提供條件。

按照上述原則，將40 m簡(jiǎn)支梁分為主梁、支座和附屬設(shè)施3大類。根據(jù)具體工程項(xiàng)目采用不同的通用圖靈活組合裝配，輸出40 m簡(jiǎn)支梁不同結(jié)構(gòu)形式的整體BIM設(shè)計(jì)模型。主梁信息模型結(jié)構(gòu)分解如圖1所示。

屬性信息的定義和賦加是設(shè)計(jì)階段BIM應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到后續(xù)信息流轉(zhuǎn)和應(yīng)用效率?；诖_定的模型結(jié)構(gòu)劃分，梳理簡(jiǎn)支梁構(gòu)成單元的設(shè)計(jì)信息，如表1所示。

圖1 40 m簡(jiǎn)支梁主梁信息模型結(jié)構(gòu)分解

構(gòu)成單元名稱設(shè)計(jì)信息基本信息技術(shù)參數(shù)工程數(shù)量梁體混凝土單元名稱、單元編號(hào)、IFD(International Framework for Dictionaries)編碼、梁體長(zhǎng)度、橋面寬度、底板寬度、梁體高度材料、強(qiáng)度等級(jí)、設(shè)計(jì)彈性模量梁端防水層單元名稱、單元編號(hào)、IFD編碼、防水層厚度材料、設(shè)置位置、設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線單元名稱、單元編號(hào)、IFD編碼、根數(shù)、設(shè)計(jì)長(zhǎng)度、公稱直徑材料、對(duì)應(yīng)二期恒載分級(jí)、規(guī)格、公稱直徑、下料長(zhǎng)度、工作長(zhǎng)度、伸長(zhǎng)值、不同張拉階段標(biāo)識(shí)、不同張拉階段順序號(hào)、不同階段錨外控制應(yīng)力、不同階段錨外張拉力設(shè)計(jì)工程量、單位管道壓漿單元名稱、單元編號(hào)、IFD編碼、設(shè)計(jì)長(zhǎng)度材料、強(qiáng)度等級(jí)支座預(yù)埋件單元名稱、單元編號(hào)、IFD編碼、長(zhǎng)度、寬度、厚度、材料、防腐措施鋼筋單元名稱、單元編號(hào)、IFD編碼、直徑、根數(shù)、長(zhǎng)度材料、規(guī)格支座單元名稱、單元編號(hào)、IFD編碼、支座板幾何尺寸、支座高度材料、規(guī)格型號(hào)、適用動(dòng)峰值加速度、支座設(shè)計(jì)豎向承載力、支座設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角、支座設(shè)計(jì)位移(順橋向、橫橋向)

IFD編碼[8]是構(gòu)成單元的基本信息之一，在分類、統(tǒng)計(jì)中發(fā)揮重要作用。橋梁構(gòu)件模型結(jié)構(gòu)分解一般基于《鐵路工程信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》(1.0版)中的53表，按照功能特征對(duì)構(gòu)件進(jìn)行分類，但對(duì)單獨(dú)的箱梁梁體不完全適用?？紤]到梁體結(jié)構(gòu)由多種鐵路工程產(chǎn)品構(gòu)成，結(jié)合53表及擴(kuò)展補(bǔ)充58表的分類，編制完成每一類構(gòu)成單元的編碼。

2 BIM模型構(gòu)建

受BIM技術(shù)成熟度和管理交付模式所限，BIM正向設(shè)計(jì)還處于探索階段，目前仍以翻模為主。40 m簡(jiǎn)支梁BIM模型構(gòu)建也是采取此種模式。本文基于CATIA軟件進(jìn)行建模，涉及模型精度[9]和衍生的產(chǎn)品庫(kù),具體要求為：①按照LOD3.5模型精度[1]對(duì)混凝土梁體、普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力筋、輕質(zhì)橋面、近軌矮屏障、無(wú)砟軌道等構(gòu)成單元進(jìn)行精細(xì)化建模，建模過程中開展信息集成、碰撞檢查、方案優(yōu)化、工程量統(tǒng)計(jì)等輔助設(shè)計(jì)工作；②立足裝配化思想，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品開展參數(shù)化建模，逐漸積累鐵路簡(jiǎn)支梁的配套產(chǎn)品庫(kù)。

2.1 基于BIM的設(shè)計(jì)優(yōu)化

通過圖紙審核和模型碰撞實(shí)現(xiàn)基于BIM的設(shè)計(jì)優(yōu)化。首先根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行BIM建模，基本原則是保持與二維設(shè)計(jì)圖紙的一致性，建模過程完成圖紙的校核；然后通過BIM技術(shù)進(jìn)行碰撞檢測(cè)，輸出分析報(bào)告，反饋至專業(yè)設(shè)計(jì)人員，由其確定修改方案，進(jìn)而更新BIM模型，優(yōu)化二維設(shè)計(jì)圖紙。重復(fù)上述過程，直至二維設(shè)計(jì)圖紙差錯(cuò)漏碰問題基本解決，誤差在允許范圍內(nèi)；最后進(jìn)行設(shè)計(jì)鋼筋大樣圖輸出及分類工程量統(tǒng)計(jì)，形成交付成果。設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 基于 BIM 的40 m簡(jiǎn)支梁輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

基于BIM的設(shè)計(jì)優(yōu)化包括以下工作重點(diǎn)：

1)圖紙審核

模型創(chuàng)建過程中對(duì)圖紙的數(shù)量、標(biāo)注、空間關(guān)系等內(nèi)容進(jìn)行校核，實(shí)質(zhì)是二維設(shè)計(jì)成果的過程審查。

2)碰撞檢查

在二維設(shè)計(jì)圖紙中，預(yù)應(yīng)力筋與梁體配筋是分開布置的，對(duì)于空間出現(xiàn)的碰撞問題無(wú)法避免，只能通過施工人員自行調(diào)整，這不僅給施工過程帶來(lái)困擾，也給設(shè)計(jì)質(zhì)量帶來(lái)一定的不確定性。

為了避免施工過程中的無(wú)序修改，借助BIM技術(shù)進(jìn)行幾何體的碰撞檢查，可深度分析基于二維設(shè)計(jì)成果中鋼筋、預(yù)應(yīng)力筋與其他零件的空間關(guān)系。直觀反饋其中的不合理之處，實(shí)現(xiàn)問題前置化，進(jìn)而提前調(diào)整相應(yīng)單元的空間布置，減少變更及現(xiàn)場(chǎng)返工。

碰撞檢查內(nèi)容主要包括普通鋼筋與預(yù)應(yīng)力筋管道的碰撞(如圖3所示)、普通鋼筋與梁體的碰撞、預(yù)埋件與預(yù)應(yīng)力筋管道的碰撞。

圖3 普通鋼筋與預(yù)應(yīng)力筋管道的碰撞

3)信息精準(zhǔn)輸出

40 m簡(jiǎn)支梁BIM模型承載了混凝土數(shù)量、預(yù)應(yīng)力筋長(zhǎng)度、管道壓漿體積等詳細(xì)工程信息，可精準(zhǔn)分類、輸出工程量信息，輔助二維設(shè)計(jì)成果的完善。

以鋼筋為例，結(jié)合規(guī)范規(guī)定的彎鉤長(zhǎng)度要求對(duì)帶肋鋼筋進(jìn)行準(zhǔn)確放樣，自動(dòng)輸出二維鋼筋大樣圖(如圖4所示，標(biāo)注需后期調(diào)整)，可直接指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

圖4 鋼筋大樣輸出圖(單位：mm)

2.2 參數(shù)化建模及產(chǎn)品庫(kù)

參數(shù)化是BIM技術(shù)的顯著特點(diǎn)之一，考慮40 m簡(jiǎn)支梁具有不同的結(jié)構(gòu)類型以及配套的附屬設(shè)施，可通過控制多類型參數(shù)調(diào)整模型中數(shù)據(jù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)模型屬性信息對(duì)應(yīng)改變，提高建模效率。

1)梁體及鋼筋

將梁體各項(xiàng)指標(biāo)(包括長(zhǎng)、寬、高等各種幾何尺寸，共計(jì)53個(gè))設(shè)置為參數(shù)，通過BIM建模軟件以.xls格式導(dǎo)出各項(xiàng)指標(biāo)，基于.xls格式改變參數(shù)輸入量值，基于參數(shù)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同跨度梁體模型的快速調(diào)整。

根據(jù)鋼筋彎折角度(135°，90°)繪制模板，將幾何信息(如長(zhǎng)度、直徑等)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，實(shí)現(xiàn)模型批量實(shí)例化。針對(duì)長(zhǎng)度隨梁體造型變化的部分鋼筋，根據(jù)其漸變規(guī)律在CATIA中自動(dòng)計(jì)算彎折點(diǎn)后進(jìn)行鋼筋實(shí)例化。

2)鐵路標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品庫(kù)

鐵路簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)中應(yīng)用了多種產(chǎn)品，如錨墊板、錨具、支座、防落梁裝置等，這些產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化程度高[10]、重復(fù)使用率高。因此，可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的幾何尺寸、屬性信息，搭建簡(jiǎn)支梁常用配套標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品庫(kù)，方便在不同類型簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)中調(diào)用，從而提高設(shè)計(jì)效率，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的累積和繼承。

通過獲取并存儲(chǔ)相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參數(shù)，建立鐵路常用跨度簡(jiǎn)支梁所配套的產(chǎn)品模型，借助目錄編輯器模塊逐漸形成標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品庫(kù)。流程如圖5所示。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品庫(kù)的建立流程

3 BIM設(shè)計(jì)交底系統(tǒng)研究

BIM技術(shù)不僅在設(shè)計(jì)優(yōu)化中發(fā)揮了重要價(jià)值，而且為設(shè)計(jì)交底提供了豐富的展現(xiàn)方式。?？紤]簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)交底內(nèi)容形式的通用性，泛化了設(shè)計(jì)交底系統(tǒng)定位：不局限于40 m梁，而是立足不同鐵路等級(jí)(高速鐵路、城際鐵路、客貨共線鐵路以及重載鐵路)、結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計(jì)時(shí)速、跨度、線路類型形成的標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支梁和常用跨度連續(xù)梁，支持不同BIM設(shè)計(jì)軟件的三維模型導(dǎo)入、多方式的設(shè)計(jì)交底與信息傳遞。目的是實(shí)現(xiàn)鐵路常用跨度混凝土梁模型可視化，設(shè)計(jì)信息綜合展示和一致性傳遞，拓展設(shè)計(jì)方與建設(shè)、施工及監(jiān)理方的交流手段，提升設(shè)計(jì)單位的服務(wù)水平。

基于40 m簡(jiǎn)支梁全生命周期BIM技術(shù)應(yīng)用規(guī)劃及模型成果，確定了BIM設(shè)計(jì)交底系統(tǒng)架構(gòu)，包括展示層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)架構(gòu)

為豐富設(shè)計(jì)交底內(nèi)容和形式，設(shè)計(jì)了梁體模型、附屬設(shè)施模型、圖紙查看、三維設(shè)計(jì)交底、資料管理、模型裝配、模型上傳等功能模塊，如圖7所示。

圖7 設(shè)計(jì)交底系統(tǒng)主要功能模塊

簡(jiǎn)支梁BIM模型包含單元種類多，關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，通過整體BIM模型很難查看特定元素之間的相互關(guān)系。為此，對(duì)梁體模型和附屬設(shè)施模型模塊的展示內(nèi)容進(jìn)行開放式設(shè)計(jì)，通過靈活定義不同單元的組裝，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)支梁不同裝配單元的對(duì)應(yīng)、查看和對(duì)比，滿足不同人員對(duì)設(shè)計(jì)模型的使用需求。

以梁體模型裝配為例，通過模型上傳完成梁體混凝土、普通鋼筋、預(yù)埋鋼筋、加強(qiáng)鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼筋、錨墊板、支座預(yù)埋鋼板等單元輕量化格式的分類存儲(chǔ)，根據(jù)不同需求形成了橋面布置、翼緣板構(gòu)造、接觸網(wǎng)加強(qiáng)構(gòu)造、綜合接地、電纜上橋等多個(gè)固定組合單元。還可以選擇不同裝配模型結(jié)構(gòu)樹中的子類，實(shí)現(xiàn)具體元素組合(如圖8所示)，其組合內(nèi)容包括空間相對(duì)關(guān)系及參數(shù)信息。

圖8 不同元素的自由組合設(shè)計(jì)

4 結(jié)語(yǔ)

1)開展了40 m簡(jiǎn)支梁信息模型結(jié)構(gòu)分解和設(shè)計(jì)基本信息定義，為制造、運(yùn)輸、架設(shè)及運(yùn)營(yíng)維護(hù)關(guān)鍵信息的創(chuàng)建、管理和共享奠定了基礎(chǔ)。

2)構(gòu)建了面向全生命周期的40 m簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)BIM模型，通過圖紙審核和碰撞檢查輔助二維設(shè)計(jì)圖紙優(yōu)化，對(duì)梁體、普通鋼筋進(jìn)行了參數(shù)化建模，實(shí)現(xiàn)鋼筋大樣圖輸出，構(gòu)建了錨墊板、支座等簡(jiǎn)支梁標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品庫(kù)，提升了鐵路40 m簡(jiǎn)支梁二維設(shè)計(jì)精度和效率。

3)秉承裝配化管理理念，開展了BIM設(shè)計(jì)交底系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)及研發(fā)，通過對(duì)不同裝配單元的自由組合，實(shí)現(xiàn)模型的靈活查看及相對(duì)空間位置的準(zhǔn)確展示，豐富了設(shè)計(jì)交底表達(dá)方式。