苗永抗

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300142)

BIM技術以三維模型為載體，附加多組用戶信息，是模型與信息的共同體。其成功應用能夠實現建設項目的不同階段、不同角色、不同專業(yè)的信息共享，從而更加快捷、經濟地完成建設項目[1-2]。經過近幾年的研究，鐵路工程在BIM領域取得了較大進展，不僅出臺了一系列標準規(guī)范[3-4]，而且在十幾個試點項目中進行了應用[5-9]，但在基于BIM技術的正向設計中仍處于探索階段[10]。

本文立足BIM軟件，研究探索了BIM技術在鐵路預應力混凝土簡支梁設計中的應用。通過分析研究難點，找準研究方向，再通過C#語言編程建立BIM模型，形成完善的模型數據源，最后將模型數據源與計算分析軟件數據源之間進行轉換，實現兩者的結合；同時，基于完善的BIM模型，可以自動繪制結構鋼筋圖及數量統(tǒng)計表，一定程度提高設計效率。研究為BIM技術在鐵路預應力混凝土簡支梁結構設計中的應用提供借鑒作用。

1 研究內容難點分析

目前鐵路預應力混凝土簡支梁的設計方法為：利用有限元分析軟件進行結構建模分析，計算通過之后利用2D繪圖工具來繪制施工圖文檔。

而基于BIM技術的設計方式為：設計人員將初擬的BIM模型發(fā)送至有限元分析軟件進行結構分析，結構分析模型與BIM模型數據交互修改并確定結構尺寸，形成最終BIM模型，由確認后的BIM模型自動形成施工圖文檔，整個過程實現數據共享。兩種設計方式的流程對比如圖1所示。

圖1 常規(guī)設計及BIM設計流程對比示意

要實現BIM技術在設計中的應用，需要完成BIM模型到有限元軟件、BIM模型到2D施工圖文檔兩個環(huán)節(jié)的數據流通，這兩方面內容也是本文研究的重點[11]。

BIM模型到有限元軟件的數據流通，除了包含模型的幾何信息外，還應包含有材料力學特性、施工階段、荷載、荷載組合、邊界條件等非幾何信息。很多BIM軟件也將自己能夠實現與有限元軟件雙向無縫對接作為自己的特色功能來宣傳，筆者對Tekla軟件與常用有限元軟件Midas、BSAS(4.3)之間的結合進行了探索性研究[12-15]。

作為深化結構設計方面的領導者，Tekla有其獨特優(yōu)勢，是目前較為適合工業(yè)結構設計的一款BIM軟件，其模型與Midas分析軟件之間的接口界面如圖2所示。

圖2 Tekla與Midas接口界面示意

驗證結果發(fā)現，只有Tekla模型采用工業(yè)標準規(guī)格截面的情況下，才能夠實現向有限元Midas的數據傳遞[16]。當采用自定義截面時，導入到有限元中的數據僅能反映BIM模型的截面特性，具體外形尺寸丟失，且其他數據丟失量較大，無法滿足計算要求。而BSAS(4.3)為國內常用的鐵路橋梁設計專用軟件，并未涉及對BIM技術的支持。

因此，從BIM建模的數據來源著手，使之與有限元軟件BSAS(4.3)之間進行結合，以達到BIM模型與有限元軟件結合的目的。

2 編程確定BIM模型數據

實現BIM模型與有限元數據的結合，首先需要形成一套BIM建模的數據文件，通過讀取該數據文件，既可建立BIM模型，又可以將該套數據應用于有限元軟件。為此，對BIM軟件Tekla 的開發(fā)接口進行了深入研究，并結合鐵路預應力混凝土簡支梁設計特點，將BIM模型分解為以下三部分。

2.1 簡支梁混凝土模型

考慮到鐵路預應力混凝土簡支箱梁截面變化及頂面排水的要求，統(tǒng)一采用33個參數來描述簡支梁的一個橫截面，用戶在此基礎上調整參數大小完成截面輸入。以跨中截面為例，參數如圖3所示。

根據圖3所示，依次填寫簡支梁截面位置及截面參數，程序根據參數大小自動建立相鄰截面間的混凝土模型，然后對所有混凝土節(jié)段模型進行布爾運算，形成整體簡支梁模型，結果如圖4所示。

2.2 簡支梁預應力鋼束模型

預應力鋼束在BIM模型中為空間曲線，與平面曲線采用一個導線點加半徑即可描述曲線線性不同，空間曲線描述復雜程度大大增加，而且由于缺乏成熟的空間曲線表示方法，采用文獻[17]提到的工程作法：將空間曲線投影到相互垂直的兩個平面內得到兩條平面曲線，分別描述兩條投影曲線的線性。在每個平面內分別采用插值函數計算預應力鋼束上導線點的坐標，進而合成空間曲線。

圖3 簡支梁建?？烧{參數示意

圖4 簡支梁三維混凝土BIM模型示意

在獲取重新排序后的預應力鋼束空間導線點坐標之后，輸入預應力規(guī)格數據，建立簡支梁預應力鋼束的BIM模型，如圖5所示。

圖5 鐵路簡支梁預應力鋼束模型示意

2.3 簡支梁普通鋼筋模型

普通鋼筋參建模的便捷性以及對龐大鋼筋數據的簡化處理方式一直是考驗BIM軟件的一項重要指標[18-19]，Tekla軟件作為以深化設計為指向的BIM軟件，在這兩個方面有一定優(yōu)勢。研究結合該軟件API接口，將簡支梁鋼筋整體分為箍筋、縱向鋼筋及加強鋼筋三部分設置參數，建立簡支梁普通鋼筋模型，如圖6所示。

圖6 鐵路簡支梁普通鋼筋模型示意

3 BIM模型與有限元軟件的數據結合

結合前文所述，以BSAS(4.3)數據文件為接口對象，研究其與BIM模型數據的結合。

首先，由BIM模型數據直接生成計算軟件所需數據內容，包括結構單元信息、節(jié)點信息、截面幾何尺寸、預應力鋼束信息4部分內容。該過程為數據正向轉換，其中在有限元軟件數據中，截面幾何尺寸信息為考慮剪力滯效應之后的有效寬度，因此，數據正向轉換過程中需要經過一次數據換算，限于篇幅，不再贅述。

同時，完善的計算數據還應該包含施工階段、支座信息、溫度收縮等其他信息，在數據正向轉換結束之后，仍需要設計者添加該部分內容才能進行結構計算。

隨后，按照設計要求采用有限元軟件對結構進行分析，采用交互式調整結構尺寸，直至結構滿足規(guī)范要求。

最后，將通過規(guī)范要求的計算文件反饋至BIM模型數據文件中，確認BIM模型。需要說明的是，預應力鋼束在兩個數據文件中均為平、豎彎分開填寫，能夠實現數據的逆向轉換；而截面尺寸數據為截線法輸入且經過剪力滯換算，無法實現逆向轉換。

4 BIM模型與2D施工圖的數據結合

BIM技術的一項優(yōu)勢就是能夠實現三維模型和二維圖紙的關聯，實現兩者之間的聯動[20]，但是筆者在使用初期發(fā)現兩者聯動存在較多問題，主要體現在兩個方面：一是自動化程度不高，出圖過程繁瑣；二是本土化程度不高，難以滿足現鐵路橋梁施工圖要求。針對上述兩個問題，進行了如下兩方面的研究改進。

一是采用編程技術從BIM模型中提取結構、鋼筋數據，并繪制簡支梁鋼筋圖，包含設置圖紙參數、創(chuàng)建空白圖紙、創(chuàng)建圖紙視圖、創(chuàng)建必要標記4部分內容，流程如圖7所示。

圖7 創(chuàng)建二維圖紙流程示意

另外，繪圖過程中需要對模型構件進行識別，而這種識別的標記需要以用戶參數的方式事先預埋在BIM模型中。

二是定義數量統(tǒng)計模板，自動生成結構數量表。自動統(tǒng)計結構數量需要完成“模型空間”、“模板空間”、“圖紙空間”3個位置的數據傳遞。首先，在“模型空間”中對需要統(tǒng)計的構件進行分類，并定義與之相匹配的參數數據。其次，在“模板空間”定義分類統(tǒng)計行，定義行規(guī)則，使之與模型構件匹配，并且在每一行內添加多個“數值”，使之鏈接到“模型空間”中的構件參數。最后，在“圖紙空間”調用已定義的模板，模板會根據行規(guī)則，逐行識別模型中的構件，凡滿足條件的均統(tǒng)計在數量表之中。

通過上述兩點內容的研究，一定程度上實現了BIM模型到2D施工圖的數據流通，能夠快速繪制施工圖和統(tǒng)計數量。

5 工程實例

結合某高速鐵路工程24.6 m預應力混凝土簡支梁設計項目，從BIM建模、結構計算分析，再到最后的繪制施工圖，對上述探索成果進行了嘗試應用。 通過填寫B(tài)IM模型數據文件以及正向轉換，形成計算文件中對應數據，在此基礎上添加邊界條件等其他信息，建立有限元分析模型，兩者在幾何外型上對比結果如圖8所示。

圖8 有限元及BIM模型預應力豎彎對比

通過圖8可以看出，預應力鋼束豎彎線信息一致，梁體高度一致，并且經校核，轉換后的截面特性數據準確。可見，BIM模型與有限元軟件之間數據轉換良好。

最后，根據計算完成后的結構數據確認BIM模型，并繪制簡支梁鋼筋布置圖、統(tǒng)計鋼筋數量，限于篇幅，僅列出“跨中1/2橫斷面鋼筋布置圖”(圖9)。

由圖9可以看出，基于BIM模型繪制的二維圖紙表述清晰，能夠滿足施工圖精度要求，但是，由于Tekla軟件“圖紙空間”中缺乏AutoCAD的基本圖元，實現二維圖紙的快速應用仍有一定困難。同時，編程統(tǒng)計的鋼筋數量與BIM模型的鋼筋數量相差1%，與人工統(tǒng)計的鋼筋數量相差0.22%，數量統(tǒng)計較準確。

圖9 BIM模型自動繪制跨中1/2截面鋼筋布置(單位：mm)

6 結論

(1)以BIM軟件Tekla為例，現有的BIM模型與有限元軟件之間轉換多局限于工業(yè)規(guī)格標準截面，用戶自定義截面存在較多的信息丟失問題。

(2)通過C#編程使BIM模型與有限元軟件數據進行交互，能夠實現兩者之間的結合；同時基于BIM模型可自動生成二維圖紙、統(tǒng)計結構數量，一定程度上提高設計效率。

(3)根據工程實例的應用情況，研究部分實現了從BIM建模到有限元分析，再到2D施工圖繪制的完整流程，能夠為BIM技術在鐵路橋梁結構正向設計中的應用提供指導借鑒作用。