孫輝， 李雍友， 程振庭， 楊茗欽

(廣西路橋工程集團有限公司， 廣西 南寧 530011)

BIM(Building Information Modeling)建筑信息模型是一種可應(yīng)用于工程項目整個生命周期的數(shù)據(jù)化工具，通過三維參數(shù)化模型整合項目各個階段的相關(guān)信息，在項目策劃、設(shè)計、施工和維護的全生命周期過程中進行信息共享和傳遞，使項目技術(shù)人員能夠直觀高效地理解各個建筑信息，為設(shè)計、施工、運營管理等各方建設(shè)單位提供協(xié)同工作的平臺，能夠有效提高協(xié)作效率，降低勞動強度，節(jié)約工程造價，縮短施工周期。是實現(xiàn)工程建設(shè)方對項目從設(shè)計到后期運維全生命周期精細化管理的重要手段。

CATIA作為達索公司旗下的一款BIM主流建模軟件，是全球最先進的三維參數(shù)化建模軟件之一，其全生命周期管理關(guān)注項目策劃、設(shè)計、施工、運營、維護等全過程，同時還是實現(xiàn)BIM項目中人員、器具、工藝和資源集成的重要工具。由于橋梁結(jié)構(gòu)具有造型復(fù)雜、預(yù)制構(gòu)件精度要求高、骨架線的平順程度高等特點，CATIA已經(jīng)廣泛應(yīng)用于橋梁工程的精細化建模上。

1 基于CATIA-BIM的鋼結(jié)構(gòu)加工技術(shù)簡介

CATIA參數(shù)化建模是相比其他建模軟件的一大優(yōu)勢功能。它通過提取模型中特定點的位置及幾何尺寸等信息作為自定義變量，用于構(gòu)建包含多個參數(shù)的幾何公式，用以表達模型的形狀特征。對于曲線橋梁采用CATIA獨有的函數(shù)計算模式——最小二乘法進行曲線擬合。在參數(shù)化建模過程中，通過改變某些自定義變量數(shù)值的大小，可靈活調(diào)整模型的幾何形狀及結(jié)構(gòu)特征，使得建模過程更加靈活和智能。

CATIA同樣具有強大的指導(dǎo)鋼結(jié)構(gòu)加工能力，由于鋼結(jié)構(gòu)橋梁往往存在大量曲面結(jié)構(gòu)，使用創(chuàng)成式曲面模塊可將曲面展開為平面，將實體轉(zhuǎn)換為板，避免近似處理的偏差。展開后平面為大型曲面板件提供了可靠的下料依據(jù)。將實體展開后，基于軟件強大的仿真分析能力對排版情況進行模擬，通過對比上百種排布方式得到鋼材的最優(yōu)利用率，同時各板件經(jīng)過三維虛擬預(yù)拼裝，避免干涉或間隙。在得到最優(yōu)排版圖后，軟件可將排版圖中的切割路徑參數(shù)化，以坐標(biāo)、矢量等形式表示，將這些信息輸入到數(shù)控加工機即可指導(dǎo)機床切割。在將切割好的板件進一步加工成型階段，軟件可直接導(dǎo)出三視圖，通過人工添加焊縫坡口等工藝信息后即可指導(dǎo)構(gòu)件加工成型。

2 工程應(yīng)用實例

2.1 工程概況

該文選取某T形樞紐互通立交匝道段，其第三聯(lián)主梁采用單箱雙室全焊鋼箱梁，設(shè)3道縱腹板。設(shè)計參數(shù)如下：標(biāo)準(zhǔn)梁高1.6 m(設(shè)計標(biāo)高處)，頂板全寬12.75 m、底板寬8.29 m。行車道內(nèi)、外側(cè)設(shè)0.5 m寬防撞護攔。頂板厚16 mm，腹板厚16 mm，底板厚16～20 mm。鋼箱沿路線設(shè)計線全長121 m，分成若干節(jié)段制造出廠，在現(xiàn)場吊裝后將階段焊接成橋。為保證成橋后主梁線形，全橋均設(shè)置預(yù)拱度。邊跨跨中預(yù)拱度1 cm，中跨跨中預(yù)拱度1. 5cm，采用二次拋物線過渡。鋼箱梁兩側(cè)懸臂寬2.25 m，根部高0.65 m，端部高0.3 m。橫隔板標(biāo)準(zhǔn)段間距1.5 m，厚12 mm。設(shè)計斷面如圖1所示。

圖1 鋼箱梁斷面設(shè)計圖(單位:cm)

2.2 建模過程

根據(jù)施工圖紙進行精準(zhǔn)建模，利用知識工程等工具實現(xiàn)對模型的快速準(zhǔn)確出圖，實現(xiàn)隔板自動適應(yīng)橫坡，里程與圖紙自動關(guān)聯(lián)等需求。基本過程如下：

(1) 確定模型骨架：對于一個大型項目來說可以將二維CAD圖紙?zhí)幚砗髮?dǎo)入CATIA，然后根據(jù)生成的地形圖里的里程樁號點確定模型道路中心線。該文操作中選取其中A至D段匝道，繪制平縱結(jié)合的三維曲線，定義好相應(yīng)樁號標(biāo)識字母作為模型骨架，見圖2。

圖2 道路模型設(shè)計線形圖(單位：m)

(2) 橫隔板建模：在CATIA中建立實體模型主要由零件設(shè)計模塊來實現(xiàn)。根據(jù)里程樁號建立好的三維空間曲線定位橫隔板草圖位置，通過繪制草圖將其拉伸為實體。橫隔板尺寸通過設(shè)定相應(yīng)參數(shù)控制，考慮各板件厚度，以公式影響橫隔板尺寸，設(shè)計要求頂?shù)装遄兒褚?guī)則是向外加厚，故橫隔板高度不受其影響，以尺寸控制代替參數(shù)控制，確保整體尺寸精度要求。

對于橫隔板頂面，可以通過提取含超高規(guī)則的精確路面與當(dāng)前平面相交，調(diào)整橫隔板上沿與之平行，其他結(jié)構(gòu)能自動適應(yīng)橫坡調(diào)整。

(3) 鋼箱梁外輪廓建模：繪制鋼箱梁外輪廓方法與橫隔板基本相同，但由于超高變化導(dǎo)致頂?shù)装濉⒏拱宄蔀榭臻g扭曲曲面，因此對于不同超高段需要單獨處理；如圖2(b)，對于超高線性變化段AB、BD，以多截面曲面在前后斷面接續(xù)，形成精確外輪廓曲面；對于超高有轉(zhuǎn)折段AC，需要在轉(zhuǎn)折點B處增加斷面草圖，然后以兩段多截面曲面形成實體；繪制好的外輪廓模型見圖3。

圖3 鋼箱梁外輪廓圖

(4) 加勁肋建模：CATIA中采用“特征”這個概念來表示一個“對象”，例如一個孔洞、一個凸臺等結(jié)構(gòu)。使用者可根據(jù)知識工程模塊來定義相應(yīng)的“特征”，并根據(jù)需要來添加這個自定義特征的組成要素以及參數(shù)，繪制加勁肋可以通過對鋼箱梁添加用戶特征來實現(xiàn)。首先設(shè)定先后參照點、布置線等來定位加勁肋的大概位置，然后通過調(diào)整寬度、厚度等精確參數(shù)來生成所需的加勁肋。

2.3 指導(dǎo)加工過程

(1) 參數(shù)化建模：建立參數(shù)與橫隔板、頂板、底板等構(gòu)件之間的對應(yīng)關(guān)系，設(shè)定所需尺寸參數(shù)，即可得到對應(yīng)的結(jié)構(gòu)圖形。參數(shù)化建模的優(yōu)點在于對初始設(shè)計圖形的要求較低，只需勾繪出設(shè)計草圖，然后建立適當(dāng)?shù)募s束即得到精確圖形，為后續(xù)設(shè)計的反復(fù)修改提供方便。同時對每個零件以唯一代碼標(biāo)識，便于在BIM模型中進行管理。

(2) 板材裁切：初步建立的模型頂面為大塊三維板面，為符合工程實際情況，需要對其進行裁剪。在CATIA的“線框和曲面設(shè)計”模塊中，以道路中心線為參考，通過參數(shù)控制切割曲線位置，使用“分割”命令便可對大曲面板件進行裁切。

(3) 板件展平：創(chuàng)成式曲面模塊中提供的“已展開的外形”工具，能夠?qū)⑶嬲归_為平面，將實體轉(zhuǎn)換為板。選擇需要展開的曲面，設(shè)定展開方向、原點、位置等信息，點擊展開命令即可完成曲面展開為平面的過程。展開后平面為大型曲面板件提供了可靠的下料依據(jù)。同時曲面展平操作還支持將原曲面上的曲線映射至展平后的曲面，原加勁板三維跡線，轉(zhuǎn)換為二維布置線，可指導(dǎo)加勁板的安裝。

(4) 批量出圖：CATIA中的二維工程圖非常豐富，通過三維模型得到的任意截面剖視圖、斷面圖、投影圖可以根據(jù)需求對出圖對象進行篩選，同時CATIA 的工程圖是與三維模型相互關(guān)聯(lián)的，變更三維模型即可改變對應(yīng)工程圖。

(5) 提料下料：軟件自動優(yōu)化板件排布，通過腳本批量提取加勁板寬度、長度、面積等參數(shù)信息，匯總至excel表格，配合橫隔板加勁板布置圖，可指導(dǎo)加勁板裁切、安裝。

(6) 數(shù)控加工：得到套料圖后可輸出NC加工代碼指導(dǎo)下料，母材排版圖給定之后就有一個切割路徑，軟件可將切割路徑參數(shù)化，以坐標(biāo)、矢量等形式表示，將這些信息輸入到數(shù)控加工機即可指導(dǎo)機床切割。

3 應(yīng)用優(yōu)勢總結(jié)

(1) 節(jié)省時間：相比傳統(tǒng)方法，基于三維模型的出圖能減少大量人工放樣時間，并且相同類型的模型可做成模板，調(diào)用后直接導(dǎo)出工程圖，可直接導(dǎo)入數(shù)控切割機加工，方便快捷；三維模型全參數(shù)化控制，能快速適應(yīng)新項目；首次建模約需一周，參數(shù)控制模型適應(yīng)新項目需2～3 d，與傳統(tǒng)方法相比可大幅提高工作效率。

(2) 提高精度：二維圖紙中繪制的結(jié)構(gòu)圖通常沒有考慮到結(jié)構(gòu)實際拼接所需要的空間，同時一個構(gòu)件的幾個視圖是分開繪制，一旦某一處尺寸出現(xiàn)問題也難以察覺，因此實際生產(chǎn)施工常常會遇到很多細節(jié)與傳統(tǒng)的設(shè)計圖無法對應(yīng)的問題。CATIA中三維建模能夠很好地處理上述問題，不同平面的圖紙與模型相互關(guān)聯(lián)，只要模型正確圖紙尺寸便不會出現(xiàn)問題，同時三維曲面直接展開成平面圖，在平面圖中可直觀看到拼接處細節(jié)，避免近似處理的偏差；各板件經(jīng)過三維虛擬預(yù)拼裝，可很大程度上減少干涉或間隙。

(3) 快速下料：由于原來所有構(gòu)件都由設(shè)計人員設(shè)計，在曲線形橋梁中，加勁肋等截面尺寸變化的構(gòu)件都只是設(shè)計出尺寸的變化范圍，并不能精確到具體每一個構(gòu)件的尺寸。而三維建模過程中每一個構(gòu)件尺寸都由參數(shù)控制，因此可以得到各個部件的精確位置尺寸信息，從而能夠快速地得到材料明細表，為提料提供精確依據(jù)，減少提料時的預(yù)留量。

(4) 優(yōu)化利用率：在鋼材排布及下料過程中，傳統(tǒng)方法采用手工排料，在母材上優(yōu)先排布大板件，對于大型項目人工排布方法無法全面考慮，在該工程實例中，人工排布方法鋼材利用率為92%，而利用CATIA軟件自動優(yōu)化板件排布，鋼材利用率可達94%，有效提高了鋼材利用率。

(5) 自動化加工：傳統(tǒng)加工方法采用根據(jù)套料圖在母材上描繪切割路徑，然后按照切割路徑人工進行切割，而CATIA軟件在生成套料圖的同時自動生成NC加工代碼，將加工代碼輸入至數(shù)控加工機即可對鋼材進行自動化裁切。人工切割方法存在人為操作誤差，而且需要人工描繪切割路徑，精度不高且效率偏低，而NC加工代碼指導(dǎo)數(shù)控加工的方法，能實現(xiàn)切割全過程的自動化，在保證精度的同時提高了加工效率。

(6) 便于構(gòu)件管理：在參數(shù)化建模時，對每個構(gòu)件以唯一代碼進行標(biāo)識，同時追溯到每個構(gòu)件所在板材的爐批號，這些信息都在BIM模型中存儲，在鋼材加工及安裝過程中，每個構(gòu)件的位置都能實時追蹤到，實現(xiàn)構(gòu)件從生產(chǎn)到加工到安裝完成的全過程跟蹤管理。

4 鋼結(jié)構(gòu)橋梁模擬預(yù)拼裝

通過上述方法可實現(xiàn)對鋼結(jié)構(gòu)加工制造過程中板件的有效管理，提高板件利用率，但是在加工制造過程中仍不可避免地會產(chǎn)生誤差，若能在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件制造完成托運至現(xiàn)場前即在加工廠內(nèi)對構(gòu)件生產(chǎn)質(zhì)量進行檢查，并模擬出拼裝過程，發(fā)現(xiàn)誤差及時矯正，則能較大地提高施工效率，節(jié)省成本。通過結(jié)合三維激光掃描技術(shù)與BIM技術(shù)指導(dǎo)鋼結(jié)構(gòu)預(yù)拼裝，首先利用三維激光掃描儀采集構(gòu)件的點云數(shù)據(jù)，然后處理點云數(shù)據(jù)形成點云模型，最后通過與BIM模型進行對比分析構(gòu)件誤差及模擬鋼結(jié)構(gòu)拼接過程。

(1) 點云數(shù)據(jù)采集：首先選擇合適位置架設(shè)站點，連接設(shè)備，在需要掃描的構(gòu)件周圍視野開闊處擺放3～5顆標(biāo)靶球，用于后期數(shù)據(jù)處理時，輔助不同站點測得的點云數(shù)據(jù)的精確定位拼接；設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后進行點云數(shù)據(jù)采集；選定特征點，用于后期構(gòu)件預(yù)拼裝配準(zhǔn)時的基準(zhǔn)點，對這些特征點進行補充測量。

(2) 點云數(shù)據(jù)處理：通過三維激光掃描儀得到的構(gòu)件點云數(shù)據(jù)，由于環(huán)境因素及儀器本身操作精度的影響，會不可避免地產(chǎn)生數(shù)據(jù)誤差，尤其是尖銳邊和邊界附近等特殊部位，容易產(chǎn)生測量偏差，所以需要對原始點云數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，去掉不穩(wěn)定點和噪聲點，同時對粗糙部分做數(shù)據(jù)平滑處理。

(3) 構(gòu)件誤差分析及模擬預(yù)拼裝：首先把處理好的單個構(gòu)件點云數(shù)據(jù)和相應(yīng)的BIM模型導(dǎo)入到軟件中，然后將BIM模型打散生成BIM點云，與掃描得到的點云模型作配準(zhǔn)，配準(zhǔn)過程分為兩步，第一步為人工配準(zhǔn)，先在點云模型和BIM點云中找出外業(yè)掃描作業(yè)時預(yù)先確定的特征點；然后，以這些特征點為基準(zhǔn)進行應(yīng)用轉(zhuǎn)換，將兩個點云模型進行大致匹配[圖4(a)]?？梢钥吹?，點云模型之間的匹配存在較大誤差需要進一步配準(zhǔn)，此時會應(yīng)用到所有的特征點，先對點云模型進行預(yù)處理生成法線，定位兩個模型空間位置，然后通過軟件點云對點云配準(zhǔn)功能實現(xiàn)模型的精確配準(zhǔn)[圖4(b)]。

圖4 兩點云模型的配準(zhǔn)

通過軟件檢查兩模型之間的誤差，檢查完畢后點云數(shù)據(jù)上會呈現(xiàn)顏色標(biāo)識，對于偏差較大部分可通過人工比對點云模型與BIM模型，找出產(chǎn)生偏差的原因，若偏差是由于加工過程中產(chǎn)生的，且偏差值大于允許誤差，則需要返廠重新加工制造。

以上為單個構(gòu)件制造誤差分析過程，對于不同構(gòu)件的拼接方式大致相同，首先將兩構(gòu)件的點云數(shù)據(jù)和BIM模型導(dǎo)入到軟件中進行處理，對其進行精確配準(zhǔn)，通過軟件的檢查功能檢查兩構(gòu)件拼接節(jié)點的誤差，然后按照構(gòu)件拼裝過程依次對每兩相鄰構(gòu)件進行模擬拼裝，分析節(jié)點間的誤差，通過這樣的方式可得出所有節(jié)段間的拼接質(zhì)量，完成對整個橋梁的預(yù)拼裝過程。

5 結(jié)語

結(jié)合某立交匝道項目，以CATIA建立的鋼箱梁三維模型為基礎(chǔ)，探索CATIA在精確出圖、快速下料及自動化加工方面的應(yīng)用。實例應(yīng)用表明：CATIA可以根據(jù)生產(chǎn)實際情況建立準(zhǔn)確的三維模型，而通過三維模型可以便捷地生成各個結(jié)構(gòu)所需立面、剖面或者平面展開的二維圖紙，同時還能快速獲得每個構(gòu)件的信息，從而有效提高鋼箱梁的設(shè)計效率和質(zhì)量，減少后續(xù)生產(chǎn)加工的工期和返工成本。而通過CATIA智能排版功能，不僅可以實現(xiàn)快速下料，而且基于軟件強大的仿真能力模擬出上百種排布方式，并進行迭代計算得到利用率最高的排布方式，相比人工排版能有效提高鋼材利用率。通過NC加工代碼指導(dǎo)下料，實現(xiàn)鋼材切割全過程的自動化，從而有效地提高了鋼結(jié)構(gòu)加工的效率和鋼材的利用率，節(jié)約了工程成本。同時基于BIM三維模型，實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)加工全過程對構(gòu)件的跟蹤管理，有效提高了現(xiàn)場管理效率。同時通過結(jié)合三維激光掃描技術(shù)與BIM技術(shù)對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工制造成品的誤差進行分析，模擬鋼結(jié)構(gòu)預(yù)拼裝過程，發(fā)現(xiàn)問題及時糾正，提高了施工效率。

作為技術(shù)創(chuàng)新，基于CATIA-BIM的鋼結(jié)構(gòu)加工制造技術(shù)有效地提高了加工管理水平，加強CATIA指導(dǎo)鋼結(jié)構(gòu)加工與BIM技術(shù)指導(dǎo)信息管理的融合，能有效提高鋼結(jié)構(gòu)加工效率，節(jié)省工程成本，促進工程現(xiàn)場規(guī)范化管理，使得對鋼結(jié)構(gòu)加工過程真三維管理成為可能，在不久的將來有望取代傳統(tǒng)方法，為鋼結(jié)構(gòu)加工帶來進一步的技術(shù)革新。