廖 林，周應華，瞿 浩，景 磊

（中鐵二局集團勘測設計院有限責任公司，四川成都 610031）

目前建筑信息模型（BIM）技術已廣泛應用于建設工程的設計、施工和運維各個階段，尤以軌道交通應用為熱點。廣州市軌道交通建設單位已對所有在建項目進行了BIM應用要求，對模型的細度也進行了統(tǒng)一規(guī)定，不僅滿足建造階段的要求，更為運維階段的數(shù)字化管理做好基礎準備。在軌道交通工程建設過程中，針對橋梁工程中大量出現(xiàn)箱梁節(jié)段集中預制、現(xiàn)場拼裝的施工模式，如何結合該類工程標準化程度高、部件可參數(shù)化的特點進行高效的建模具有重要的現(xiàn)實意義。

BIM應用的基礎在于模型的創(chuàng)建，要提升建模速度和質(zhì)量，參數(shù)化和程序化是有效的途徑。根據(jù)橋梁工程特點及當前行業(yè)情況，應用較廣泛的有歐特克公司的revit和達索公司的CATIA 2套軟件體系。revit解決方案是創(chuàng)建參數(shù)化族，通過節(jié)點開發(fā)插件dynamo編寫橋梁路徑程序及參數(shù)化族參變控制程序，將可參變族放置在路徑中，同時對可參變族進行參數(shù)化控制。該技術在盾構管片、連續(xù)鋼構、裝配式建筑預制構件、建筑幕墻等工程中得到了應用，可解決有一定相似性和重復性的建模工作，但在模型創(chuàng)建方面需要基于revit的模型創(chuàng)建規(guī)則，存在revit關聯(lián)參變難度大等問題，此外，對于有些特殊結構，無法創(chuàng)建滿足要求的族文件；在程序開發(fā)方面，revit受限于dynamo已有節(jié)點限制，無法快速創(chuàng)建需要的節(jié)點程序[1-8]。CATIA一直以基于參數(shù)化的空間點、曲線、曲面等要素建模能力而聞名，其功能模塊全面，已廣泛應用于特大橋、框架結構、拱橋、簡支T型梁等工程設計中[8-16]，可較好解決大型復雜異形結構劃分、構件參數(shù)化建模、模型組裝等問題。

通過上述分析，本文認為CATIA更適合線性工程下復雜曲線的建模，對基于CATIA的橋梁參數(shù)化建模技術進行了研究，制定了“工程模板和工程骨架”的裝配式快速建模方案，其快速高效的建模特點在工程實例應用中得到證明。

1 CATIA 參數(shù)化建模特點

CATIA V5是法國達索系統(tǒng)公司提供CAD/CAE/CAM的一體化軟件，提供產(chǎn)品從概念設計到最終產(chǎn)品成型的全套技術解決方案；具有強大的三維設計和參數(shù)化建模能力，可實現(xiàn)部件模型全尺寸約束，全參數(shù)設計修改，全數(shù)據(jù)驅動和更新。應用其參數(shù)化能力可對部件模型進行反復設計、編輯和修改，其參數(shù)化特點如下。

（1）自定義參數(shù)：用戶可根據(jù)需求自定義建立各種類型參數(shù)。

（2）全尺寸約束：在模型繪圖中，對每個單元圖形尺寸進行約束標注，不能遺漏標注；通過對圖形的全尺寸約束實現(xiàn)控制幾何圖形的變化。

（3）參數(shù)驅動尺寸修改：參數(shù)化建模以圖形進行完全約束為基礎，將參數(shù)與標注尺寸進行關聯(lián)，實現(xiàn)參數(shù)驅動標注尺寸進行圖形變化。

（4）數(shù)據(jù)關聯(lián)：圖形在全尺寸約束狀態(tài)下，修改參數(shù)可實現(xiàn)其他與之相關約束尺寸進行自動更新。

（5）結構樹：自上而下的設計理念，對參數(shù)設置和修改的繪圖過程在結構樹上均有記錄，便于修改繪圖過程中的模型參數(shù)。

（6）參數(shù)化模板：知識工程模塊提供了標準化程度高、復用性強的零件進行參數(shù)化、模板化設計。

2 基于 CATIA 橋梁參數(shù)化建模方案

在CATIA V5中利用其強大的參數(shù)能力，通過工程模板和參數(shù)化模型創(chuàng)建相結合的方式，實現(xiàn)橋梁工程建模的快速應用。在CATIA V5中工程模板分3種，分別為知識工程模塊中的“超級副本”“用戶特征”和“文檔模板”。其特點為調(diào)用專業(yè)的、標準的參數(shù)化構件模板進行復用，通過控制輸入構件（輸入構件是選定構件的畫圖基準）和輸出構件（要復制的模板）之間關系，調(diào)整模板內(nèi)部尺寸參數(shù)，實現(xiàn)橋梁工程參數(shù)化模板的裝配式三維建模。后期利用模板與宏代碼及二次開發(fā)相結合，實現(xiàn)專業(yè)自動化建模的目的。其建模方案如圖1所示。

圖1 參數(shù)化建模方案

2.1 橋梁結構建模方法

利用CATIA零件設計、創(chuàng)成式外形設計模塊中的草圖設計功能完成不同種橋墩、橋梁類型的草圖輪廓設計，設計人員在繪制輪廓的過程中建立相應輪廓的尺寸控制參數(shù)，實現(xiàn)參數(shù)關聯(lián)圖形并驅動。橋梁按用途可分為公路橋、鐵路橋、公鐵兩用橋等。橋墩結構從下而上可分為樁基、承臺、墩身、蓋梁等細部構件，不同種類型的橋墩細部結構有所不同。在繪制橋梁工程模型前，應結合道路橋梁專業(yè)知識及特點對橋梁工程結構進行分析，首先制定符合項目BIM三維模型設計過程的實施方案，再制定各專業(yè)構件模型的建模實施標準，確保參數(shù)化三維模型輸出成果能夠在項目中形成數(shù)據(jù)傳遞、引用和數(shù)據(jù)聯(lián)動。

2.2 參數(shù)化模型創(chuàng)建

以鐵路高架橋墩、箱梁為例，基于CATIA零件設計模塊或者創(chuàng)成式外形設計模塊展開橋墩、箱梁二維草圖設計，草圖繪制完成后對輪廓進行尺寸約束使草圖輪廓處于完全約束狀態(tài)，并退出草圖繪制圖形界面回到三維模型創(chuàng)建圖形界面，進行樁基、承臺、墩身、梁體等結構的草圖輪廓拉伸、旋轉、復制、偏移等基礎建模操作，生成三維實體模型，如圖2、圖3所示。

圖2 橋墩實體模型

圖3 箱梁實體模型

2.2.1 模型參數(shù)和公式創(chuàng)建（參數(shù)化母版模型）

在基礎模型設計過程中需通過f（x）公式編輯器創(chuàng)建橋墩、箱梁實體模型的長、寬、高、樁基半徑等尺寸參數(shù)，將模型的尺寸參數(shù)以用戶自定義參數(shù)的形式表達，如圖4所示，通過尺寸公式編輯將模型參數(shù)與草圖輪廓、三維模型尺寸進行參數(shù)關聯(lián)，實現(xiàn)用戶通過參數(shù)驅動控制模型的尺寸變化。

2.2.2 參數(shù)化曲線要素（骨架設計）

在CATIA中新建一個零件（Part），利用草圖設計界面繪圖功能結合道路橋梁專業(yè)知識進行道路橋梁平曲線要素的參數(shù)化骨架設計，包含曲線半徑（R）、緩和曲線長（LS）、圓曲線長（L）、切線長（TL）、外距（EL）、直緩點（ZH）、緩直點（HZ）、圓緩點（YH）、緩圓點（HY）等主要技術參數(shù)。

骨架設計為工程模型裝配的重要基礎，在骨架設計過程中先將平曲線進行特征輸出和發(fā)布，再基于發(fā)布元素進行橋墩中心控制點坐標設計，為各專業(yè)參數(shù)化模型布置提供尺寸、坐標定位、骨架引用的設計框架。實現(xiàn)設計人員以參數(shù)化骨架模型為基礎，快速、直觀、準確的開展橋梁各專業(yè)模型裝配、協(xié)同、變更設計。參數(shù)化骨架模型如圖5所示。

2.3 模板定義

基于以上參數(shù)化建模過程，圖形尺寸與構件模型具有對應的用戶參數(shù)，因此可通過修改用戶參數(shù)實現(xiàn)圖形的變化。形成參數(shù)化模板所需的母版模型后，需要進行模板設計，具體操作是點擊“開始”→“知識工程模板”→“產(chǎn)品知識模板”；利用產(chǎn)品知識模板中的“超級副本”“用戶特征”和“文檔模板”3種方式將創(chuàng)建的參數(shù)化母版模型輸出為標準化模板模型。

3種模板輸出方式應結合BIM項目技術方案、成果應用需求和工程結構特點等進行選擇。在橋梁工程中主體分上部結構和下部結構，適用于選用結構并列關系的方式進行模板輸出和結構管理。3種模板輸出方式的區(qū)別如下。

（1）“超級副本”和“用戶特征”2種模板定義方式及使用方法相同，都能在一個產(chǎn)品（Product）里和Part里（Product/Part都可以雙擊選中）進行參數(shù)化模板調(diào)用，生成的模型可以是并列關系，也可以是父子級關系。其中“超級副本”顯示的是整個模板模型，包含輔助的平面和設計草圖；“用戶特征”顯示的只是模型成果，不含設計過程，沒有其他輔助平面和設計草圖。

（2）“文檔模板”區(qū)別于前2種方式，只能在Product（雙擊選中）環(huán)境下導入單獨的Part；生成的模型只能是并列關系，不能是父子級關系。以文檔模板方式調(diào)用模板生成的模型包含母版模型整個設計過程。

圖4 模型參數(shù)定義

圖5 參數(shù)化骨架模型

以箱梁為例，“超級副本”“用戶特征”和“文檔模板”定義流程如下：選定模型（要復制的模板）和輸入條件（定位），模板與輸入條件之間存在因果關系，輸入條件是選定模型的畫圖基準。超級副本參數(shù)化模板創(chuàng)建用戶定義如圖6所示，用戶特征模板定義如圖7所示，文檔模板用戶定義如圖8所示。

圖6 超級副本用戶定義

圖7 用戶特征模板定義

圖8 文檔模板用戶定義

2.4 模板調(diào)用快速建模

在CATIA裝配設計模塊中結合項目設計方案建立完善的Product目錄結構樹，鼠標選中Product結構樹并右鍵選擇“部件”→“具有定位的現(xiàn)有部件”的方式導入?yún)?shù)化平曲線骨架模型文件。導入骨架模型文件后將工作界面切換到“知識工程模塊”→“產(chǎn)品知識模板”中，運用“從文檔實例化”功能從模板庫中調(diào)用橋墩、箱梁等專業(yè)參數(shù)化模板進行三維模型裝配式快速建模，如圖9、圖10所示。

3 應用實例

廣州市軌道交通14號線一期工程Ⅱ標（鐘落潭站（含）～神崗站（不含））全部為高架，線路全長17.788 km，施工起訖里程 為Y（Z）DK 32+972 ～ Y（Z）DK50+760。該工程橋墩布置多為30 m、40 m等標準跨距，橋梁采用2.4 m節(jié)段箱梁預制生產(chǎn)，現(xiàn)場進行預應力安裝施工，具有模板化、標準化程度高的工程特點，且全線橋墩、箱梁等專業(yè)模型數(shù)量大，在BIM技術應用之初，擬定運用參數(shù)化快速建模技術完成該工程模型創(chuàng)建工作。首先創(chuàng)建包含樁基、承臺、橋墩、蓋梁、箱梁、附屬設施等多種構件的橋梁參數(shù)化項目模板庫，通過模板庫的應用，成功完成了全線17.788 km橋梁專業(yè)模型參數(shù)化創(chuàng)建、裝配式組裝，在各階段應用如下。

圖9 橋墩參數(shù)化模板快速建模

圖10 箱梁參數(shù)化模板快速建模

（1）設計階段根據(jù)圖紙分類創(chuàng)建橋梁上下部參數(shù)化模板，在平曲線骨架上進行裝配式建模。通過設計圖紙分析，對橋梁下部結構、上部結構可參數(shù)化的幾何信息進行分類整理：下部結構按承臺下樁的根數(shù)構建3類參數(shù)化模板，每類中分別對樁基的間距、長度、直徑，承臺的長寬高，墩身的上下截面尺寸等幾何信息參數(shù)化；上部結構主要依據(jù)箱梁節(jié)段斷面尺寸創(chuàng)建參數(shù)化模板，如圖11～圖15所示。

（2）施工階段根據(jù)設計階段的參數(shù)化三維模型成果，結合工程施工工藝、施工參數(shù)資料信息對橋墩和箱梁模型進行拆分細化，以便符合工程施工管理和驗收的要求。橋梁、橋墩施工階段模板拆分如圖16、圖17所示。

（3）運維階段以施工模型為基礎，基于BIM管理平臺集成的施工階段施工信息（包含進度、安全質(zhì)量等過程信息和最終實測實量竣工數(shù)據(jù)），在運營期間開展基于可視化三維模型的空間管理、設備檢修等運維應用。運維階段成果應用如圖18所示。

圖11 雙線預制節(jié)段梁I型橋墩

圖12 大跨度梁段中墩

圖13 車站段M型橋墩

圖14 單線預制節(jié)段箱梁參數(shù)化模板

圖15 雙線預制節(jié)段箱梁參數(shù)化模板

圖16 橋墩施工階段模板拆分

圖17 橋梁施工階段模型拆分

圖18 運維階段成果應用

4 結語

本文通過梳理橋梁工程在設計、施工、運維各階段的數(shù)據(jù)資料和橋梁布置規(guī)則，建立了基于CATIA的橋梁參數(shù)化建模技術方案，并成功將該技術方案應用于廣州市軌道交通14號線一期軌道工程Ⅱ標，在工程設計、施工、運維各階段快速生成工程模型，使橋梁工程建模周期縮短至原來的25%，極大地提高了項目BIM工作效率。下一步作者將繼續(xù)開展基于參數(shù)化模板模型與專業(yè)知識相結合的正向三維設計研究，同時希望本論文成果可為類似工程提供參考。