田 慶,馬少雄,趙 欽,徐 飛,徐 宏
(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西渭南 714000; 2.西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,西安 710048;3.西安工業(yè)大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院,西安 710021; 4.中鐵一局集團有限公司,西安 710054)
自20世紀以來,高速鐵路由于其快捷、安全、綠色等突出優(yōu)點,備受世界各國關(guān)注,建設(shè)規(guī)模持續(xù)擴大,關(guān)于高速鐵路的研究也與日俱增[1]。尤其隨著信息化技術(shù)的高度發(fā)展,如何推進高速鐵路工業(yè)化、智能化制造將成為高速鐵路產(chǎn)業(yè)建設(shè)轉(zhuǎn)型升級、提質(zhì)增效的重大研究方向[2-3]。
近年來,現(xiàn)代信息技術(shù)迅速發(fā)展,尤其是計算機技術(shù)為研究高鐵橋梁智能化設(shè)計引入了新的技術(shù)手段[4-6]。如于珊珊[7]基于SiPESC平臺和ANSYS優(yōu)化模塊,對橋梁結(jié)構(gòu)模型進行合理優(yōu)化,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)材料最省,成本最小;張帥等[8]針對新型剪刀式折疊橋梁展橋機構(gòu)設(shè)計多目標優(yōu)化問題,通過建立展橋機構(gòu)的運動學(xué)和靜力學(xué)模型,應(yīng)用遺傳算法和非線性規(guī)劃混合算法有效降低了展橋油缸、連桿、關(guān)鍵鉸點受力峰值;高增增[9]綜合考慮地震作用下結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟及性能等因素,建立基于偏好序的交互式多目標綜合優(yōu)化決策方法,克服了梁式橋梁全壽命抗震設(shè)計的反復(fù)試算和波動校核的問題;高穎等[10]應(yīng)用均勻設(shè)計與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法優(yōu)化了橋梁最優(yōu)性能下的結(jié)構(gòu)參數(shù);魯業(yè)紅[11]針對橋梁設(shè)計優(yōu)化的多目標干擾問題,建立基于造價與跨中最大彎矩值的優(yōu)化模型,有效降低了橋梁設(shè)計成本;馬少雄等[12]通過研發(fā)大跨度橋梁管理平臺探索計算機技術(shù)在橋梁設(shè)計方案比選中的應(yīng)用,提高橋梁設(shè)計效率;廖立堅[13]基于山區(qū)鐵路地形研究了一套算法,能夠自動繪制設(shè)計圖紙,進行橋梁智能設(shè)計。
然而,現(xiàn)階段的橋梁建設(shè)管理過程中仍然存在工程設(shè)計、施工自動化程度不足等問題,嚴重制約了整個橋梁建設(shè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進程[14]。尤其是對橋梁模板設(shè)計的研究相對較少,目前橋梁墩柱的模板設(shè)計基本是基于結(jié)構(gòu)形式的結(jié)構(gòu)質(zhì)量優(yōu)化研究[15],基于結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)質(zhì)量優(yōu)化研究卻極為缺乏。同時,現(xiàn)有的模板結(jié)構(gòu)設(shè)計過程是在荷載作用下,進行結(jié)構(gòu)強度、剛度及穩(wěn)定性的驗算過程[16],這種設(shè)計過程雖然可滿足結(jié)構(gòu)承載力的要求,但對于模板結(jié)構(gòu)板厚、支撐肋間距等結(jié)構(gòu)構(gòu)件參數(shù)的取值依賴設(shè)計人員的工程經(jīng)驗,無法充分考慮所有取值可能,難以保證結(jié)構(gòu)體系質(zhì)量最優(yōu)的問題。
因此,通過對高鐵橋梁墩柱模板結(jié)構(gòu)體系研究,進行系統(tǒng)化分析,結(jié)合BIM協(xié)同設(shè)計理念[17],從結(jié)構(gòu)體系設(shè)計上考慮降低模板結(jié)構(gòu)總質(zhì)量。研究如何在保證模板工程結(jié)構(gòu)安全的前提下,優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系設(shè)計,降低橋梁墩柱模板結(jié)構(gòu)總質(zhì)量,從而提高模板工程結(jié)構(gòu)設(shè)計利用效率,達到橋梁墩柱模板工程設(shè)計安全、經(jīng)濟雙贏的效果。
根據(jù)模板結(jié)構(gòu)類型及施工工藝特點,橋梁墩柱模板結(jié)構(gòu)體系由面板、支撐肋和支撐楞組成[18]。結(jié)構(gòu)組成原理為:由厚鋼板組成模板豎肋和背楞,然后由鋼板的橫肋連接豎肋和背楞,從而共同組成板系支撐結(jié)構(gòu)。通過采用十字形單元搭接裝配后,在上表面搭接一定厚度的模板面板和帶弧對接模板,形成全鋼組成式模板結(jié)構(gòu)體系。
由圖1、圖2可知,由內(nèi)部混凝土自重和澆筑時產(chǎn)生的荷載先傳遞到面板結(jié)構(gòu),然后傳遞給傳力結(jié)構(gòu)橫肋,橫肋通過豎肋將所受荷載傳遞給支撐背楞,使整個橋梁墩柱結(jié)構(gòu)體系滿足強度、剛度及穩(wěn)定性的要求[19]。所以,模板結(jié)構(gòu)體系設(shè)計中模板面板的選型會影響橫肋間距,進而影響到豎肋和支撐背楞間距。在相同橋梁墩柱尺寸和荷載工況下,模板采用合適的面板厚度、橫肋間距、豎肋及背楞間距,可大大降低結(jié)構(gòu)體系的總自重,從而減少模板的整體用鋼量。
圖1 橋梁墩柱模板BIM模型
圖2 橋梁墩柱模板結(jié)構(gòu)
為簡化橋梁墩柱模板結(jié)構(gòu)體系設(shè)計,建立數(shù)學(xué)模型,提出以下假設(shè):
(1)橋梁墩柱的尺寸、高度及橋梁墩柱的形狀類型是預(yù)先確定的;
(2)對于每塊模板,設(shè)計的荷載是已知的,如澆筑壓力、振動壓力、最大負載等;
(3)模板結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料性能滿足規(guī)范要求,無性能損傷;
(4)模板結(jié)構(gòu)體系構(gòu)件的豎肋、橫肋、背楞等間距排列設(shè)計;
(5)模板結(jié)構(gòu)構(gòu)件結(jié)構(gòu)應(yīng)力等效滿足設(shè)計規(guī)范要求。
建立數(shù)學(xué)模型的目標是在滿足結(jié)構(gòu)性能要求的前提下,確定合理橋梁墩柱模板結(jié)構(gòu)構(gòu)件的布置形式,使模板結(jié)構(gòu)體系總質(zhì)量最小。其中,根據(jù)模板設(shè)計的形式,模板質(zhì)量分為兩類,即“面板質(zhì)量”和“支撐質(zhì)量”。這兩類質(zhì)量具體計算如下
minM=Mm+Mz+Ml=(2π+2l)×d×h×ρ0+s1×
(1)
式中,Ml為橋梁墩柱模板支撐楞的總質(zhì)量;l3為支撐楞間距;s3為支撐楞的截面面積;l為橋梁墩柱模板面板長度;w為橋梁墩柱模板面板寬度;h為橋梁墩柱模板高度;ρ3為支撐楞的密度系數(shù)。
模板結(jié)構(gòu)體系設(shè)計中,由于模板體系承受著橋梁墩柱施工期間的外部荷載,需驗算其體系組成部分的強度、剛度、穩(wěn)定性,模板各組成部分抗彎強度按簡支跨計算,其中橫、豎肋抗剪強度按5跨連續(xù)梁計算。根據(jù)設(shè)計規(guī)范中的模板驗算要求,具體約束條件如式(2)所示。
(2)
式中,q為模板荷載設(shè)計值;q′為模板荷載標準值;σ0、σi分別為面板和支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力;f0、fi分別為面板和支撐結(jié)構(gòu)撓度;li為模板構(gòu)件間距,分別為橫肋、豎肋、背楞間距;k0和m0分別為面板的彎矩系數(shù)、撓度系數(shù);ki和mi分別為5跨連續(xù)梁彎矩系數(shù)、撓度系數(shù);wi和Ii分別為結(jié)構(gòu)的抗彎、抗剪模量;E為結(jié)構(gòu)彈性模量;u為泊松比。
梁墩柱模板結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化問題是復(fù)雜的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題,為確保該模型適用于實際環(huán)境,采用遺傳算法求解該模型,具體流程見圖3。
圖3 模板設(shè)計算法流程
2.3.1 遺傳算法編碼
文中設(shè)計變量的編碼位為10位二進制數(shù),編碼方法見式(3),計算各變量編碼精度見表1。
表1 設(shè)計變量編碼精度 mm
(3)
式中,δ為編碼精度;x為變量值;b,a為變量限值,取值范圍為橋梁墩柱模板構(gòu)造尺寸界限。
2.3.2 適應(yīng)度函數(shù)
根據(jù)橋梁墩柱模板質(zhì)量的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,確定其模板質(zhì)量優(yōu)化的適應(yīng)度函數(shù)如下
F(X)=Fmax-φ(X)
(4)
式中,F(xiàn)max取當代群體中最大的目標函數(shù)值;φ(x)為目標函數(shù)[20]。
在參數(shù)及編碼設(shè)定后,系統(tǒng)通過隨機抽取可行解生成初始化種群,對種群交叉、變異后獲得新種群,通過不斷淘汰適應(yīng)度低的種群,形成模板結(jié)構(gòu)設(shè)計的最優(yōu)解,具體流程如下。
(1)設(shè)定參數(shù)及編碼,確定預(yù)賦值、設(shè)計變量、算法運行參數(shù)、循環(huán)變量、種群編碼和個體適應(yīng)度,并對結(jié)構(gòu)設(shè)計變量進行二進制編碼,確定出變量基因和算法搜索空間。
(2)初始化,采用隨機的方法生成初始個體和群體,作為原始種群開始迭代。
(3)適應(yīng)度評價,以適應(yīng)度函數(shù)值的大小判斷染色體的適應(yīng)性。
(4)選擇與交叉,設(shè)置固定比例篩選個體基因放入交配池,并采用兩兩配對方式對交配池中個體進行基因交換。
(5)變異,隨機抽取交叉產(chǎn)生的新個體,并隨機逆轉(zhuǎn)變異個體的某些基因位。
(6)終止準則,當算法收斂或達到最大迭代次數(shù)時,判斷停止循環(huán)并輸出最優(yōu)結(jié)果。
基于BIM自動化橋墩模板結(jié)構(gòu)體系設(shè)計優(yōu)化了模塊流程和平臺框架(圖4)。框架中A、B和C分別代表BIM平臺、模板結(jié)構(gòu)布置的數(shù)學(xué)模型和基于BIM的模板結(jié)構(gòu)布置模擬。A為B提供輸入,以自動生成獲得橋墩結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù),C的輸出為更好地展示B確定的最終方案。
圖4 橋梁墩柱模板結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化模塊功能流程
該算法模塊通過Revit平臺的API接口,建立橋梁墩柱模板設(shè)計模塊和BIM模型之間的集成,實現(xiàn)從橋梁BIM模型中提取設(shè)計信息并結(jié)合模板屬性信息、管理流程進行處理,然后應(yīng)用模板工程設(shè)計模型和模板工程設(shè)計優(yōu)化算法,結(jié)合用戶界面層中的用戶指令和設(shè)計參數(shù)進行模板設(shè)計方案優(yōu)化,實現(xiàn)智能化的設(shè)計方案優(yōu)化,具體框架如圖5所示。
圖5 橋梁墩柱模板結(jié)構(gòu)設(shè)計平臺框架設(shè)計
根據(jù)實地調(diào)研,獲得太焦鐵路項目橋梁墩柱的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及施工荷載信息,采用基于BIM技術(shù)的Revit平臺與輸入的工程設(shè)計參數(shù)相連接提取,實現(xiàn)自動化的參數(shù)集成,結(jié)合手動輸入設(shè)計參數(shù),自動進行計算并判斷設(shè)計結(jié)果是否符合規(guī)范要求,并進行相應(yīng)的優(yōu)化。具體參數(shù)見表2。
表2 模板構(gòu)件材料參數(shù)
其中,混凝土容重為26 kN/m3,澆筑溫度為10 ℃,澆筑速度為2 m/h,無外加劑,所得驗算強度荷載設(shè)計值為77.00 kN/m2,剛度荷載標準值為59.54 kN/m2,且模板高度構(gòu)造要求高度取值為2、1、0.5 m。
根據(jù)上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù),從影響模板結(jié)構(gòu)質(zhì)量的因素出發(fā),模板設(shè)計優(yōu)化模塊對參數(shù)取值范圍內(nèi)的所有搭配可能,進行自動設(shè)計并計算模板結(jié)構(gòu)質(zhì)量。優(yōu)選的橋梁墩柱模板設(shè)計方案見表3。
由表3可知,2 m高度橋梁墩柱模板最優(yōu)設(shè)計方案為面板厚度7.3 mm、橫肋間距1 159 mm、豎肋間距507 mm,背楞間距1 374 mm;1 m高度橋梁墩柱模板最優(yōu)設(shè)計方案為面板厚度8.3 mm、橫肋間距900 mm、豎肋間距575 mm,背距1 000 mm;0.5 m高度橋梁墩柱模板最優(yōu)設(shè)計方案為面板厚度7.2 mm、橫肋間距500 mm、豎肋間距772 mm,背楞間距500 mm。
表3 太焦鐵路橋梁墩柱模板設(shè)計方案
以太焦鐵路某橋梁項目為例對模板結(jié)構(gòu)質(zhì)量進行優(yōu)化,將表3中優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)質(zhì)量與原始質(zhì)量對比,結(jié)果如表4所示,運用設(shè)計模塊優(yōu)化后的模板結(jié)構(gòu)體系總質(zhì)量較原始模板結(jié)構(gòu)體系降低明顯,整體優(yōu)化比例達到37.9%,說明模板設(shè)計優(yōu)化模塊可方便快捷地統(tǒng)計模板結(jié)構(gòu)體系質(zhì)量,改善了傳統(tǒng)模板結(jié)構(gòu)設(shè)計模式中人為因素的影響,有效提高模板結(jié)構(gòu)的利用效率。
表4 不同橋梁墩柱尺寸模板結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化結(jié)果對比
4.3.2 模板結(jié)構(gòu)質(zhì)量優(yōu)化比例分析
通過對不同橋梁墩柱尺寸的模板結(jié)構(gòu)體系質(zhì)量優(yōu)化比例進行對比分析得知,不同的模板厚度,橫、豎肋及背楞間距設(shè)計,模板結(jié)構(gòu)體系的質(zhì)量有很大差別,模板澆筑橋梁墩柱高度越高,模板結(jié)構(gòu)總質(zhì)量優(yōu)化比例越明顯。
在分析傳統(tǒng)橋梁墩柱模板工程設(shè)計模式局限性的基礎(chǔ)上,通過分析模板結(jié)構(gòu)構(gòu)件體系,確定模板結(jié)構(gòu)體系總質(zhì)量最輕作為結(jié)構(gòu)體系設(shè)計目標函數(shù),聯(lián)立強度、剛度、穩(wěn)定性建立約束條件方程組得到模板結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化模型,進而應(yīng)用遺傳算法求解模板最優(yōu)設(shè)計。在此基礎(chǔ)上,將BIM模型作為模板結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化模型的輸入和展示,從而融合BIM技術(shù)自動生成模板設(shè)計方案,以輔助設(shè)計人員進行橋墩模板結(jié)構(gòu)體系設(shè)計。實例應(yīng)用驗證表明,通過采用該模板結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,改善了傳統(tǒng)模板結(jié)構(gòu)設(shè)計模式中人為因素的影響,避免了橋梁墩柱模板工程設(shè)計自動化程度低的問題,有效提高了橋梁墩柱模板工程設(shè)計效率,為橋梁工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究進行了有益的探索。