孫永超

北京市市政工程設計研究總院有限公司 100082

引言

近年來，隨著計算機軟硬件的發(fā)展，BIM 技術(shù)在工程領(lǐng)域得到了廣泛應用。BIM 技術(shù)引領(lǐng)了一場從設計理念到設計手段的信息化革命［1］，帶來了三維參數(shù)化設計的快速發(fā)展。

京雄高速跨永定河特大橋拱肋及風撐的設計，是大橋的重大設計難點之一，傳統(tǒng)的二維平面設計手段，無法完成大橋的設計任務。同時大橋還存在結(jié)構(gòu)不規(guī)則、異型漸變結(jié)構(gòu)多、局部節(jié)點構(gòu)造復雜等諸多技術(shù)難題，采用傳統(tǒng)技術(shù)手段難以解決。鑒于大橋二維設計現(xiàn)狀，基于3DEXPERIENCE平臺強大的參數(shù)化建模、協(xié)同設計、仿真分析、智能建造等優(yōu)勢，利用BIM技術(shù)對京雄高速跨永定河特大橋進行了參數(shù)化協(xié)同設計。

1 項目概況

京雄高速跨永定河特大橋，為北京市最大的建設中拱橋，由主橋、東引橋、西引橋組成。主橋為飛燕式中承系桿拱橋，正立面呈“跨越之虹”造型（圖1），主橋風撐造型抽象于中國結(jié)（圖2），寓意北京與雄安聯(lián)結(jié)協(xié)同發(fā)展，大橋細部設計（如路燈、檢修道、濕地景觀等）延續(xù)中國結(jié)這一設計元素，使人們無論在橋上行走還是橋下瞭望，都能感受到中國結(jié)所體現(xiàn)的連接象征。大橋全長1620m，主橋跨徑300m，兩側(cè)邊拱跨徑50m，輔助孔跨徑60m，橋梁全長520m。

圖1 大橋鳥瞰圖Fig.1 Aerial view of the bridge

圖2 大橋仰視圖Fig.2 Upward view of the bridge

主橋拱肋分中孔拱肋和邊孔拱肋兩部分，在基座處固結(jié)為一體。其中中孔拱肋跨徑300m，中線矢高75m，橫向傾角73°，在300 年洪水位處分為上拱肋和下拱肋兩部分，上拱肋采用鋼箱結(jié)構(gòu)，下拱肋采用箱形鋼混組合結(jié)構(gòu)；邊拱肋采用鋼骨混凝土箱形結(jié)構(gòu)，下端接基座，上端接輔助墩橫梁。

2 基于3DEXPERIENCE平臺大橋參數(shù)化協(xié)同設計

2.1 3DEXPERIENCE平臺簡介

3DEXPERIENCE 平臺，簡稱3DE 平臺，是一個包括設計、仿真、分析工具（CATIA、DELMIA、SIMULIA、BIOVIA、VKBE等）、協(xié)同環(huán)境（VPM）、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（ENOVIA）、社區(qū)協(xié)作（3DSwym）、大數(shù)據(jù)技術(shù)（EXALEAD）等多種應用的一體化平臺。3DE平臺為不同角色的使用者提供了協(xié)同的環(huán)境，解決了以往企業(yè)不同平臺間相互協(xié)作的問題。

CATIA具有強大的曲面建模功能及參數(shù)化能力，為設計師提供了豐富的設計手段。3DEXPERIENCE（3DE）平臺作為CATIA V6 版本，集成了CATIA所有功能，并提供并行、修改協(xié)同等功能［2］。在3DEXPERIENCE 平臺的技術(shù)支持下，設計人可協(xié)同開展設計工作，設計成果實時更新，實現(xiàn)了協(xié)同設計、協(xié)作管理、模型同源、平臺共享、信息的互聯(lián)互通。

2.2 參數(shù)化協(xié)同設計在京雄高速跨永定河特大橋項目中的應用

本項目基于3DEXPERIENCE 平臺，通過“骨架+模板”技術(shù)進行大橋的參數(shù)化協(xié)同設計，同時借助3DEXPERIENCE 平臺對設計成果及項目進展進行三維審查及項目管理，實現(xiàn)復雜橋梁的正向設計，大橋參數(shù)化協(xié)同設計流程如圖3 所示。

圖3 參數(shù)化協(xié)同設計流程Fig.3 Parameterized collaborative design process

1.項目策劃及標準編制

為了實現(xiàn)大橋的三維數(shù)字化設計，制定了《京雄高速跨永定河特大橋BIM實施策劃書》，確定了參數(shù)化設計的實施目標、技術(shù)路線、組織結(jié)構(gòu)、工作組織模式、實施內(nèi)容、資源需求及進度計劃。

基于大橋結(jié)構(gòu)形式及設計現(xiàn)狀，本項目編制了《京雄高速跨永定河特大橋BIM 建模標準》，確定了軟件版本及基本設置、模型定位規(guī)則、項目目錄結(jié)構(gòu)、配色方案、模型及模板管理方式等內(nèi)容。

為了規(guī)范本項目建筑與土木工程信息模型中信息的分類和編碼，實現(xiàn)本項目中建筑與土木工程構(gòu)筑物全生命期信息的交換與共享，編制了項目級的《建筑信息模型分類與編碼標準》，并依照ISO 12006-2 分類框架標準對建筑與土木工程信息模型信息進行了擴充，如表1 所示。

表1 建筑與土木工程信息模型信息分類Tab.1 Information classification of building and civil engineering information model

將單個分類表內(nèi)的分類對象按層次依次分為一級類目“大類”、二級類目“中類”、三級類目“小類”、四級類目“細類”，并制定了分類對象的編碼結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。

圖4 編碼結(jié)構(gòu)Fig.4 Coding structure

為規(guī)范項目BIM 設計交付，提高BIM 模型信息在工程項目全生命周期中的應用效率，編制了《京雄高速跨永定河特大橋BIM 交付標準》，明確了命名規(guī)則、模型細度及拆分原則、屬性信息、交付協(xié)同等內(nèi)容。

通過項目策劃及標準編制，明確了參數(shù)化設計的實施內(nèi)容、實施標準、實施要求，為大橋參數(shù)化設計提供了有力的保障，奠定了堅實的基礎。

2.協(xié)同管理平臺搭建

基于3DEXPERIENCE 平臺，搭建項目協(xié)同管理平臺，將項目任務進行WBS 分解，制定設計工作計劃，形成工作計劃甘特圖，并對人員權(quán)限、工作任務、項目節(jié)點進行設置，優(yōu)化項目管理方法，實現(xiàn)項目參與人員的權(quán)限管理、任務分派管理、風險與問題管理、設計校審管理、設計進度計劃管理、版本管理、流程管理，實現(xiàn)項目管理信息化、BIM設計協(xié)同化，大大提升項目管理效率與設計品質(zhì)，降低項目實施風險。項目管理平臺界面如圖5 所示。

圖5 項目管理平臺Fig.5 Project management platform

3.模型結(jié)構(gòu)樹及骨架搭建

在進行骨架設計時，要具有全局性、統(tǒng)籌性思維，搭建骨架初期應對全橋構(gòu)件進行分解，明確設計內(nèi)容（建模內(nèi)容）、設計深度（模型細度）、設計方法、設計參數(shù)等信息，并根據(jù)項目級《BIM實施策劃書》、《BIM 建模標準》、《BIM 模型交付標準》、《分類及編碼標準》等標準，搭建大橋參數(shù)化設計模型的結(jié)構(gòu)樹，將整個結(jié)構(gòu)樹向下細分，并根據(jù)編碼對其進行命名，確保構(gòu)件的唯一性，模型結(jié)構(gòu)樹如圖6 所示。

圖6 參數(shù)化設計模型結(jié)構(gòu)樹Fig.6 Structure tree of parametric design model

根據(jù)景觀設計方案、道路條件，搭建模型骨架線，利用骨架線對整體橋梁設計進行宏觀控制，驅(qū)動依附之上的橋梁構(gòu)件模板自適應調(diào)整，達到實時參數(shù)化控制與修改。大橋參數(shù)化設計骨架包含幾何要素和非幾何要素，幾何要素主要是道路平曲線、豎曲線、道路邊線、拱軸線、拱角線、吊桿定位線等，非幾何要素主要包含設計參數(shù)、設計表、數(shù)據(jù)編碼等，大橋參數(shù)化設計骨架如圖7 所示。

圖7 大橋參數(shù)化設計骨架Fig.7 Parametric design skeleton of bridge

大橋骨架一般采用常規(guī)方法搭建，對于重復、有規(guī)律、數(shù)量較多的幾何元素（如吊桿定位線）也可通過VBA宏編程方法進行創(chuàng)建，見圖8。為實現(xiàn)通過參數(shù)驅(qū)動骨架的調(diào)整，創(chuàng)建骨架線時應通過參數(shù)創(chuàng)建命令創(chuàng)建參數(shù)并做好各參數(shù)間的有序關(guān)聯(lián)。骨架線搭建完成應根據(jù)編碼及命名原則對骨架進行命名并將其發(fā)布，以便后續(xù)各專業(yè)設計人對其引用，并基于此進行各專業(yè)的參數(shù)化設計。

圖8 批量創(chuàng)建吊桿定位線部分代碼Fig.8 Part code of create boom location lines in batch

4.參數(shù)化設計

本橋設計的最大難點在于空間扭曲板的參數(shù)化設計，以拱肋設計為例，拱肋造型為傾斜的空間懸鏈線，拱肋由底部的矩形漸變到頂部的不規(guī)則五邊型，使拱肋壁板呈空間扭曲形態(tài)，采用傳統(tǒng)二維設計方法難以完成。如何不改變建筑師設計的空間扭曲面，確保設計構(gòu)件可以加工制造并滿足設計要求，是本橋設計需要解決的重大難題。

3DEXPERIENCE平臺有強大的曲面建模功能及參數(shù)化協(xié)同設計能力［3］，恰恰為解決這一設計難題提供了便利條件。在進行拱肋壁板設計時，將脊線作為控制條件，通過兩條引導線，利用直紋掃掠功能即可生成高斯曲率較優(yōu)的曲面［4］。

根據(jù)整體計算結(jié)果，通過參數(shù)創(chuàng)建建立拱肋設計控制參數(shù)，如壁板厚度、壁板坡比、加勁肋厚度、加勁肋高厚比、加勁肋開孔尺寸等參數(shù)，如圖9 所示。

圖9 拱肋部分設計參數(shù)Fig.9 Arch rib part design parameters

根據(jù)設計深度、部件位置，建立不同細度、不同形式（UDF、Powercopy、工程模板）的模板：拱肋壁板內(nèi)表面模板、壁板加勁肋通過孔模板、壁板加勁肋模板、橫隔板加勁肋通過孔模板、橫隔板加勁肋模板、橫隔板模板。通過“骨架+模板”方法［5］進行拱肋壁板、壁板加勁肋、橫隔板及橫隔板加勁肋的設計，如圖10 所示。

圖10 拱肋參數(shù)化設計Fig.10 Parametric design of arch rib

5.協(xié)同設計

基于3DEXPERIENCE 平臺，設計成果實現(xiàn)了平臺共享。各專業(yè)、各設計人基于大橋參數(shù)化設計骨架同步開展參數(shù)化設計，設計成果即可同步實時更新。以本橋為例，在設計初期就將模型部件進行分解，將整個主橋分成了南側(cè)東邊拱肋、南側(cè)主拱肋、南側(cè)西邊拱肋、北側(cè)東邊拱肋、北側(cè)主拱肋、北側(cè)西邊拱肋、拱頂風撐、東側(cè)主梁鋼梁段、中跨主梁鋼梁段、西側(cè)主梁鋼梁段、南側(cè)拱肋吊桿、北側(cè)拱肋吊桿等多個部件。在進行設計時，各設計人在對應的部件下基于參數(shù)化設計骨架開展設計即可，協(xié)同設計過程中，無需進行設計成果整合，通過更新命令便可實時實現(xiàn)其他設計人設計成果的同步、瀏覽、查看、校核，實現(xiàn)了實時協(xié)同設計，避免了傳統(tǒng)二維設計中的“錯、漏、碰、缺”問題，提升了整體設計水平，降低了實施風險，參數(shù)化設計成果見圖11。

圖11 參數(shù)化協(xié)同設計成果Fig.11 Parametric collaborative design results

6.參數(shù)化分析

京雄高速跨永定河特大橋，由于拱肋截面呈空間扭曲形態(tài)，吊桿錨區(qū)與拱肋錨腹板間關(guān)系異常復雜，與常規(guī)拱橋錨區(qū)差異較大，在進行橋梁整體計算或局部計算時，采用傳統(tǒng)仿真分析方法不僅截面建模工作量巨大且難以完成。

為了進一步研究拱肋錨區(qū)的受力特征，本項目利用3DEXPERIENCE 平臺下的通用計算分析平臺，對參數(shù)化設計模型進行了計算分析，分析內(nèi)容涵蓋吊桿錨區(qū)受力分析、鋼拱肋畸變翹曲分析等，吊桿錨區(qū)受力分析如圖12 所示。與傳統(tǒng)的計算分析相比，3DEXPERIENCE平臺提供了計算分析APP，基于原有參數(shù)化設計模型即可進行材料定義、網(wǎng)格劃分、荷載施加、計算分析，避免了二次建模、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化等繁瑣的過程，實現(xiàn)了設計模型和計算分析模型的數(shù)據(jù)同源，原有參數(shù)化設計模型改變時，有限元模型可同步更新已創(chuàng)建的有限元網(wǎng)格及邊界條件，可以很方便地進行參數(shù)敏感性分析，大大提升了局部模型的計算分析效率。

圖12 吊桿錨區(qū)受力分析Fig.12 Stress analysis of derrick anchor zone

7.三維校審

鑒于京雄高速跨永定河特大橋采用三維數(shù)字化設計方法開展設計，本項目引入三維校審方法對設計成果進行校審。三維校審有兩種模式，一種是基于ENOVIA項目管理平臺的三維校審，一種是基于CATIA模塊的三維校審?；贓NOVIA的三維校審偏于管理，基于CATIA模塊的三維校審偏于深入應用及協(xié)同設計。為了實現(xiàn)更高效率、更深層次的三維校審，本項目提出了一種新的三維校審方法，將三維校審劃分為如下幾個階段：自校階段、校核階段、審核階段、審定階段。

在自校階段，設計人對設計成果的完整性進行自校，通過瀏覽和觀察模型及其他設計成果（圖紙、計算書）進行目錄樹、功能元素、內(nèi)部元素的完整性檢查，通過剖切、漫游等工具檢查模型內(nèi)部空間和細部構(gòu)造，確保設計成果完整并滿足規(guī)范要求。

在校核階段，校核人基于CATIA模塊design review APP對設計人提交的設計成果的合理性進行校核，檢查模型是否滿足設計技術(shù)（技術(shù)要求、標準規(guī)范）的規(guī)定，其次在滿足設計控制性要求的前提下，綜合檢查模型與模型（空間布置、功能邏輯、技術(shù)銜接）之間對接的合理性；最后通過對模型和設計技術(shù)的綜合考察，探索設計技術(shù)（包括模型）是否有優(yōu)化的空間，基座設計的校核如圖13 所示。

圖13 基座審查Fig.13 Base review

在審核階段，審核人基于ENOVIA對設計成果（設計模型、計算書、輸出的圖紙等）進行審核，主要審核設計是否符合《工程建設標準強制性條文》、設計采用的技術(shù)標準規(guī)范是否恰當，審核計算書中的計算原則、基礎數(shù)據(jù)、工程數(shù)量、重要計算公式和計算方法、重要結(jié)構(gòu)計算模式、計算軟件的選用是否正確，審核設計模型及輸出圖紙的主要尺寸是否齊全、控制性尺寸是否正確等內(nèi)容。

在審定階段，審定人基于ENOVIA對設計成果（設計模型、計算書、輸出的圖紙等）、項目建議書等內(nèi)容進行審定，主要審定設計是否符合《工程建設標準強制性條文》、設計方案是否合理、設計依據(jù)和設計標準是否齊全正確、關(guān)鍵部位及薄弱環(huán)節(jié)的計算是否合理，及時解決技術(shù)問題及技術(shù)分歧等。

通過三維審核，解決了三維數(shù)字化設計成果的審核問題，實現(xiàn)了參數(shù)化設計與項目管理的結(jié)合，為三維數(shù)字化精細設計打下了堅實的基礎。

3 結(jié)語

為了解決京雄高速跨永定河特大橋項目的設計難題，本項目基于3DEXPERIENCE 平臺對大橋進行了參數(shù)化協(xié)同設計，通過應用得到如下認知：

1.基于3DEXPERIENCE 平臺參數(shù)化設計方法打破了傳統(tǒng)異型曲面二維設計模式，解決了扭曲曲面設計難題，實現(xiàn)了復雜異型結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設計，提升了設計效率，縮短了設計周期。

2.不同專業(yè)不同設計人基于同一平臺開展設計工作，模型可實時瀏覽、查看、修改、更新與校核，避免了傳統(tǒng)二維設計中的“錯、漏、碰、缺”問題，解決了不同平臺間相互協(xié)作的問題，實現(xiàn)了真正意義上的協(xié)同設計，大大提升了整體設計水平。

3.基于BIM模型進行計算分析，打破了傳統(tǒng)計算分析模式，實現(xiàn)了BIM模型與計算分析模型的數(shù)據(jù)同源、實時更新，避免了重復建模、模型轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)缺失等問題，大大提升了計算分析效率。

4.基于3DEXPERIENCE 平臺參數(shù)化設計方法，解決了本項目異型復雜結(jié)構(gòu)的設計及三維數(shù)字化設計成果的審核等難題，實現(xiàn)了參數(shù)化設計與項目管理的結(jié)合，為項目后續(xù)施工、運維提供了精細的數(shù)據(jù)模型，為BIM技術(shù)在本項目的深入應用打下了良好基礎，后續(xù)將不斷應用并及時總結(jié)，以期提供更多的成果與經(jīng)驗，為后續(xù)的工程提供借鑒。