劉安 楊文標(biāo)
1.江西交通咨詢有限公司 江西 南昌 330108
2.江蘇狄諾尼信息技術(shù)有限責(zé)任公司 江蘇 南京 210000
BIM技術(shù)為實(shí)現(xiàn)橋梁全壽命周期信息化提供了有效的解決手段,在祁婺高速橋梁設(shè)計(jì)階段采用BIM技術(shù),利用參數(shù)化建模技術(shù)建立了常規(guī)橋梁及60m鋼混組合梁參數(shù)化構(gòu)件庫(kù);基于BIM模型進(jìn)行了設(shè)計(jì)方案碰撞檢查[1],鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算[2]、防眩模擬,減少設(shè)計(jì)返工;同時(shí)利用BIM模型制作鋼梁關(guān)鍵工序施工動(dòng)畫(huà),提升了設(shè)計(jì)交底效果。
德州至上饒高速公路贛皖界至婺源段新建工程(簡(jiǎn)稱“祁婺高速”)是國(guó)家高速公路網(wǎng)中G0321的重要組成部分,“10縱10橫21聯(lián)”高速公路網(wǎng)中“10縱”之一。祁婺高速是2018年江西省公路水運(yùn)建設(shè)工程BIM技術(shù)推廣技術(shù)應(yīng)用試點(diǎn)工程,旨在設(shè)計(jì)、施工階段開(kāi)展BIM技術(shù)應(yīng)用示范。項(xiàng)目路線總長(zhǎng)度40.747公里,本項(xiàng)目主線采用雙向四車(chē)道的高速公路標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)速度為 100公里/小時(shí);路基寬度為 26米;項(xiàng)目橋隧比高達(dá)53%(其中特大橋5座,均為鋼混組合梁,共計(jì)6萬(wàn)余噸)。
為提高橋梁模型建立效率及探索橋梁BIM正向設(shè)計(jì),祁婺項(xiàng)目常規(guī)橋梁采用同豪方案設(shè)計(jì)師BIM正向設(shè)計(jì)系統(tǒng)[3]。鋼混組合梁橋梁采用Catia及Revit平臺(tái),有利于施工、加工階段模型深化,開(kāi)展工廠化生產(chǎn)構(gòu)件、鋼結(jié)構(gòu)數(shù)字化加工,可充分利用BIM模型,實(shí)現(xiàn)基于BIM技術(shù)的橋梁裝配式建造[4]。
(1)軟件平臺(tái)選用
祁婺高速公路勘察設(shè)計(jì)項(xiàng)目組以提升設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)品質(zhì)為導(dǎo)向,組建了BIM設(shè)計(jì)小組,全面開(kāi)展本項(xiàng)目的BIM設(shè)計(jì)工作。BIM設(shè)計(jì)小組對(duì)目前國(guó)內(nèi)交通行業(yè)BIM應(yīng)用現(xiàn)狀和各軟件平臺(tái)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析,擬定了全專業(yè)、全設(shè)計(jì)周期、多軟件平臺(tái)融合的BIM+GIS應(yīng)用思路[5]。首先,基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)+機(jī)載Lidar完成項(xiàng)目的三維地形數(shù)據(jù)測(cè)量,構(gòu)建滿足全設(shè)計(jì)周期的三維GIS場(chǎng)景;其次,借助Bentley MicroStation軟件平臺(tái),融合地質(zhì)、地形、構(gòu)造等多源勘測(cè)數(shù)據(jù),建立高精度、小體量、全屬性的三維地質(zhì)模型;然后針對(duì)橋梁特點(diǎn),采用 Bentley+Autodesk+EIBIM+達(dá)索等多平臺(tái)協(xié)同工作建立全專業(yè)設(shè)計(jì)數(shù)字化模型[6]。
表1 祁婺使用軟件平臺(tái)表
(2)BIM參數(shù)化族庫(kù)
公路工程橋梁通常以經(jīng)濟(jì)適用的橋梁為主,數(shù)量較多,結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單,受力明確,施工工藝較為成熟,常規(guī)橋上部結(jié)構(gòu)可模塊化施工;互通線性多樣,互通區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜,樣式多變。本項(xiàng)目橋梁規(guī)模大,根據(jù)山區(qū)建設(shè)條件,采用常規(guī)T梁橋和60m 跨π型鋼混組合梁兩種形式橋梁結(jié)構(gòu)。為提高橋梁模型建立效率,承接傳統(tǒng),創(chuàng)新應(yīng)用,創(chuàng)建常規(guī)橋梁參數(shù)化族庫(kù),用設(shè)計(jì)方法和工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)描述工程構(gòu)件,當(dāng)路線資料、設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)原則發(fā)生改變時(shí),能夠參數(shù)化快速調(diào)整設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的高效、協(xié)同、共享。
為實(shí)現(xiàn)模型的快速建立,分別建立了不同類型橋梁部件的參數(shù)化構(gòu)件庫(kù),并通過(guò)程序快速實(shí)例化形成全橋模型,以模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),分別生成圖紙和工程量。基于達(dá)索系統(tǒng)3DEXPERIENCE平臺(tái)開(kāi)展三維協(xié)同設(shè)計(jì),梳理并定義橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中的模板,并搭建合理的鋼混組合梁構(gòu)件庫(kù)架構(gòu),適合橋梁工程三維設(shè)計(jì)應(yīng)用和維護(hù)。
祁婺高速創(chuàng)建了全線橋梁族庫(kù)模型,橋梁族庫(kù)文件參數(shù)化程度達(dá)90%,并配備族庫(kù)參數(shù)使用說(shuō)明,出臺(tái)相應(yīng)族庫(kù)添加、刪減、更新的使用辦法,規(guī)范項(xiàng)目族庫(kù)使用。族庫(kù)概念源于Autodesk公司基于BIM技術(shù)開(kāi)發(fā)的Revit系列軟件,歐特克公司的Autodesk軟件在我國(guó)工程領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用,有深厚的基礎(chǔ),并且該軟件都提供免費(fèi)試用版,目前在BIM上的應(yīng)用最為廣泛。Revit提出了“族”的概念[7],“族”是參數(shù)化建模的最好體現(xiàn)。Revit所有圖元都是基于“族”的,類似于AutoCAD里面的圖塊,但又不同于圖塊。每個(gè)族在創(chuàng)建時(shí)都能定義其類別并且可被修改,每個(gè)“族”單元能夠定義多種類別,如橋墩屬于結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)類別、橋面屬于結(jié)構(gòu)連接類別。根據(jù)“族”創(chuàng)建者的設(shè)計(jì),每種類別可具有不同的尺寸、形狀、材質(zhì)設(shè)置或其他參數(shù)變量。設(shè)計(jì)者可不用學(xué)習(xí)復(fù)雜的編程語(yǔ)言,便能創(chuàng)建自己需要構(gòu)建族,并且可在族編輯器中根據(jù)需要加入各種參數(shù),使其成為集成了所有你需要信息的“數(shù)據(jù)庫(kù)”[8]。在BIM中,建筑模型是由這些“族”有機(jī)系統(tǒng)“搭建”起來(lái)的。又因?yàn)楸辉O(shè)計(jì)師創(chuàng)建的各種類別的“族”包含著該類別構(gòu)件的所有信息,這樣創(chuàng)建的模型與傳統(tǒng)的幾何模型不同,是真正的建筑信息。
(3)Dynamo智能建模
BIM技術(shù)作為一種全新的工作思路,其全面輔助管理、全生命周期跟進(jìn)的理念為公路行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)全新的契機(jī)。在 BIM 工作平臺(tái)上,項(xiàng)目被分解成一個(gè)個(gè)信息化、可視化的單元,然后拼裝成一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目模型。該模型包含著項(xiàng)目設(shè)計(jì)的全部信息,既可以通過(guò)精準(zhǔn)的計(jì)算和分析,為設(shè)計(jì)人員提供規(guī)劃、設(shè)計(jì)、變更等過(guò)程中的依據(jù),也可以通過(guò)圖紙聯(lián)動(dòng)更改和自動(dòng)輸出,提高工作效率,減少設(shè)計(jì)人員重復(fù)勞動(dòng)。
Autodesk 公司基于BIM技術(shù)開(kāi)發(fā)的Revit系列軟件,歐特克公司的 Autodesk軟件在我國(guó)工程領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用,有深厚的基礎(chǔ),并且該軟件都提供免費(fèi)試用版,目前在 BIM上的應(yīng)用最為廣泛。采用Dynamo軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模。Dynamo是Autodesk 公司推出的一款功能十分強(qiáng)大,并且十分便捷的可視化編程軟件。它的視覺(jué)化程序設(shè)計(jì)便是為了降低程序開(kāi)發(fā)門(mén)檻而誕生的,它以腳本的形式提供一個(gè)圖形化的界面,組織連結(jié)預(yù)先設(shè)計(jì)好的節(jié)點(diǎn)來(lái)表達(dá)數(shù)據(jù)處理的邏輯,形成可執(zhí)行的程序,從而使設(shè)計(jì)師不用寫(xiě)代碼就可以享受到計(jì)算式設(shè)計(jì)的好處。Dynamo 程序可以與Autodesk公司其他軟件交互,尤其是可以與現(xiàn)在最常用的建模軟件Revit的BIM模型能及時(shí)聯(lián)動(dòng),無(wú)需輸出,對(duì)復(fù)雜幾何、參數(shù)式構(gòu)造設(shè)計(jì)、資料連結(jié)、工作流程的自動(dòng)化工作都有很好的支持。
Dynamo是可以基于Revit軟件使用的可視化編程平臺(tái),能夠在revit中創(chuàng)建和處理復(fù)雜邏輯關(guān)系。Dynamo具有較高的開(kāi)放性和可塑性,允許用戶自由的創(chuàng)建和編寫(xiě)應(yīng)用節(jié)點(diǎn),并在一定范圍內(nèi)推廣使用。
利用Dynamo軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)橋梁參數(shù)化建模[9],Dynamo是Autodesk公司推出的一款功能十分強(qiáng)大,并且十分便捷的可視化編程軟件。它的視覺(jué)化程序設(shè)計(jì)便是為了降低程序開(kāi)發(fā)門(mén)檻而誕生的,它以腳本的形式提供一個(gè)圖形化的界面,組織連結(jié)預(yù)先設(shè)計(jì)好的節(jié)點(diǎn)來(lái)表達(dá)數(shù)據(jù)處理的邏輯,形成可執(zhí)行的程序,從而使設(shè)計(jì)師不用寫(xiě)代碼就可以享受到計(jì)算式設(shè)計(jì)的好處。Dynamo程序可以與Autodesk公司其他軟件交互,尤其是可以與現(xiàn)在最常用的建模軟件Revit的BIM模型能及時(shí)聯(lián)動(dòng),無(wú)需輸出,對(duì)復(fù)雜幾何、參數(shù)式構(gòu)造設(shè)計(jì)、資料連結(jié)、工作流程的自動(dòng)化工作都有很好的支持。
項(xiàng)目所在區(qū)域?yàn)樯降氐孛?,地形起伏大,高?30余米,地勢(shì)大致由東北向西南傾斜,境內(nèi)山巒重疊,溪澗縱橫,森林植被茂密,覆蓋率高達(dá)82%??紤]到傳統(tǒng)的人工測(cè)量手段測(cè)量周期長(zhǎng)、工作難度大等問(wèn)題,在本項(xiàng)目勘察設(shè)計(jì)初期,擬定利用機(jī)載 Lidar 技術(shù)結(jié)合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行,實(shí)現(xiàn)高精度的野外勘測(cè)的思路。按照國(guó)家基礎(chǔ)航空攝影地區(qū)困難類別劃分,本項(xiàng)目攝區(qū)困難等級(jí)均屬于Ⅳ類。
基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)+機(jī)載 Lidar 技術(shù),通過(guò)地面建設(shè)的婺源站、江灣站和沱川站北斗地基增強(qiáng)網(wǎng),為飛行提供高精度、實(shí)時(shí)的坐標(biāo)基準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)高精度的外方位控制;飛行自帶高精度POS系統(tǒng),實(shí)時(shí)解算內(nèi)方位參數(shù)(毫米級(jí)),數(shù)據(jù)獲取周期短、效率高。
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)著眼于國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要,自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),打破了發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的壟斷。本項(xiàng)目利用機(jī)載Lidar技術(shù)結(jié)合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、北斗基站進(jìn)行,實(shí)現(xiàn)高精度的野外勘測(cè),利用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)共完成野外勘測(cè)46平方千米,獲取了道路、0村莊、山地、河流、池塘等分類點(diǎn)云數(shù)據(jù)及數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正射影像圖(DOM)和數(shù)字線劃地圖(DLG)等高精度4D成果。飛行自帶高精度POS系統(tǒng),實(shí)時(shí)解算內(nèi)方位參數(shù)(毫米級(jí)),數(shù)據(jù)獲取周期短、效率高。項(xiàng)目將北斗技術(shù)應(yīng)用于高速公路勘測(cè)設(shè)計(jì),基于高精度4D成果,構(gòu)建滿足全設(shè)計(jì)周期的真實(shí)三維GIS場(chǎng)景,用于道路三維設(shè)計(jì)和可視化展示。
采用動(dòng)態(tài)交互的建模方式,充分融合了地質(zhì)調(diào)繪數(shù)據(jù)、鉆探數(shù)據(jù)、物探數(shù)據(jù)、不良地質(zhì)數(shù)據(jù)、地質(zhì)構(gòu)造數(shù)據(jù)及地形數(shù)據(jù)等全方位勘測(cè)數(shù)據(jù),建立高精度、小體量、全屬性的三維地質(zhì)模型。項(xiàng)目通過(guò)建立三維輕量化的地質(zhì)模型,有助于快速核查地質(zhì)勘察成果,輔助二維勘察圖紙出圖,將地質(zhì)模型與設(shè)計(jì)模型整合,直觀核查橋梁樁基隧道等設(shè)計(jì)方案,輔助橋梁、隧道設(shè)計(jì)人員的復(fù)核審查。
祁婺高速基于自主研發(fā)的設(shè)計(jì)協(xié)同平臺(tái)開(kāi)展工作,可實(shí)現(xiàn)多地域、多參與方、多繪圖平臺(tái)(2D/3D)的一體化協(xié)同設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)多地協(xié)同工作,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的一體化和集中化管控。平臺(tái)對(duì)項(xiàng)目整個(gè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)管控,在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)資料互提、設(shè)計(jì)評(píng)審、設(shè)計(jì)校審、電子簽名(章)授權(quán)、文件出版等關(guān)鍵質(zhì)量管理流程提供真實(shí)有效的項(xiàng)目數(shù)據(jù),從而有效提高了設(shè)計(jì)產(chǎn)品質(zhì)量和項(xiàng)目管理水平。
橋梁設(shè)計(jì)以經(jīng)濟(jì)適用的簡(jiǎn)支橋梁為主,數(shù)量較多,結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單,受力明確,施工工藝較為成熟,項(xiàng)目60m鋼混組合梁規(guī)模大,施工難度高。為提高橋梁模型建模效率及探索橋梁BIM正向設(shè)計(jì),本項(xiàng)目常規(guī)橋梁采用同豪方案設(shè)計(jì)師BIM正向設(shè)計(jì)系統(tǒng),鋼混組合梁橋梁采用Catia及Revit,有利于施工、加工階段模型深化,充分利用BIM模型,實(shí)現(xiàn)基于BIM技術(shù)的橋梁裝配式建造。
達(dá)索系統(tǒng)3Dexperience平臺(tái)[10]開(kāi)展三維協(xié)同設(shè)計(jì)流程:一、梳理和定義出橋梁的骨架基線,基于該骨架進(jìn)行橋梁的三維協(xié)同設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)橋梁的三維BIM設(shè)計(jì);二、橋梁構(gòu)件庫(kù)搭建,梳理并定義橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中的模板(輸入條件),并搭建合理的構(gòu)件庫(kù)架構(gòu),適合橋梁工程三維設(shè)計(jì)應(yīng)用和維護(hù);三、橋梁設(shè)計(jì)管理,設(shè)計(jì)人員在3Dexperience平臺(tái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)管理(BOM)、模型校審、工程文檔管理、模型變更等內(nèi)容。
(1)常規(guī)橋梁BIM正向設(shè)計(jì)系統(tǒng)
基于Revit+方案設(shè)計(jì)師,建立常規(guī)混凝土橋梁的BIM設(shè)計(jì)流程。基于Revit軟件,實(shí)現(xiàn)了通用構(gòu)造的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)和二維圖紙輸出,應(yīng)用方案設(shè)計(jì)師軟件,快速建立全橋模型,依據(jù)項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)加入信息,再由三維模型輸出全橋二維圖紙。常規(guī)橋梁的 BIM 設(shè)計(jì)流程采用正向設(shè)計(jì)原理,用設(shè)計(jì)方法和工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)描述工程構(gòu)件,當(dāng)路線資料、設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)原則發(fā)生改變時(shí),能夠參數(shù)化快速調(diào)整設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的高效、協(xié)同、共享。
方案設(shè)計(jì)師建立常規(guī)混凝土橋梁的BIM設(shè)計(jì)流程,采用BIM設(shè)計(jì)手段快速建立全橋模型,依據(jù)項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)加入信息,再由三維模型輸出全橋二維圖紙,實(shí)現(xiàn)三維信息模型和二維圖紙的精確匹配和同步交付。
(2)鋼混組合橋梁BIM正向設(shè)計(jì)系統(tǒng)
基于Revit族庫(kù)平臺(tái)建立全橋鋼結(jié)構(gòu)精細(xì)化模型,借助參數(shù)化構(gòu)件加快建模速度,建立三維模型和二維圖紙的聯(lián)動(dòng),輔助二維圖紙的出圖和工程量的計(jì)算復(fù)核,基于精細(xì)化模型開(kāi)展結(jié)構(gòu)輔助計(jì)算,為結(jié)構(gòu)空間有限元計(jì)算提供高質(zhì)量的幾何模型?;赗evit的鋼混組合梁三維參數(shù)化設(shè)計(jì),在組合梁復(fù)雜幾何、參數(shù)式構(gòu)造設(shè)計(jì)中更具優(yōu)勢(shì),設(shè)計(jì)直觀,方案更趨合理,以參數(shù)化族樣板文件為核心,在設(shè)計(jì)方案迭代優(yōu)化過(guò)程中,設(shè)計(jì)出圖效率相對(duì)更為便捷。
(3)達(dá)索系統(tǒng)3Dexperience協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)
達(dá)索系統(tǒng)3Dexperience平臺(tái)建立長(zhǎng)灘大橋鋼混組合梁橋梁模型,基于該橋梁工程進(jìn)行三維協(xié)同設(shè)計(jì)及項(xiàng)目管理。達(dá)索系統(tǒng)3Dexperience平臺(tái)開(kāi)展設(shè)計(jì)階段項(xiàng)目管理,通過(guò)在3Dexperience平臺(tái)上制定WBS模板,快速定義橋梁項(xiàng)目工作計(jì)劃,包括時(shí)間、人員、任務(wù)等;建立了統(tǒng)一的項(xiàng)目管理平臺(tái),對(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)計(jì)劃進(jìn)行全過(guò)程管理和監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目管理和設(shè)計(jì)能力的提升。
充分利用BIM模型,基于BIM模型的數(shù)值分析是未來(lái)土木行業(yè)朝著更智能化方向發(fā)展的一個(gè)重要研究方向。在傳統(tǒng)數(shù)值分析中,計(jì)算模型需要在計(jì)算軟件中生成,由于計(jì)算軟件建模功能有限,造成了建模工作量大和模型精度不高的問(wèn)題。隨著B(niǎo)IM技術(shù)的出現(xiàn),軟件公司開(kāi)始嘗試通過(guò)導(dǎo)入BIM模型進(jìn)行數(shù)值分析,但由于接口問(wèn)題會(huì)不可避免的造成模型數(shù)據(jù)的損失。軟件集成是解決軟件間接口問(wèn)題的有效手段,作為主流BIM軟件之一,達(dá)索系統(tǒng)3DEXPERIENCE平臺(tái)數(shù)值分析模塊SIMULIA集成了傳統(tǒng)計(jì)算軟件ABAQUS,在平臺(tái)中可以直接由建模模塊切換到計(jì)算模塊,當(dāng)建模模塊中的模型參數(shù)變化時(shí)計(jì)算模塊中的計(jì)算模型聯(lián)動(dòng),極大提高了計(jì)算效率,Revit軟件同樣可以將模型通過(guò)格式無(wú)損轉(zhuǎn)換導(dǎo)入ABAQUS。將提取后的結(jié)構(gòu)導(dǎo)入到計(jì)算軟件ABAQUS,按照添加材料參數(shù)→劃分單元網(wǎng)格→定義分析類型→定義接觸面→添加荷載→定義邊界條件的順序生成計(jì)算模型,在ABAQUS平臺(tái) ProcessComposer 模塊中定義數(shù)值分析計(jì)算過(guò)程,并執(zhí)行定義的計(jì)算流程。
橋梁由于采用BIM正向設(shè)計(jì)手段,各專業(yè)協(xié)同工作更簡(jiǎn)便,橋梁設(shè)計(jì)表現(xiàn)更直觀,所有模型準(zhǔn)確銜接,設(shè)計(jì)精細(xì)度和精準(zhǔn)度高。應(yīng)用三維可視化成果輔助方案溝通、復(fù)核審核、設(shè)計(jì)交底,準(zhǔn)確直觀、簡(jiǎn)潔明了,幾乎只需傳統(tǒng)溝通方式一半的時(shí)間即可完成交流,節(jié)約大量時(shí)間和精力,溝通效率大幅提升。
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)著眼于國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要,自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),打破了發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的壟斷,祁婺項(xiàng)目使用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)使得項(xiàng)目獲取的GIS數(shù)據(jù)安全可靠、獲取周期短、效率高。