沪昆客专北盘江特大桥BIM应用研究

■ 杨咏漪 徐勇 陈列

沪昆客专北盘江特大桥BIM应用研究

■ 杨咏漪 徐勇 陈列

桥梁业与建筑业相比，具有与地形地质结合紧密和二维出图更为复杂等特点，BIM技术在桥梁领域的应用国内外尚处于起步阶段。以沪昆客专北盘江特大桥为工程背景，采用达索平台建立全桥BIM模型，并对BIM技术在设计、施工和运营方面的应用进行了探索性研究。

桥梁工程；建筑信息模型；全寿命管理

信息技术已经为制造业、电子业等行业带来了革新性的变化，而BIM技术作为建筑业信息革命的核心，已经领导建筑业开始一场继CAD技术革命后的又一场技术革命[1]。不久的将来，建筑业的生产效率必将在BIM技术的带领与支持下得到极大提高，建筑生产方式也将随着BIM技术的应用及普及发生革命性的变化[2]。以主跨445 m的沪昆客专北盘江特大桥为工程背景，对BIM技术在设计、施工和运营方面的应用进行探索性研究。

1 工程概况

北盘江特大桥是沪昆客专的控制性工程，建成后将成为世界上最大跨度的钢筋混凝土拱桥之一。该桥在贵州省关岭县和晴隆县之间跨越北盘江，主桥为445 m上承式钢筋混凝土拱桥，梁部孔跨布置为1-32 m+2-65 m T构+8-42 m连续梁+2-65 m T构+2-37 m连续梁[3]。北盘江特大桥效果图见图1。

2 BIM在设计中的应用

北盘江特大桥造型复杂，拱圈为变高、变宽和空间扭曲的外包混凝土劲性骨架箱形结构，其中拱轴线为悬链线，拱轴系数为1.6。拱圈中心跨度为445.00 m，矢高100.00 m。拱圈为单箱三室、等高度、变宽度箱体，高度9.00 m，拱顶315 m段为18.00 m等宽，拱脚65 m段为18.00～28.00 m变宽，拱圈变宽由左右两个边室的宽度变化来实现。拱箱中间箱室为9.80 m，左右两个边箱室为3.50～8.50 m变宽。

2.1 构建三维协同设计平台

图1 北盘江特大桥效果图

北盘江特大桥涉及测绘、线路、地质、桥梁、隧道、轨道和路基等多个专业，需要建立统一的设计环境，并能对三维模型和零件进行有效管理。因此，利用ENOVIA

VPM构建三维协同设计平台（见图2），实现了项目数据可视化管理、完整变化的设计上下文环境、支持参考已有的设计数据、设计知识模板重用、关联设计关联、系统即时通知、设计任务转移、CATIA应用性能提升、离线设计和数据共享安全等目的。

2.2 地形、地质建模

地形和地质建模是一个复杂的问题，开发了AutoCAD转换插件，生成了CATIA能识别的点云文件，利用CATIA的逆向功能模块构建了复杂地形、地质和水文实体。图3是在3DVia Composer中采用爆炸视图方式轻量化展现的地形、地质和水文实体。

2.3 三维参数化建模

针对北盘江特大桥的结构特点，构建参数化模板库，利用知识工程将几何变形、逻辑关系和外部输入条件封装在模板中，采用先进的骨架式建模思想，建立全桥模型骨架，通过模板实例化实现构件在三维空间的精准定位和自适用变形设计，并利用知识工程的黑盒功能对模板进行封装，从而有效保护了设计人员的知识产权[4]。三维参数化建模见图4—图6。

2.4 二维出图

将指定的三维模型在二维工程图上投影、剖切并添加特定标注构建出二维工程图模板，再使其与三维模型相关联，从而快速生成二维工程图。

2.5 工程量统计

图2 三维协同设计平台

图3 地形、地质和水文轻量化展示

图4 部分三维参数化模型及模板

图5 节段劲性骨架轻量化展示

图6 最大施工阶段模型

CATIA的BOM表统计功能只能对零件级别进行工程量统计，针对这种情况，采用CAA[5]开发了CATIA工程量统计插件，该插件对产品树下的零件和实体进行遍历统计，并定制了工程量输出表格。

2.6 干涉及碰撞检查通过碰撞检查功能，可以检测构件的接触和碰撞问题（见图7），从而实现结构的数字化预拼装。

2.7 桥墩实体分析

利用CATIA的分析模块，实现CAD与CAE的一体化。以交接墩为例，进行背索优化分析（见图8），计算结果表明根部背索可以优化。

2.8 海量数据管理

北盘江特大桥的BIM模型数据量超过4G，模型文件总量超过1万个，利用VPM（见图9）采用如下方式减少了计算机资源消耗，可以使全桥模型在笔记本电脑上运行：（1）高速缓存模式后台实现模型轻量化；（2）上下文追加方式快速构建设计环境；（3）实时数据卸载减轻计算机负担。

2.9 数据命名规则

通过北盘江特大桥三维设计BIM应用，初步制定了桥梁专业结构树、模板和文件命名规则。图10为18位桥梁专业结构树命名规则，表1为文件后缀命名规则。

图7 节段劲性骨架的干涉及碰撞检查

图8 交界墩背索优化分析

3 BIM在施工中的应用

3.1 制造一体化

利用NC加工模块在BIM三维设计模型上添加加工制造信息，可以生成数控加工程序，并直接被数控加工设备识别使用。具体可以分为7个布置，制造一体化流程见图11。

图10 结构树命名规则

表1 文件后缀命名规则

图11 制造一体化流程

（1）建立三维数模：数控加工技术一般都是从零件模型开始，因此零件三维模型是整个数控加工的基础。

（2）加工工艺分析：主要分析零件加工工序、使用刀具、切削速度、主轴转速等。

（3）工艺模型检查。

（4）添加加工参数：加工参数主要包括加工对象、机床参数、加工操作、加工刀具、进退刀路径、刀具路径等。

（5）生成加工刀路：设置生成加工的刀路。

（6）刀路仿真：刀路仿真可以模拟刀具切削过程，在刀路仿真中，可以检查出切削情况，是否有过切或加工不到位，还可以对加工余量进行分析。

（7）生成数控程序：CATIA V5提供强大的数控编程模块，可以将刀路输出为标准格式数控程序，这些数据可以直接输入到数控设备中进行数控加工。3.2 施工模拟

北盘江特大桥施工步骤特别多，全桥共211个施工阶段，采用DELMIA和Composer对龙门吊预拼装杆件、吊装辅助定位、焊接、劲性骨架节段吊装、拱圈外包混凝土和T构挂篮施工等进行模拟，并通过DELMIA实时仿真，检查施工工序中不合理的地方。

4 BIM在运维中的应用

基于物联网技术初步构建了桥梁工程管理系统，该系统以桥梁BIM模型为核心，将远程访问控制、模型管理、信息查询、文档管理、传感器数据传输、施工控制、运营维护集为一体。系统整体架构流程见图12，主要采用如下架构方式：

图12 系统整体架构流程

（1）整个系统主要基于微软.NET架构进行开发，通过.NET架构实现后台数据服务及系统前端的应用，以实现适用于Windows平台的大型工程三维展示及BIM信息管理功能。系统基于C/S架构，对大型三维场景应用会有更好地支持并对BIM信息数据进行更有效地展示。

（2）系统主要使用Microsoft SQL Server作为数据库，该数据库除了能够对大量数据进行处理外，对Windows平台下的应用也具有更好地支持。系统的设计同样支持Oracle等大型数据库。

（3）对于三维模型的显示，系统主要选用了能够支持精确化的CAD三维模型显示控件，能够支撑从大型工程场景到精确化零部件展示的各个显示级别。该显示平台本身也支持从CATIA三维BIM模型的直接导入，导入后的模型也包含了BIM模型本身的三维轮廓信息等重要数据。

系统客户端设计主要采用模块插件式的开发，每个功能作为一个独立应用模块，结构权限模块的管理，实现分用户角色、用户权限加载应用模块。后续新功能的开发也可以通过插件式架构方式接入到系统中。图13是桥梁工程管理系统的程序界面。

图13 桥梁工程管理系统程序界面

5 结论

通过BIM技术在北盘江特大桥设计、施工和运营中的应用，实现了该桥的全生命周期管理，可以得出以下结论：

（1）三维参数化设计与传统二维设计相比，可以更为快速地构建全桥劲性骨架模型；

（2）采用ENOVIA VPM可以有效管理海量设计数据，并实现不同专业间的协同设计；

（3）通过干涉碰撞检查可以即时发现设计中不合理的地方；

（4）基于.NET开发的桥梁工程管理系统可以有效进行桥梁模型信息查询、施工控制及运维管理。

[1] 陈训.建筑工程全寿命信息管理（BLM）思想和应用的研究[D].上海：同济大学，2006.

[2] 洪磊.BIM技术在桥梁工程中的应用研究[D].成都：西南交通大学，2012.

[3] 谢海清.北盘江特大桥钢管混凝土劲性骨架设计专题研究报告[R].成都：中国中铁二院工程集团有限责任公司，2012.

[4] 张云杰.CATIA V5 R20高级应用[M].北京：清华大学出版社，2011.

[5] CAA V5 Encyclopedia.Dassault Systems[S]，2011.

杨咏漪：中国中铁二院工程集团有限责任公司，高级工程师，四川 成都，610031

徐 勇：中国中铁二院工程集团有限责任公司，教授级高级工程师，四川 成都，610031

陈 列：中国中铁二院工程集团有限责任公司，教授级高级工程师，四川 成都，610031

责任编辑高红义

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1672-061X（2014）05-0054-05