地铁高架桥梁BIM应用研究

■ 杨咏漪 刘发明 孙大力

地铁高架桥梁往往在城市内穿越，结构物与市政道路、地下管网和周边建筑物的关系非常复杂，在三维空间内建立地铁高架桥BIM模型进行碰撞检查、环境评价及后期运维管理有很大意义。

目前，二维图纸是桥梁专业的习惯交付成果，二维出图方式与建筑业相比更为复杂，加之桥梁设计与线路、地形和地质结合紧密，很多地方二维图纸表达方式更为明晰。如何利用二维和三维程序的优势并将二者有机结合在一起是一个值得探索的问题。以深圳地铁6号线高架桥梁为背景，针对桥梁梁片曲线布置的特点，分别以AutoCAD和CATIA为平台编写二次开发程序，实现了快速的二维设计和三维建模功能，程序之间通过共享数据库进行数据交换。

1 线路平曲线

地铁中心线是一条空间线，其在平面上的投影称为平面线。平面线通常由三部分组成：直线、缓和曲线、圆曲线。圆曲线是具有一定曲率半径的圆弧；缓和曲线是在直线与圆曲线之间设置的曲率连续变化的曲线。在我国地铁中一般采用三次抛物线来设置缓和曲线（见图1）。

图1中，JD为线路交点；HZ、ZH、HY、QZ、YH、HZ为曲线主点。JD即为铁路两直线相交的点；ZH是直缓点，是按线路前进方向由直线进入缓和曲线的分界点；HY是缓圆点，是按线路前进方向由缓和曲线进入圆曲线的分界点；QZ是曲中点；YH是圆缓点，是按线路前进方向由圆曲线进入缓和曲线的分界点；HZ是缓直点，是按线路前进方向由缓和曲线进入直线的分界点。

1.1 直线段坐标计算

直线段中桩坐标计算公式如下：

图1 线路平曲线要素

式中：Ai-1，i为路线导线JDi-1至JDi的坐标方位角；Di为桩点至HZi-1点的距离，即桩点里程与HZi-1点里程之差；XHZi-1、YHZi-1为HZi-1点的坐标；XJDi-1、YJDi-1为JDi-1点的坐标；THi-1为切线长。

1.2 缓和曲线段坐标计算

带对称缓和曲线段（见图2）中桩坐标计算如下。

曲线测设元素算式[1]：

缓和曲线段切线支距坐标算式（两段缓和曲线分别以ZH、HZ点为坐标原点）[2]：

缓和曲线段统一坐标算式：

1.3 圆曲线段坐标计算

圆曲线段切线支距坐标算式[3]：

圆曲线段统一坐标算式：

2 线路竖曲线

沿着线路中线竖直剖切得到的剖面即为纵断面。纵断面设计线主要由直线和竖曲线组成（见图3）。

2.1 直线段高程计算

直线段高程计算公式比较简单，可以通过坡度和里程之间的关系来计算。

2.2 竖曲线段高程计算

图3中，坡度转折角ω1=i1-i2，ω1为正时表示凸形竖曲线，ω1为负时表示凹形竖曲线。像平面曲线一样，竖曲线测设元素（见图4）计算公式如下。

（1）竖曲线几何要素计算：

图2 带对称缓和曲线的圆曲线

图3 竖曲线示意

图4 竖曲线几何要素

ω=i1-i2，L=Rω，

（3）竖曲线上任意点设计标高的计算。

①计算切线高程：H1。

②计算设计标高：H=H1±y。

3 基于AutoCAD的二次开发程序

地铁高架桥梁片平面布置与大铁梁片平面布置原则有较大区别。首先以曲线里程确定梁缝中心里程，并且相邻梁片保持等梁缝，这样《桥梁设计通用资料》上的梁片曲线布置方法不再适用。基于坐标法推导了地铁高架桥梁布置算法，算法基于以下原则：（1）梁片工作线平分曲线中矢（采用二分法确定）；（2）同一桥墩上两孔梁梁端偏距E取大值；（3）桥墩中心线向曲线外侧偏移E值。

A u t o C A D在二维绘图方面有很强优势，以AutoCAD 2012为平台，采用C#语言在VS2010环境下编写了二次开发程序。该程序直接读取中国中铁二院工程集团有限责任公司线路数据库，根据桥梁设计原则，利用数据库自动确定梁型、墩形、墩高及基础形式。二维设计流程见图5。

3.1 程序界面

程序基于Framework.net 4.0框架编写，界面友好便于输入和查看各种桥墩和梁片几何信息（见图6）。

3.2 程序成果

程序主要用于绘制施工图必不可少的桥梁总体布置图、梁片平面布置图、桩位坐标表和梁片平面布置表。

4 基于CATIA的二次开发程序

由于梁体、桥墩都需要空间定位，手工创建高架桥的三维模型工作非常繁琐，鉴于二维程序已经生成了高架桥梁各种参数的数据库，尝试通过三维程序的二次开发读取数据库资料快速建立三维模型。

4.1 建立各种构件模板库

CATIA产品知识样板系统为用户提供了一种快速建模工具，可以将已经定义好的、不管是简单还是复杂的模型特征通过交互的方法按新条件重新再现出来。定义的模板不仅包含几何信息，还将相关参数、关系、设计准则和知识库包含进去[4]。根据高架桥的特点创建了U形梁、桥墩和基础模板（见图7）。

图5 二维设计流程

图6 二维设计程序界面

图7 高架桥构件模板

4.2 CAA二次开发

Component Application Architecture（CAA）组件应用架构是Dassault Systemes产品扩展和客户进行二次开发的强力工具。CAA采用组件对象模型（COM）和对象的连接与嵌入（OLE）技术。COM作为一种软件架构具备了更好的模块独立性、可扩展性，使CAA的程序设计更加容易且趋于标准化，而且程序的代码更加简洁明了。在CAA架构的支撑下，Dassault Systemes系统可以像搭积木一样建立起来，非常有利于系统的壮大和发展[5]。

地铁高架桥三维建模程序与二维程序共享数据库，程序读取二维设计成果，数据库自动在三维空间内进行模板的实例化并通过发布的参数在构件间建立关联关系。用户可以在三维空间内方便地调整桥墩尺寸、基础布置形式和进行工程量统计，并将新的模型反馈到成果数据库中供二维设计程序使用，从而实现二维和三维的关联设计。三维建模流程、三维程序界面和成果见图8、图9。

图8 三维建模流程

图9 三维程序界面和成果

5 结论

针对地铁高架桥的特点，分别基于AutoCAD和CATIA编写了二次开发程序，采用共享数据库的方式实现了地铁高架桥梁的二维和三维关联设计，得出以下结论：（1）传统二维图纸对桥梁结构的几何尺寸表达更为直接明了，是必不可少的，通过AutoCAD二次开发可以极大提高设计效率；（2）三维模型是BIM应用的基础，通过CATIA二次开发可以快速构建三维模型；（3）二维和三维程序各有优势，必须相结合才能更好地满足设计需要。

[1] 李远富．线路勘测设计[M]．北京：高等教育出版社，2004．

[2] 何景华．公路勘测设计[M]．北京：人民交通出版社，1985．

[3] 张志清．道路勘测设计[M]．北京：科学出版社，2005．

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

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