连续梁-钢桁组合桥BIM建模技术研究

2018-12-06张洪伟庞维福

铁路技术创新 2018年5期

■ 张洪伟庞维福

0 引言

BIM技术正在全球范围内推动传统建筑行业产生重大变革[1]，在新加坡、韩国、美国、英国等国家逐渐成为主流。在我国，2015年《中国BIM应用价值研究报告》显示，我国已跻身全球前五大BIM应用增长速度最快地区之列[2]。在房屋建筑、地铁领域，BIM技术在设计、施工阶段应用案例较多，建模软件与应用方案也较为成熟，但在桥梁工程设计、施工中的应用案例和文献尚少[2]，并且BIM应用推广的软件方面还存在建模困难、应用软件不配套、IFC数据共享与交换过程中仍出现信息丢失等问题[1]。因此，探索一种能精确建模且IFC数据交换信息无丢失的桥梁BIM建模方案具有重要意义。

近年来，中国铁路总公司等大型企业不断推行BIM技术应用，引起桥梁建设者对BIM的重视，也积累了一些在大型桥梁项目中实践应用BIM的宝贵经验。周华[3]采用Tekla软件建立了沪通长江大桥横港沙浅水区112 m简支钢桁梁桥的模型；闫振海[4]阐述了采用Tekla软件建立虎门二桥2座世界级超大悬索桥主桥的钢箱梁模型；张为和[5]阐述了采用Catia软件建立夜郎河双线特大桥的地质地形、劲性钢骨架、劲性钢骨架基础钢筋、劲性骨架外包混凝土、缆索吊等模型；杨京鹏[6]介绍了采用Catia软件建立我国第一座双层纵移开启式全焊钢桥——宁波梅山春晓大桥模型；刘彦明等[7-8]阐述了采用Bentley软件构建桥梁BIM模型的一般步骤。朱奕蓓[2]详细阐述了采用Revit软件构建钢桁架加劲PC连续箱梁桥模型的过程；刘孟[9]采用Revit软件建立了黄河特大桥预应力混凝土变截面连续箱梁与钢栈桥BIM模型。

以上研究成果表明，在桥梁工程中常用的BIM建模软件为Tekla、Bentley、Catia、Revit。这4种建模软件各有所长。其中，Tekla擅长处理钢结构的复杂节点构造，在钢筋混凝土结构的二维出图和钢筋数量统计方面很有优势，但这种优势仅局限于桥梁工程中的钢结构专业，对于有复杂造型的桥梁或长大桥梁适应性差[10]。Bentley的Openroads Designer与Openbridge Modeler软件组合使用建立桥梁模型的优点是可按照专业要求与习惯，即基于大地坐标、里程桩号、高程等要素进行模型的建立与组装，且钢筋模型占用计算机内存小[8]；缺点是墩台模型库样式较少，参数化功能又较弱，不利于批量化应用，且纵向预应力管道的建立也较为繁琐。Catia源于机械航空领域，因此非常适用有复杂造型要求的工程结构，并且其服务器工作模式能够适应桥梁工程的庞大数据量，但该软件在钢筋建模方面尚有待加强[10]。Revit操作较为简单，是学习BIM的入门软件，普及率较高且可与3D Max等软件无缝对接，但建立桥梁模型也存在钢筋建模效率低、空间曲线构件建模不易等难点[11]。

因此，基于郑阜高铁沈界1号大跨连续梁-钢桁组合桥（简称郑阜大桥）项目，尝试采用普及率高、适用性强的Revit软件建模，并克服钢筋建模效率低等难点，为桥梁BIM建模探索一种可行方案。

1 工程概况与BIM软件

1.1 工程概况

郑阜大桥中心里程为DK193+594，全长345．80 m，采用（86+172+86）m连续梁-曲弦钢桁组合结构，主梁采用预应力混凝土连续箱梁，按直线梁设计，在中跨160．55 m范围内安装加劲钢桁，并采用“先梁后桁”法施工。

梁体箱梁为单箱双室、变高度、箱形截面，三向预应力体系，主梁采用挂篮悬臂浇筑施工。中支点处梁高11 m，中跨跨中及边支点处梁高为5 m，梁底下缘按二次抛物线变化，底宽11．3 m，底板厚度0．4～1．7 m。全联在端支点、中支点及钢桁-混凝土梁结合节点处共设17道横隔板，横隔板设有孔洞，供检查人员通过。

钢桁采用再分式桁架，桁高14 m，节间距16 m。在中支点位置采用曲弦方式和混凝土梁相连接。钢桁结构上弦杆采用箱形截面，尺寸为0．8 m×0．8 m，板厚为24～48 m。腹杆采用工字形截面，高0．8 m，翼缘板宽0．8 m、厚度24～28 mm，腹板厚度20～28 mm。再分腹杆采用工字形截面，高0．8 m，翼缘板宽0．4 m、厚16 mm，腹板厚度16 mm。上平联采用X形构造，工字形截面，两端平联高0．47 m，翼缘板宽0．60 m，板厚20 mm；其余平联高0．47 m，翼缘板宽0．50 m，板厚16 mm。全桥对称设置4道横联。钢桁下弦点采用PBL剪刀键与混凝土梁相连，在节点板范围内设置凸台，外包钢板，内灌混凝土。郑阜大桥BIM模型渲染见图1。

1.2 BIM建模软件

图1 郑阜大桥BIM模型渲染图

基于Revit建模的成功案例，郑阜大桥的混凝土结构、钢筋采用Revit建模，并采用鲁班钢筋Civil提升钢筋建模效率；基于Catia在钢结构桥建模方面的成功案例与优势，钢桁架采用Catia进行建模；基于Dynamo参数化、自动化建模的优势，竖向预应力管模型采用Dynamo辅助建立；基于Inventor精确建立曲线构件的优势，纵向预应力管模型采用Inventor建立；3D Max通过导入的Revit BIM模型制作施工动画视频，用于工人进行三维施工交底，具体见表1。

2 桥梁土建模型的建立

2.1 混凝土模型

郑阜大桥主梁为预应力混凝土连续箱梁，采用挂篮法施工，共有82个梁段，BIM模型建立的难点在于：在桥DK193+600处设计了变坡点（见图2），一边坡度为5．8‰，一边坡度为-6．5‰，不仅如此，每个梁段还有横向坡度要求，即82个梁段每段都不同，每个梁段尺寸都必须精确控制以保证坡度要求。主梁模型采用Revit族命令将梁段绘制完成后，插入到新建项目文件中进行拼装得到。

2.2 纵向预应力管模型

郑阜大桥主梁底板的预应力管道不仅要与主梁底板底面平行，而且还要平弯，这是Revit建模的一个难点。为解决该问题，采用Inventor生成预应力管道，然后导出Revit能打开的BIM交换文件，实践证明可实现无损失互导。具体操作步骤如下：

表1 BIM建模软件

图2 郑阜大桥纵向坡度图

（1）打开Inventor软件，基于设计图纸绘制预应力管束平弯、竖弯草图；

（2）相交法得到预应力管束空间中心曲线，并放样生成管束（见图3）；

（3）通过Inventor软件的BIM转换按钮，导出Autodesk交换文件（．ADSK格式）（见图4）；

（4）Revit打开Autodesk交换文件（．ADSK格式），得到Revit族文件，最后插入到土建模型的相应位置。

2.3 竖向预应力管模型

郑阜大桥有竖向预应力管7 492根，且每根预应力管底距曲面梁底均为6 cm。位于0号块两侧的主梁底面曲面不相同，因此每根竖向预应力管长度均不同。手动精确建模十分麻烦，因此考虑采用Dynamo进行批量生成。Dynamo是内嵌于Revit的可视化编程平台，可通过节点相互连接来取代程序代码编程的方式与Revit数据库联动，获取、分析与编辑数据，实现BIM模型的自动化创建与调整。

图3 D6预应力管平弯与竖弯面相交得到空间曲线

图4 Inventor软件建立的预应力管模型导入Revit

Dynamo节点编辑思路为：在Revit中创建纵向预应力管模型，需要有底部与顶部标高、放置点与族类型等参数。在Dynamo中对应着“point”“level”与“familytype”3种信息。“level”可由Revit视图获取，放置点与族类型需对导入Revit的CAD底图进行几何分析。所以先将二维竖向预应力管边缘线筛选并分组，然后分析预应力管截面中心点与尺寸，最后转化至对应的族类型，具体见图5。

2.4 钢筋模型

据统计，郑阜大桥有钢筋30．3万根，质量2 417．8 t，因此钢筋建模工作量巨大。为提高效率，采用Revit的一款插件——鲁班钢筋Civil来辅助建模。用鲁班钢筋Civil制作箱梁平行面钢筋时，可直接根据土建模型及图纸要求快速生成对应配筋信息，指定平行边、终止边，延伸端点后的模型线，即可直接生成钢筋（见图6），避免了用Revit绘制各种工作平面、绘制对应的钢筋形状、调整钢筋尺寸等工作。因此，采用该软件进行建模，大幅提高了建模效率。