京张高铁标准梁BIM技术应用研究

2020-01-09罗天靖

铁道勘察 2020年1期

罗天靖高策

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055； 2.中国铁路经济规划研究院有限公司，北京 100038)

20世纪70年代，国外就已经提出BIM的概念理论[1]。美国对BIM技术的研究和应用较为成熟， BIM技术为美国建筑业每年节省了30%的成本[2]。BIM技术可融合工程项目各个阶段、各个专业的所有信息，大大提高了建筑工程的信息集成化程度[3]。

BIM技术在国内土木行业中的应用起步较晚[4]，但近几年发展较快。铁路行业成立了BIM联盟，出台了一系列的标准规范[5-8]，在许多项目中进行了试点运用，积累了一些经验。现阶段铁路行业的BIM应用研究主要以总体协同设计[9-10]、选线优化[11]、施工监控[12]、运营维护[13]为主，针对设计的专项研究较少[14]。以桥梁工程为例，传统的设计过程以二维设计为主，从方案比选到设计出图再到施工阶段，中间的交互数据均以图纸为基础[14]。在铁路工程项目中，约90%的铁路桥梁使用预应力混凝土标准简支箱梁(以下简称标准梁)，其具有结构简洁、标准化程度高、易于参数化等特点。基于这些特点，BIM技术与标准梁设计有很好的适应性。

基于现有的BIM平台Revit软件，通过C#语言进行二次开发，结合PPC2019有限元计算软件以及实际设计施工经验，对BIM技术在京张高铁标准梁设计中的运用进行研究探索。

1 研究目的

现阶段，铁路标准梁设计方式为二维设计，BIM设计则融合了正向设计的思想，完全颠覆了传统二维设计的流程。两种设计方式的对比如图1所示。

图1 二维设计与BIM设计流程对比

BIM模型数据本身应包含所有相关的三维几何信息、材质信息等；而计算软件还需要力学特性、荷载信息、边界条件、施工阶段信息等；绘图软件则需要截面信息、图纸信息等。在试算以及图纸绘制的过程中，二维设计方法往往需要耗费大量的时间与人力，而BIM设计可省去设计人员手动建模、图纸绘制的过程，从而节省大量的时间。

2 数据输入

结合铁路预应力混凝土简支梁的设计构造特点以及Revit平台强大的族开发功能，将BIM模型的输入数据分解为以下几部分。

2.1 简支梁混凝土参数

以京张高铁某特大桥32 m铁路预应力标准简支梁通用图为例。该标准梁在顺桥向有腹板、顶板、底板宽度以及倒角等参数，截面顶板有多个排水坡。因此，可将截面信息整合为30个独立参数并对各截面进行描述；再填入相应的梁体参数(如梁长、梁面坡度信息、变截面长度、支点位置、腹板坡率、通风孔、排水孔信息等)，程序可通过这些参数准确地生成箱梁模型。跨中处截面与支点处截面参数示例如图2、图3所示。

图2 跨中处截面参数信息

图3 支点处截面参数信息

依次填写不同截面的参数，程序自动计算出各截面(包括过渡渐变段)的尺寸参数，并将各部分的实际形状参数传给族模型并生成截面形状，再传入整体模型中，生成标准梁模型并放入工作空间，如图4、图5所示。

图4 生成的标准简支箱梁模型

图5 输入参数信息示意

2.2 预应力钢束空间参数

在箱梁设计时，预应力筋一般为曲线平弯和曲线竖弯，再加上腹板倾斜的影响，预应力筋的实际形状为复杂的空间曲线。同样，通过Revit强大的族功能，以水平面与腹板斜平面的相交定位空间曲线，再导入平弯要素和竖弯要素，对相交平面产生的曲线形状进行样条拟合，形成三维空间曲线，如图6～图10所示。

图6 3D预应力曲线拟合族

图7 预应力筋竖弯示意

图8 预应力筋平弯示意

图9 预应力三维模型示意

图10 预应力参数输入示意

如锚穴参数的填写步骤为：输入相应的参数后，程序通过布尔运算，将锚穴印刻在梁体上，使箱梁的细节与实际情况一致；同时，锚穴的中心点也是预应力筋的起点，空间预应力筋曲线通过族驱动形成的预应力钢束模型放在对应的锚穴位置处(如图11所示)。

图11 锚穴示意

3 BIM模型与有限元计算软件的数据交互

以PPC2019有限元计算软件为研究对象，实现BIM模型到计算软件的数据交互过程。

由PPC2019执行结构计算时，需要几何信息、预应力信息与荷载信息等内容；在建立BIM模型时，箱梁的截面形状、整体结构信息已被完整读取，该部分内容可以直接调用；截面有效宽度、惯性矩、面积矩、预应力形状位置等几何信息可通过已有数据自动计算。而其余的信息(如预应力张拉信息、施工阶段信息、约束信息、荷载信息等)数据则需要额外输入。所有信息输入完毕后，即可调用软件进行计算。

在此基础上，可通过二次开发，将相关信息输入BIM模型，并统一通过封装好的数据格式导入计算软件中，完成计算后，根据计算结果对相关信息进行调整，再导入BIM模型中，实现BIM数据与计算数据的交互与自动化调整。