东平水道特大桥BIM设计及应用

齐成龙

（中国铁路设计集团有限公司 土建院，天津 300308）

BIM 技术凭借其精细化、可视化、易协同等优势被越来越多的工程从业人员接受和采用。与民建工程相比，铁路工程体量更大、工艺更为复杂、专业更多，对BIM 技术的需求也更加迫切，因此，虽然起步较晚，但是铁路工程BIM技术在近年的发展更为迅速[1]。BIM 技术的广泛应用能够提升铁路工程建设技术水平以及信息管理的能力,也是工程建设信息化的核心和方向,对铁路工程建设有着巨大的发展潜力和应用价值[2]。

东平水道特大桥位于佛山市南海区，为新型公共交通跨越东平水道而设，主桥范围内新交通和公路同层布置，引桥采用分幅桥与主桥顺接。主桥采用独塔双索面钢–混混合梁斜拉桥，跨径组成为（35.0+260.0+51.5+66.0+62.5）m，主桥长475.0 m；桥面布置包括：双向6车道公路，2线轨道交通及两侧人行道，总桥面宽46.5 m。

钢主梁采用分离式流线形扁平钢箱梁，混凝土主梁采用分离式预应力混凝土箱梁。索塔横桥向采用“A”字形混凝土塔。为了提升该桥的设计水平和成品质量，对其开展BIM设计，从而使该桥成为国内第一座采用BIM设计的公轨两用斜拉桥。

本桥在进行BIM设计时，采用了达索和TEKLA两种软件，而达索作为一个平台型软件，又包括了SIMULIA、ENOVIA、CATIA等多个专业化的分支软件。

文章将从BIM设计和应用两个方面对该桥进行介绍。

1 BIM设计

1.1 模型精细度

在设计过程中，模型精度等级符合《铁路工程信息模型交付精度标准》中LOD3.5级的要求，与施工图设计阶段相对应，创建全桥精细化BIM模型，包括主桥、引桥、桥塔、钢箱梁、普通钢筋、预应力筋等构件。

1.2 BIM协同设计

达索软件所具备的公有服务器存储模式，使得本项目在BIM设计过程中，充分发挥其协同设计的优势成为可能。具体包括专业间协同、专业内协同和软件之间的协同[3]。

（1）专业间协同方面，测绘专业、线路专业分别完成地形曲面、空间线位的BIM设计，桥梁专业以此为基础进行桥梁专业BIM设计，轨道专业在桥梁专业成果基础上开展桥面设施的BIM设计。

（2）专业内协同方面。桥梁专业BIM参与人员分为骨架设计师、模板设计师、钢结构设计师等多个不同角色，这些不同角色的参与人员在同一软件平台上对同一工程对象开展工作，分工明确，最终完成全桥从初步设计到详细设计不同阶段的工作。

（3）软件协同方面。达索作为一个以公有服务器为存储模式、且源于机械航空领域的综合软件平台，包含多个不同功能的模块，在模型管理、协同设计及空间几何造型上独具优势；TEKLA软件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也很有优势。本项目以达索软件作为基础平台，取各软件之长，以CATIA软件为核心建模工具，分别使用TEKLA软件和SIMULIA软件进行钢筋设计和有限元计算，使用ENOVIA软件进行人员工作安排，从而实时掌握工作任务完成情况，把握设计进度。

1.3 骨架设计

采用“骨架–模板”的方法创建全桥模型，在这种方法中，“骨架”既是模型构件的定位基准，也作为其几何组成，在本项目中，骨架以空间坐标系群的方式存在。全桥定位骨架和钢箱梁定位骨架的创建方法有所不同，后者是骨架设计的难点。

在全桥骨架设计过程中，同时发挥了专业间和专业内协同的优势，线路专业成功创建空间线位后，桥梁骨架工程师以此为基础，在CATIA软件上借助EKL脚本语言，使用其Knowledge Pattern功能，依次循环读取表格中存储的桥梁构件定位数据，批量生成空间坐标系，完成骨架模型的创建。桥梁工程师将以此骨架为输入条件实例化各类桥梁构件的模板，完成全桥BIM建模。

钢箱梁骨架设计是全桥骨架设计的难点。由于本桥所在空间线位具有竖曲线，对于具有竖弯线型的钢结构，为了保证钢板厚度顺畅过渡，相邻节段的分界面不是竖直的，而是相邻节段顶缘面的角平分面，这样才能保证相同厚度钢板被此面分隔后的交界尺寸相等，也就不会出现板件相错的情况。

钢箱梁骨架坐标系的yz平面即是相邻钢箱节段的分界面，为了使钢箱梁骨架坐标系符合上述相邻节段分界面的空间位置要求，使用空间解析几何的方法，以V1，V2，V3向量为输入条件，研究出下式所描述的钢箱梁骨架坐标系转换矩阵：

由于V1、V2向量是通过节段顶点连线生成，V3是已知的水平向量，因此，能够使用节段端点空间坐标数据，借助骨架坐标系转换矩阵，生成足以保证相邻钢板厚度均匀过渡的骨架定位坐标系。

EKL脚本程序根据上述规则批量生成的钢箱骨架坐标系，如图1所示。

图1 钢箱梁骨架设计

1.4 引桥BIM设计

作为钢筋混凝土结构，在BIM设计过程中，针对引桥各类构件的几何特点，分别创建了梁体、桥墩、桥台、基础的通用性模板。

在CATIA软件上借助EKL脚本语言，使用其action功能，依次循环读取设计表格中存储的桥梁构件定位数据及模板参数数据，在引桥骨架上批量实例化各类构件的模板，从而完成引桥BIM建模，引桥BIM模型，如图2所示。

1.5 钢箱梁设计

主桥钢箱梁BIM设计采用CATIA软件钢结构模块完成。对于每一个钢箱节段，遵循从初步设计到详细设计的原则，两个设计阶段分别在结构功能设计（SFD）和结构详细设计（SDD）模块下完成。

如图3所示，对于通过SFD模块创建的初步设计模型，每一个钢结构构件以特征形式存储，板件不显示厚度，梁体或加紧肋仅显示简化截面，并省略其他一些细节处理操作，占用内存较小，能够适应初步设计阶段频繁变更的情况。

图3 钢箱梁SFD模型

如图4所示，对于通过SDD模块创建的详细设计模型，每一个钢结构构件以零件形式存储，模型完整表现其设计细节，占用较大内存，适用于局部范围内存在变更的详细设计阶段。

根据几何特点及重用性，将全桥钢箱梁节段分为标准节段、钢混结合段等8种类型。模板工程师依次使用SFD、SDD模块创建这8种类型的节段模板并存储于模板库后，桥梁工程师在CATIA软件上借助EKL脚本语言，使用其Action功能，读取设计表格的内容，从模板库选择不同类型的钢箱节段模板实例化到相应的骨架位置，完成全桥钢箱梁BIM设计。

图4 钢箱梁SDD模型

模板工程师创建梁、墩、台、基础等桥梁构件模板，桥梁工程师将这些模板在骨架上实例化，与已经成功实例化的钢箱梁模型一起，组成了如图5所示的全桥BIM模型。

图5 全桥BIM模型

1.6 钢束BIM设计

综合运用用户定义特征（UDF）和Knowledge Pattern功能，使用达索内嵌EKL语言通过二次开发建立单根钢束BIM模板，将全桥钢束平弯及竖弯尺寸信息存储于数据表格。使用其Action功能，编制EKL语言程序循环读取设计表格内的钢束尺寸和定位信息，调用并实例化钢束BIM模板，最终建立如图6所示的全桥三维钢束模型。

采用此模板生成的钢束BIM模型能够适应桥梁所在空间线位在平面和纵断面内的弯曲。

1.7 钢筋BIM协同设计

使用TEKLA软件创建索塔上塔柱钢筋模型并输出工业基础类（IFC）格式的文件，达索作为支持IFC标准的BIM软件，读入TEKLA模型输出的IFC文件后，在达索软件同时存储了混凝土主体结构和钢筋模型，如图7所示。充分利用两种BIM平台的各自优势，实现了基于软件间协同的钢筋BIM设计。

图6 主桥部分钢束BIM模型

图7 钢筋BIM协同设计

2 BIM应用

2.1 用钢量统计

SDD模块下的钢结构模型中，每一种钢结构构件都包含有材料信息及几何信息，与面向对象程序开发语言中类和属性的关系相似，每一种构件作为一个类，材料和几何信息是这个类的属性，每一个具体的钢结构构件就是类实例化出来的对象[4]。达索软件向用户提供了个性化编制钢结构工程数量报表的方法，用户可以选择需要统计的钢结构构件类型以及其属性，同时，用户还能自定义输出报表的格式，从而实现用钢量统计。统计结果以Excel表格的形式输出，表格中包含钢板厚度、结构材料及钢材重量等内容[5]。

同一个钢结构工程数量报表模板可用于输出不同BIM模型的钢材用量，因此，当钢结构设计结果发生变化时，使用相同的工程数量报表模板，能自动输出不同设计阶段的工程数量表。与传统二维设计手段相比，效率有很大提升[6]。

2.2 钢结构出图

在SDD模块下生成了钢结构详细BIM模型，借助达索软件出图功能以这些详细BIM模型为基础，创建，钢箱梁二维图纸，包括断面图、大样图及其尺寸标注。

传统设计手段下，设计变更导致的出图工作量是非常巨大的。在东平水道特大桥BIM设计过程中，三维模型发生变化时，二维图纸内容随之同步更新。因此，在达索软件下进行钢结构二维出图，效率和稳定性都有很大程度提高。

2.3 标准验证

铁路BIM联盟于2015年初启动了铁路工程数据存储标准制定工作[7]，在IFC4标准基础上，遵循固有模式，通过动态和静态扩展相结合的方式，增加铁路工程领域概念的表达能力。由于东平水道特大桥包含的构件类型非常丰富，因此，依托东平水道特大桥BIM设计，对桥梁工程信息模型实体类扩展进行了研究。

铁路IFC标准中，桥梁实体类(IfcBridge)既可以表示桥梁工程的一个同时包含多座特殊结构桥梁和普通简支梁桥、连续梁桥的桥梁工点，也可以表示单一特殊结构桥梁，二者通过CompositionType属性的取值进行区分。前者使用属性值COMPLEX，后者使用属性值ELEMENT。以东平水道特大桥为例，主桥、引桥共同构成一个桥梁工点，可以用“CompositionType属性值=COMPLEX”的IfcBridge对象表示。独塔钢混斜拉桥主桥作为一个单一特殊结构，可以用“CompositionType属性值=ELEMENT”的IfcBridge对象表示。

桥梁结构组成实体类（IfcBridgePart），指的是桥梁实体类（IfCBridge）包含的主梁、桥墩、基础、桥台等组成部分，IfcBridgePart通过预定义类型属性进一步细分。

图8所示为桥梁空间结构单元之间的继承层次关系，图9所示为东平水道特大桥主桥空间结构分解示意图，此图表达了桥梁实体类和桥梁结构组成实体类之间的相互关系。

2.4 有限元分析

作为达索软件的两个分支，SIMULIA和CATIA分别具有有限元计算和三维建模的功能，本项目借助这两个模块，实现了BIM设计和有限元计算的一体化应用[8]。

有限元计算通过SIMULIA实现，结构分析人员将BIM模型从SFD模块切换至SIMULIA后，为结构材料指定容重、弹性模量、热膨胀系数等力学特性值。划分网格、施加边界条件及外荷载，即可开展有限元计算。

从SIMULIA切换至CATIA后，修改BIM设计模型，再切换至SIMULIA，有限元计算模型可随设计模型自动更新，用户再根据最新计算模型重新进行力学分析，实现了建模、分析的一体化操作。

图8 桥梁空间结构单元Express-G图

图9 桥梁空间结构分解示意图

2.5 钢筋二维出图

使用C#语言对TEKLA软件进行二次开发，使其具备输出符合行业特定要求钢筋图的功能，利用二次开发成果，读取TEKLA中的钢筋BIM模型，自动输出二维钢筋图，该图纸包括钢筋尺寸标注及其数量表。

三维BIM模型修改后，二维钢筋图及其数量表可随之更新，不需手动修改，从而提高了设计效率，实现了建模、出图的一体化操作。

3 结束语

为了提升东平水道特大桥的设计水平和成品质量，以达索软件和TEKLA软件为主要工具，开展东平水道特大桥的BIM设计。

在BIM设计过程中，主要采用“骨架–模板”的建模方法，利用达索软件的多模块数据库共用特性、借助IFC通用数据格式，实现了专业内协同、专业间协同及软件协同设计。经过空间解析几何的研究并结合EKL脚本程序开发，批量创建符合要求的桥梁各部件骨架，为模型实例化创造了有利条件。使用达索钢结构模块，完成了从初步到详细的钢箱梁BIM设计。同时，本项目还实现了钢筋和钢束的BIM设计。

BIM应用方面，用钢量统计、钢结构出图、有限元分析这3种BIM应用都是在达索软件内部不同模块下实现，钢筋二维出图是在TEKLA软件中完成的。这些应用都实现了一体化的操作流程，当BIM模型发生变化时，工程数量表、二维图纸、有限元模型随之同步更新，与传统二维设计手段相比，显著提高了设计效率。同时，依托本项目，对铁路工程信息模型数据存储标准进行了研究。