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基于BIM技术的桥梁零号块设计优化分析

2020-06-07宋满荣金亚东何嘉轩

工程与建设 2020年6期
关键词:零号公差套管

宋满荣, 金亚东, 何嘉轩

(合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

近年来,随着经济的快速发展,大型铁路桥梁工程项目越来越多,三维及空间形态越来越复杂,因此桥梁的设计人员和施工人员面临的挑战也日益严峻[1,2]。当前,大型复杂的桥梁项目大部分还是基于CAD的二维设计,设计人员依靠空间思维进行合图来分析设计过程中发生的冲突,以致施工方基于设计方的二维图纸开展施工时经常遇到构件冲突等问题[3]。这不仅严重拖慢了施工的进度、増加了施工成本,还对施工的安全造成了影响。

为进一步提升铁路连续梁施工工艺和施工质量管理水平,中国铁路总公司工管中心于2017年8月14日颁布了《中国铁路总公司工程管理中心关于推广应用悬臂浇筑连续梁相关施工工艺的指导意见》,明确提出利用BIM技术,优化钢筋及预应力套管间距,形成由梁面直达底板的竖向振捣通道,解决零号块等底板混凝土振捣不密实、预应力套管定位不准确等质量问题。

连徐铁路东起连云港西至徐州,正线全长180.03 km,总投资281.7亿元,2017年7月全面开工建设,预计2020年12月建成通车。连徐铁路段悬臂浇筑连续梁桥众多,设计施工难度较大,在传统施工模式下将会不可避免地出现施工质量问题、桥梁病害、施工工期拖延等问题。特别是零号块,作为连续梁桥的主要承重部分,其结构形状复杂、构件较多,在施工过程中容易出现振捣不密实、预应力套管定位不准确等问题,不仅影响了施工工期,也对施工质量造成了不利的影响。

因此,本文运用BIM技术仿真,对连徐高速铁路连续梁零号块进行精细化建模,包含混凝土模型、普通钢筋和预应力套管等内容,并在此基础上利用Navisworks进行了碰撞优化分析。

1 BIM参数化建模原理

运用Revit建模时,参数化原理是按照逻辑关系对构件进行模型创建,只需通过改变点、线等基础参量的参数,就能对整体模型进行更改[4]。

先实现二维轮廓/截面的参数化,通过拉伸、放样等方法形成参数化构件,再由构件之间的组合、交并、变换或排列等操作形成复杂的构件或结构。参数化建模便于用户进行设计和后期修改,实现模型的快速创建,提高设计效率,已成为当前BIM建模领域的研究热点,对BIM的发展具有推动性意义[5]。

2 参数化模型的创建

采用Revit软件作为本项目的BIM核心建模软件,在该软件中局部参数化构件又被称为“族”,依据桥梁局部构件在空间造型上的相似程度将其分类,构建成族,并形成族库以方便模型的存取和使用[6]。桥梁零号块为单箱单室直腹板截面,但在Revit软件中只有房屋建筑中常用的结构梁,其属性和功能不能很好地满足桥梁构件的需求,因此在创建BIM模型时,应首先选择合适的族样板。本文通过对族样板进行研究对比,选择公制结构框架-梁族样板作为基础模板来创建梁族。本文首先创建箱型梁族,建立混凝土模型,然后布置普通钢筋和预应力套管。梁族基本创建流程如图1所示。

图1 梁族创建流程

2.1 混凝土模型的建立

2.1.1 创建单块模型

(1)打开公制结构框架-梁族样板,去掉原有样板的模型线和拉伸模型,添加梁族的左右轮廓边界约束平面,创建参照平面。

(2)绘制梁的断面轮廓。选择中心(前/后)参照平面,使用放样命令在中心线上绘制放样路径,选择中心(左/右)参照平面为工作平面,根据梁的断面结构绘制梁的断面轮廓。

(3)为梁的断面轮廓添加控制参数。在属性面板里选择“族类型”按钮,选择“添加参数”进入参数属性添加面板,根据参数类型添加参数数据。

2.1.2 标注模型尺寸

在梁族类型中添加尺寸标注信息后,模型中自动创建相应的标签,将具体尺寸标注与标签进行关联,最终形成控制梁断面轮廓的控制参数。参数化结果如图2所示。

图2 参数化结果图

2.1.3 生成单块简支箱并融合

通过拉伸最终生成的单块简支箱梁族模型,然后使用放样融合功能创建,实现连续梁的整体连接,生成连续梁的零号块混凝土部分。零号块完整混凝土模型如图3所示。

图3 零号块混凝土模型

2.2 布置普通钢筋

建模前准确把握图纸信息,校核图面上设计尺寸;检查钢筋的种类、规格和数量;确定各个钢筋的先后建立顺序。

首先创建Revit钢筋族构件,根据图纸钢筋大样图以及三维视图绘制钢筋并将其精确定位。通过Revit中的自定义族模块,细化到每一根钢筋模型的建立。

然后赋予钢筋参数,为增加钢筋族构件的灵活性,引入参数,通过调整参数的变化而达到模型尺寸的改变。布置好每一根钢筋之后,再将其赋予材料及截面属性,以便于后期整体模型的管理。零号块普通钢筋布置如图4所示。

图4 普通钢筋布置模型

2.3 布置预应力套管

使用Revit建模软件建立预应力套管模型,并通过对其模型参数化处理来快速建立预应力套管族库。

首先创建预应力套管族构件,在族文档中,使用放样工具,建立第一个预应力套管。然后进行参数化处理,将第一个预应力套管参数化处理,由于预应力套管截面尺寸较为统一,在采用Revit自适应公制常规模型建立预应力套管BIM模型时,应采用设置自适应点作为结构线形控制点,并在自适应点垂直于线形的平面上以创建主梁参数化截面的方式来构件主梁的参数化模型。最后利用参数化建立剩余套管建好第一根预应力套管,其他预应力套管则可以通过在第一根预应力套管基础上改变参数来得到。

3 基于Navisworks平台的碰撞检查

通过BIM技术建立模型,将模型导入Navisworks软件中进行碰撞测试。碰撞结果可以直观反映零号块内部不同构件碰撞的位置,并且软件会自动统计、自动定位,筛选符合规则的碰撞并输出表格。

3.1 Revit导出Navisworks模型

Revit2016提供.nwc(.nwf)、IFC格式文件导出格式,通常导出的.nwc格式文件直接对接Navisworks2016软件。其导入至Navisworks后得到的模型如图5所示。

图5 零号块Navisworks模型

3.2 碰撞类型

为了方便各种类型预应力钢索套管进行碰撞检测及优化,本项目对纵向、横向和竖向预应力钢索套管碰撞进行分析。碰撞检查包括纵向与纵向之间、横向与横向之间、竖向与竖向预应力套管之间;纵向、横向与竖向预应力套管相互之间;预应力钢索套管与普通钢筋之间。

3.3 碰撞检查

3.3.1 公差设置

在载入Revit模型后,单击“工具”选项卡下的“Clash Detective”即冲突检测工具。

在“设置”选项中的“类型”选项中选择“硬碰撞”。“硬碰撞”指直接的几何接触,分别设置“公差”D,检测碰撞公差可以分别设为大于1 mm、2 mm、5 mm、10 mm、30 mm或50 mm等。

3.3.2 碰撞结果展示

(1)纵向、横向与竖向预应力钢索套管内部无碰撞。

(2)纵向、横向与竖向预应力钢索套管相互之间碰撞很少。经过分析,只有纵向预应力钢索套管与竖向预应力钢索套管螺旋筋之间发生了1个碰撞公差为1 mm的硬碰撞。碰撞结果统计见表2。

表2 纵向与竖向预应力套管螺旋筋碰撞统计表

3.3.3 三向预应力套管与普通钢筋碰撞检查

通过Navisworks碰撞检测分析可得,纵向、横向与竖向预应力套管与普通钢筋之间发生了较多的硬碰撞,公差为1 mm的碰撞共有443个,公差为2 mm的碰撞共有436个,公差为5 mm的碰撞共有377个,公差为10 mm的碰撞共有203个,公差为20 mm的碰撞共有26个,公差为30 mm的碰撞共有3个,公差为50 mm的碰撞共有0个。公差为10 mm的碰撞如图6所示。以纵向预应力套管F1与普通钢筋碰撞为例,统计不同公差范围内的碰撞,见表3。

图6 公差为10 mm的碰撞示意图

表3 纵向预应力套管F1同普通钢筋硬碰撞统计表

4 深化设计

碰撞检查之后生成碰撞报告,对碰撞点进行分析分类,按照级别列出优化建议,级别为“现场可调”说明可进行现场或者预先调整,级别为“现场不可调”说明碰撞较为复杂,难以通过单纯的现场施工进行调整,需要将碰撞点反馈给专业设计人员进行设计复核。

根据碰撞公差的分类,碰撞公差在1~5 mm,虽然碰撞数量较多,但是碰撞程度很小,基本可以忽略;碰撞公差为10 mm,碰撞程度较小,可在施工现场根据施工客观环境在符合原设计意图范围内通过较小的钢筋偏移来避免碰撞;碰撞公差在20~30 mm,碰撞程度较大,施工现场的调整可能会影响构件施工质量,需提醒设计院,在设计院无异议的情况下,方可进行现场调整;若碰撞公差在50 mm以上,碰撞程度非常严重,为了不影响施工质量,必须请设计院进行设计复核,由专业设计人员再对所对应位置的CAD图纸进行深化设计,然后根据修改后的图纸进行建模,再进行碰撞检查,直到碰撞达到现场可施工的条件[7]。

分别以横向套管标号和普通钢筋碰撞公差为10 mm和20 mm为例,根据碰撞公差大小来给出优化建议,见表4。事实证明,在施工前进行优化设计,对后续高质量的准确现场施工可做出可靠的指导。

表4 碰撞结果优化设计示意表

5 结 论

本文针对研究需求,借助BIM软件系统中的Revit软件和Navisworks软件的良好的信息化特性,以连续铁路连续梁桥为工程背景,通过合理分块建立单块连续梁零号块节段参数化模型,并通过修改参数快速建立完整的BIM模型,利用Navisworks软件碰撞检测平台,进行碰撞检查,及时发现普通钢筋与预应力套管冲突碰撞等问题,全面实现了零号块预应力套管综合优化分析,主要研究成果如下:

(1) 以Revit为研究对象结合工程实例,研究分析了桥梁工程零号块BIM建模的流程和方法,并建立了桥梁工程混凝土模型、普通钢筋、预应力套管等构件的参数化族库。对比传统的建模方法,BIM参数化建模方式更具优势。

(2) 通过对零号块内部构件进行静态的碰撞检查,排除了设计过程中由于预应力筋、预埋件等构件空间关系复杂而导致的冲突问题,摒弃传统工程建设边施工边发现边处理问题的方式,及时进行修改调整,优化设计,减少施工中的返工次数。

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