基于BIM 的桥梁施工模型集成与安全分析

凯尔萨尔·吐尔迪

(新疆维吾尔自治区交通运输工程质量监督局，乌鲁木齐 830000)

1 引言

建筑信息建模(BIM)因其在信息集成和共享方面的优势， 一直是建筑、 工程和施工行业关注的焦点。 由于BIM 对建筑生命周期的各个阶段都有很强的实用性，因此在建筑项目参与者之间的有效协作中， 其使用越来越普遍。然而，由于在设计和施工阶段合作者之间使用不同的软件，因此出现了各种问题。 随着BIM 的不断改进，通过集成系统开发项目所涉及的各种监管实践需要通过模型来帮助它们简化多学科集成相关的问题[1-3]。

本研究旨在解决建筑模型与结构分析模型之间的整合难题，首先，讨论了建筑模型和结构分析模型之间的区别；其次，提出了基于BIM 的方法及其组成部分，包括基于BIM 的统一信息模型、基于区域的特征点匹配算法实现模型集成、 实际监测数据与理论计算结果的动态集成机制；再次，阐述了该方法的实现过程，包括客户服务器平台和集成应用的工作流程；最后，通过在一个复杂的大型实际项目中的应用来说明集成的作用[4]。

2 建筑模型与结构分析模型的比较

建筑模型主要用于描述建筑物的几何和外观， 而结构分析模型由结构工程师指定用于垂直和横向荷载传递的结构元素组成，添加不同的荷载工况和几何边界条件。如图1 所示，Tekla 模型主要包含几何和零件信息以及轴和截面信息， 而Midas 土木结构分析模型主要包含结构信息，包括接头、构件、材料、截面、荷载、约束条件等，这些信息大多是从建筑模型中提取的由结构工程师定义。主要支持的文件格式分别是*.ifc 和*.mct。 Tekla 建筑模型模型对施工模拟、 工程量计算和自动绘图具有重要意义， 而Midas 土木结构分析模型对保证施工安全具有重要意义。因此，将这两个模型结合起来创建重要的值是下面几节讨论的关键问题。

图1 建筑模型与结构分析模型的比较

3 信息建模与数据集成方法

3.1 基于BIM 的统一信息模型

基于BIM 的统一信息模型是一种数据模型，用于弥补建筑模型与结构分析模型之间的差距， 并将施工过程中应变仪和全站仪采集的数据进行集成。 该模型组织数据元素， 并将数据元素的表示方式以及它们之间的关系进行标准化。

每个架构组件都是一个“建筑构件”，将每个建筑构件的网格表示划分为几个三角形。 组件的扩展属性也存储在统一信息模型中。 结构元素包括基本节点信息及其属性，如材料和截面信息。结构单元还包含由结构分析软件计算的机构计算结果， 这些计算结果与不同的施工实例相关联； 结构元素通过建筑构件的ID 与建筑组件关联。在施工过程中，将构件应力等监测数据和沉降变形等实测数据动态集成到统一的信息模型中。 这些数据被分配给监测点，监测点通过“建筑构件的ID”与建筑构件相连，通过构件上监测点的精确位置获得。该模型克服了建筑和结构分析模型之间的语义和信息表示， 动态地集成了项目数据，为后续的应用奠定了基础。

3.2 实际监测数据与理论计算结果的动态集成

施工过程中产生了大量的监测和理论资料， 必须正确利用这些数据，并将其集成到基于BIM 的统一信息模型中。 对于监测数据，它们通过“北斗”集成到与Tekla 模型相关联的监测点中， 通过确定监测点坐标与Tekla 组件的边界框之间的空间关系，可以获得这些数据。理论数据，特别是单元应力结果，通过“元素ID”集成到Midas 模型中。我们可以从不同的实例导入计算结果，这些实例与具有相同“元素ID”的相应元素相关联。 基于前面提出的模型集成，可以实现数据集成和转换(图2)。 并且具有以下优点：(a)可以方便地将实际数据与理论数据进行比较，从而有助于通过对比分析进行决策；(b)提供了收集、管理和查看复杂施工数据的便捷方法；(c) 通过Tekla 模型与进度计划的关系， 根据施工实例实现模型同步更新和数据可视化；(d)实现了实际监测与理论分析的数据转换，从而将监测数据自动添加到结构分析中， 这将在下一节中详细描述。

4 开发的集成系统

在上述方法和算法的基础上， 研究开发了一个新的模型和链接数据集成平台4D-BIM 信息集成系统。 基于BIM 的统一信息模型作为中心数据服务器实现， 集成应用程序的工作流如图3 所示。 本研究采用Tekla 软件建立建筑设计模型，Midas 土木软件建立结构分析模型。 这些模型通过适当的接口(ifc 和*.mct 文件格式)和建议的算法集成到平台中， 施工期监测数据采用应变仪或全站仪采集，这些施工数据被动态集成到平台中，然后连接到Tekla 模型的监测点，考虑到Tekla 模型已经与进度计划相关联，可以根据案例时间推导出合适的Tekla 模型。 由于Tekla 模型和Midas Civil 模型的集成， 相应的结构分析模型可以从不同的施工案例中导出。 此外，与Tekla 模型相关联的监测数据也可以转换为结构分析模型的荷载或约束信息，从而自动生成修改后的实例模型，供结构工程师进行分析和评估。从而实现了模型集成和信息转换，从而显著地消除了重复劳动，提高了效率。

5 案例研究

本研究在广西省南宁市的某大桥工程中进行了试验。 大桥采用刚性悬索加固三主桁梁(六车道公路、双线铁路桥梁)的大跨度铁路公路钢桥。 该桥全长798.3 m，重36249 t，采用三钢桁梁结构，建筑设计模型采用Tekla 软件，结构分析模型采用Midas Civil 软件。基于所提出的方法和平台，2 种不同的模型可以成功地集成并应用于各个方面，从而为项目带来明显的效益。

图2 监测数据与计算结果的动态集成

图3 集成应用工作流程

第一步是信息集成。 基于集成模型(图4)不仅可以从Tekla 模型中查看关键信息，如几何、零件和进度信息，还可以从Midas Civil 模型中获取相应的结构信息， 如同一窗口中的节点、材料、截面和应力。 成功导入了不同壳体模型单元的应力结果， 并在开发的平台上显示了相应的应力云图。

第二步是同步模型更新和数据可视化。考虑到Tekla模型与时间表相关，它会随着时间不断更新。基于模型集成和链接数据， 支持更新和可视化集成模型以及施工案例，包括Tekla 模型、相关监测点和相应的Midas Civil 模型(见图5)。 因此，可以方便地查看和分析案例模型和案例数据，从而为案例管理的后续应用奠定基础。

图4 信息集成的应用

图5 集成模型与数据信息的同步更新

第三步是案例管理。 结构工程师必须通过重复的建模工作和手工添加约束信息， 对不同的施工实例进行模型分析。基于前面集成应用的工作流，可以自动生成不同的案例模型(如图6 中的案例19-1)。 对于一个具体的施工案例，通过施工模拟可以得到合适的Tekla 模型。 可以获得相应的相关元素，从而生成分析模型的基本几何、材料和剖面信息。然后，将三个主桁架在不同情况下测得的高差，连接到Tekla 模型的监测点，转化为约束和强迫位移信息，自动加入到结构分析模型中。 这样，工程师可以根据施工情况得到相应的结构分析模型， 节省大量的时间和人力。

图6 自动导出分析模型的应用

6 结论

针对模型整合与资讯转换所面临的挑战， 为施工管理与评估带来显著效益， 本研究初步比较架构模型与结构分析模型的差异，以完成整合的挑战。 在此基础上，提出了一种基于BIM 的统一信息模型，形成了模型和数据集成的中心信息层。所提出的模型将这种集成所需的模型实体和关系标准化。 在此基础上，提出了实际监测数据与理论计算结果动态集成的机制，实现了Tekla 模型与Midas-Civil 模型的模型集成，包括关联数据信息。 所提出的解决方案在我们自己的平台上原型化，以实现集成应用。

以某跨河大桥为工程实例， 对该方法和平台进行了试验研究。尽管实际项目的规模和复杂性很大，但测试的场景还是成功地执行了。 一方面，在集成模型的基础上，可以看到各种信息，包括Tekla 信息、Midas 信息、应力云图信息等。 另一方面，集成模型可以随进度进行更新，实现了根据不同施工情况自动导出结构分析模型， 减少了重复建模工作，提高了效率。