基于BIM的混凝土梁桥数字化设计

2022-11-09胡童云张文轩

四川建筑 2022年5期

胡童云, 张文轩

(中交公路规划设计院有限公司，北京 100010)

随着建筑信息化的推进，公路桥梁数字化设计是现今桥梁发展的重要课题。现今桥梁设计普遍使用的是整理修改通用图集的方式，工程项目通过平面图纸的形式展现[1]。设计人员通过“反向BIM设计”的模式，通过二维图纸再建立三维模型，最后根据修改意见对设计方案和模型进行修改，直至设计完成[2]。在该模式中，BIM仅仅是作为确定设计方案的辅助工具。同时，在桥梁结构日益复杂、结构线形变化多样的今天，普通的二维设计逐渐暴露出它在指导施工方面的不足。根据欧美国家有关调查统计显示，工程设计人员每天约有35%的工作时间花费在查阅图纸及相关资料上，这对设计资源浪费严重[3]。针对该问题，基于BIM技术的数字化设计给我们提供了解决办法，通过优化原有建模流程、建模方式，使工程师们能够更加便捷、高效、精确的完成工作。

1 技术路线及关键技术

在建筑结构领域，Revit的软件研发已经硕果累累，仅国内就有鲁班、鸿业、橄榄山等公司开发了针对建筑结构的BIM软件[4]。与之相比，Revit在桥梁工程领域的研发与应用则十分有限，但许多基于CAD开发的桥梁设计工具，如桥梁通、桥梁设计师等软件已十分普及。Revit平台和AutoCAD平台同样都拥有开放、通用、稳定的特征，Revit开发与AutoCAD开发是相似的，这就为本软件的研发提供了基础[5]。

基于C#语言，通过对Revit进行二次开发，建立的中小跨径混凝土梁桥BIM参数化建模软件OSIS-BIM，为混凝土梁桥的BIM设计提供一个简单、有效、快速的途径。该软件以数据为核心，采用面向模型对象的设计思想，各桥梁构件间通过数据建立动态关系，实现模型的三维表达。

1.1 技术路线

对于中小跨径桥梁工程，其设计目标往往有很大的相似性，如跨径为30m与跨径为35m的小箱梁桥设计，工程师通常都会先对以往图纸进行查找，在已有类似图纸的基础上进行设计，这意味着太多数设计过程是基于以前设计资源的重用。桥梁通用图中除了自身的几何信息之外，还包含了许多额外信息，如桥梁的结构造型、使用材料、工程概况等。对现有图纸进行积累分析，提取有效描述信息，构造企业通用图数据库，能够在设计过程中帮助桥梁工程师快速匹配所需桥梁参数信息，通过对图纸内容的参考或修改完成设计以实现图纸的重用[6]。

针对大量混凝土梁桥(包括混凝土箱梁、T梁、小箱梁)构造及图纸分类研究，参照交通部通用图已有的混凝土梁桥设计，对其根据截面形式、跨径等参数信息进行分类，形成一套参数化构件建模分类体系，并通过对BIM软件的二次开发，实现混凝土梁桥BIM数字化设计(图1)。

图1 技术路线

1.2 软件关键技术

1.2.1 通用图知识库数字化管理

通用图知识库将桥梁设计人员的设计经验与前期成熟的设计成果归纳存储，以备再次设计桥梁时能够重用。在知识库的创建过程中，需要将标准化的设计通用图纸进行参数化处理，抽取出共性信息，包含几何模型、计算模型与钢筋模型等固化到数据库中。通过完整的参数描述通用图中所表达的有用信息，是进行智能化设计的前提条件，这些设计参数将成为整个智能设计系统处理的对象[7-8]。

同时，通用图知识库的建立和维护需要较好的技术组织和设计，这包括知识的组织管理、知识库的结构设计、知识的检索机制、访问机制以及修改维护机制等。通过建立智能决策机制使通用图知识库成为桥梁设计人员的助手，为设计师提供一套完整的桥梁设计解决方案。设计师可以用通用图知识库中快速获取需要的设计信息。同时每个设计师又是知识库的数据源，通过后台审核机制逐渐扩充通用图知识库的种类与大小。通过以上内容形成通用图数据的检索、使用、校验、入库的解决方案，以组织高价值资源支撑设计生产。

1.2.2IFC信息扩展

IFC标准是一种公开的，支持建筑数据在各个应用系统之间进行数据交换和管理的国际标准，不同BIM软件可以基于IFC数据源交换和共享。Revit软件的信息表达同样基于IFC数据标准，通过对IFC数据标准的拓展可实现标准化模板的信息表达和信息共享。IFC的框架为模块化设计，包括4个功能层次：资源层、核心层、交互层和领域层，其主要功能如表1所示[9]。

表1 IFC功能层次及其作用

由于建筑信息量的巨大，面对复杂工程实际情况，IFC作为公开的系标准提供了3种扩展机制满足工程需求：基于IfcProxy实体的扩展机制，通过增加实体定义的扩展机制和属性集扩展机制[10]。本文通过增加实体的方式构建混凝土梁桥体系(图2)。

图2 通过数据构件混凝土梁桥实体模型

2 软件功能

OSIS-BIM软件实现从道路路线、桥跨布置到每一联桥的上部结构、下部结构和部分附属结构等BIM模型的参数化、快速化、智能化建立(图3)。

图3 软件总体框架

2.1 路线与桥跨布置模块

设计线模型是整个项目模型的基础，Revit软件中没有线路设计模块，以往的建模方式是从图纸中提取桩基坐标，依据下部计算结果从下向上进行模型的搭建，数据统计工作量大，且不符合桥梁设计的原则[11]。OSIS-BIM软件可根据路线数据、跨径布置数据实现在Revit软件中的跨径布置，并且可以将该模块中的总体数据传递至后续的上部结构和下部结构模块中，实现数据从整体到局部的连通与流动。OSIS-BIM软件支持主流道路设计软件EICAD等平曲线、纵曲线、地面线和超高数据文件的读取，可在Revit软件中根据路线数据点创建路线模型(图4)。

图4 跨径布置思路

2.2 上部结构模块

该模块主要为桥梁上部结构模型创建，通过跨径、桥梁类型、斜交角等用户输入数据，软件自动匹配通用图数据中桥梁的构造信息，包括梁断面数据、纵向数据、横梁数据以及梁端伸缩缝构造数据等。Revit中采用(0,0)点作为坐标原点，在实际工程中坐标系数值较大，程序通过设置项目基点的方式，将工程坐标进行统一扣减得到模型坐标。OSIS-BIM通过创建自适应常规模型的方式，从超高数据、断面数据、纵向数据以及横梁数据计算出所有关键截面处的数据对象，然后将截面对象放置在道路中心线上的空间实际位置，在自适应族中进行融合来生成初步模型，最后再结合梁端伸缩缝的信息，通过剪切连接等布尔运算来生成最终模型(图5)。

图5 现浇箱梁BIM模型

这种采用标准截面+纵向变化的输入方式，对于变梁高、变桥宽、变板厚的梁桥，可省去在CAD中量取关键位置截面的梁宽、梁高等大量工作。程序可计算出任意截面的轮廓形状，实现现浇箱梁、预制箱梁、悬臂现浇梁、预制T梁和预制小箱梁等桥型的生成，并且适用于变高、变宽、变箱室、斜交、超高段和变悬臂等任意组合的异形构件。

2.3 下部结构模块

该模块主要包括桥台、桥墩和承台基础族文件的批量调用、实例化放置、参数化修改尺寸，桩长批量计算等功能。OSIS-BIM软件根据路线数据和桥跨布置信息自动生成桥梁墩台的列表，程序会自动读取用户积累的族文件，根据输入信息进行墩顶标高等参数的参数计算，并创建相应的墩台族实例。软件内置实现了盖梁柱式墩、独柱墩、花瓶墩、桩柱式桥台等结构形式。同时支持用户自定义族文件的添加，具有高扩展性(图6)。

图6 桥墩尺寸参数输入界面

下部结构的墩顶标高和承台标高均可根据梁宽、梁高、横坡以及基础埋深等参数自动计算，并且这些参数均由桥跨布置数据和上部结构数据传递得到，可有效减少在CAD中量取参数的工作以及在Excel表格中计算标高等工作(图7)。

图7 桩长批量计算界面

针对传统桩长设计根据地质勘探报告数据分析计算，计算工作大量且繁琐，面对地质勘探报告数据的二次增加，设计人员需重新进行桩长计算或复核工作的问题[12]。下部计算模块结合桥跨布置信息与下部结构参数，提供单桩承载力检算批量计算功能，用户可建立项目地质数据库，输入桩基总体信息、土层分布指标、岩层分布指标、钻孔信息等内容，程序对每个桩基自动匹配最近的钻孔地质信息进行创建承载力检算，并输出桩长计算信息。

2.4 通用功能模块

该模块可通过导入用户自定义的参数化族截面和路线数据来生成粗略模型，可用于箱梁、涵洞等结构的BIM模型创建。也支持通过导入用户自定义的参数化族截面和用户选择结构边线或模型线等来生成粗略模型，可用于桥梁护栏等结构的BIM模型创建。

2.5 族库管理模块

族库管理系统作为收集、处理、分享、再利用一个组织的全部知识的信息系统，对组织中大量的有价值成果、经验等知识进行分类存储和管理，积累知识资产，促进知识的学习、共享、培训、再利用和创新，有效降低组织运营成本，强化其核心竞争力的管理方法[13](图8)。

图8 族库管理界面

OSIS-BIM软件族库管理平台对接企业族库管理云平台，可实现企业对族文件的集中存储、共享与调用，实现企业对族库文件的规范化管理。设计人员可以按照不同权限使用企业已有族文件，进而提高设计效率、保障交付成果的规范性与完整性。该模块支持按目录查询、单文件导入及目录批量导入，可直接在Revit环境中插入族实例，并且拥有完善的人员管理体系，对族文件的使用采用角色授权方式，确保企业模型构件的统一规范管理。除此之外，用户可将族库管理里中的族文件扩充至该软件下部结构模块中来实现桥墩、桥台以及基础类型的扩展。

3 应用效果

在实体工程项目，针对其引桥和互通区的箱梁桥中应用OSIS-BIM建模软件，通过参数化输入结构数据，实现该项目中梁桥BIM模型的快速化建立。使建立一座箱桥梁的精细化模型用时从7h锐减至7min，效率极大提高。同时通过该参数化软件可积累结构化、标准化数据，构建桥梁设计的通用图知识库，为实现桥梁的智能设计提供数据支撑(图9)。