波形钢腹板组合梁BIM正向设计研究

2023-08-17徐磊如,杨鸿,王磊等

工程建设与设计 2023年14期

1 引言

波形腹板钢-混凝土组合梁具有自重轻、抗震性好、跨越能力强、使用寿命长、便于工厂化生产等优势，常被用于跨越既有线以及抗震设防烈度高的高速公路设计项目中。在施工图设计过程中，对于30 m、40 m、50 m、60 m 等标准等宽跨径的波形钢腹板桥梁，上部钢梁布设采用通用图的方案，但是在高架立交区域，常出现立交变宽区域、小半径曲线的弯桥以及非正交设计的斜桥。对于上述3 类设计情况，通用图不能满足设计成果交付的需求，而传统的AutoCAD 设计工具在处理这些问题时，费时费力，设计精度和设计质量都会由于人为因素下降，设计工作存在一定的困难。为解决上述问题，相关人员试图通过研发一款专业软件来实现自动绘图，本文主要对该正向设计软件的设计思路进行分析说明。

2 波形钢腹板组合梁设计软件

2.1 总体功能架构

本软件总体功能设计如图1 所示。基于Bentley 平台的CIF SDK 等专业工程图形计算类库，相关人员通过自主攻关对纬地文件进行数据化解析，通过导入纬地文件自动生成带平、纵、横、超高、断链信息的路线模型；通过数据输入、CAD文件导入、交互式工具动态绘制等多种方式，完成桥梁上部结构各类构造的布置，包括钢梁控制元素、角钢边线、横隔梁控制线、箱间横梁控制线等。利用参数与图形结合、交互联动的断面模板设计手段，可使设计人员快速完成桥梁各构件参数的输入。使用自定义元素实现面向桥梁对象的数字化设计，从而能够自动计算各类参数，一键创建BIM 模型。最后高效完成设计成果，包括施工图批量绘制、参数表自动绘制、工程数量表自动统计等。通过自研插件，BIM 模型一键导出Josn、Udb、Udd 等模型格式，精准的设计模型能够在施工阶段数字化系统中被应用。

图1 总体功能架构

2.2 桥梁数据的组织方式

桥梁软件的数据结构设计是一款BIM 正向设计软件的内核，其数据的组织与归类不但要满足施工图设计阶段的业务要求，还需适应下游施工管理阶段分部分项的划分方式。在波形钢腹板组合梁正向设计软件的数据结构设计中，使用了工程类别分解+ 工程实体分解的方式，这种方式类似于项目管理中常使用的分部分项，但又不完全一样。设计人员采用了面向对象描述世界的抽象思维方法，按照分部分项的包含关系来划分工程类别，如上部结构、钢箱梁、横隔梁、箱间横梁等，在每一类工程类别的后面按层级分解各个工程实例对象，如1-1 箱间横梁、1-2 箱间横梁等。这样的划分能够全面表达工程实体的类别以及层级关系，可以按照任意维度来划分和归类工程实体数据，可以很容易排列组合形成施工算量、进度、质量管理中分部分项的划分结构[1]。

2.3 自定义对象实现半自动化设计

Bentely 是一个通用的CAD 图形平台，提供点、线、面、体等通用的几何对象，在工程世界中，往往需要面对的是钢箱梁、横隔梁、端横梁、箱间横梁等工程对象，这些对象除了具有自己的几何形体外，还包含自己所特有的一些数据，如尺寸、材质等。利用自定义对象对工程实体的数据和图形进行整体封装，用一套数据实现图形的多维度、多场景表达。同一个自定义对象可以包括三维模型、平面图、立面图、剖面图以及大样图等，不同图形表达可以共用同一套工程属性数据，当自身数据发生变化时，不同场景的图形表达都会自动发生相应变化。通过自定义对象，可建立和管理工程对象间的隶属关系，当感知到与自己所关联的对象发生改变时，就能自动根据此改变化做出相应的响应，构造出智能化对象关联网络。

传统意义上，设计人员可以通过参数化约束和设置变量的方式实现变量与几何轮廓的联动变换，但是其本质仍然是使用变量控制的几何元素，变量并不是实际意义上的工程属性，无法使变量根据其表示的工程意义执行有效管理。通过自定义对象，还可实现对工程属性归类管理，与几何轮廓深度绑定，使二者成为一个整体。通过数据来表达工程构造物之间的关联关系，自动计算构件尺寸，例如，横坡的取值变了，左右腹板的梁高会发生变化；横隔板的位置变了，卡在波形腹板之间的距离就会变化，横隔板的长度也会随之产生相应变化。这些变化都可以通过数据间的关联关系进行自动计算，从而通过数据驱动图形发生变化，实现一定程度的设计自动化。

2.4 钢梁构件动态布置

自定义对象是BIM 正向设计的核心，可以通过数形联动的方式实现半自动化设计，而如何高效地把这些自定义对象实例布置出来，完成一座桥的设计，就需要用到交互式的布置工具。软件交互式动态布置的操作如下：（1）通过拾取桥梁起终点范围内的路线，可偏移生成箱梁中心线，根据布跨自动创建每一跨的每一片的梁组，配合模板参数数据，自动生成波形钢腹板箱梁的平面示意图；（2）接着通过点击“布跨线”自动生成端横梁。横隔梁的布置则需点击梁组对象，在波形腹板的约束下，生成横隔梁并自动计算横隔板宽度。箱间横梁的布置通过拾取2 片横隔梁进行自动布置。通过拾取具有特征的元素，可有效控制软件的操作流程，以避免因操作不当造成的软件错误。

2.5 变量参数求解与自动建模

在完成上述桥梁构造布置后，在软件系统中存储了各个桥梁构造的布置位置以及部分必要的构造参数，基于这些数据，结合自动建模程序，就能自动计算各部位的参数以及一键生成BIM 模型。 BIM 模型不仅要发挥可视化的价值，更重要的是，需要用这个可视化的形体去承载一个个工程实例的设计数据。这些数据分门别类，有表达几何型图形的数据，有用来绘图的平面投影数据，还有用来进行工程量计算的算量参数，都是在建模过程中根据程序自动计算而得的。不同的业务有不同的算法，对同一个工程实体部位，其数据诉求也不一样，在软件内通过大量的自定义对象，将这些设计数据存储在BIM 模型中，可以满足不同业务的诉求[2]。

2.6 自动绘图

基于BIM 模型工程实例所承载的设计数据，通过程序构造出图模板，读取相应构造的投影数据来实现自动绘图，可实现施工图纸的批量绘制。目前，软件可实现典型横断面图、组合梁一般构造图、钢梁构造图、箱间横梁构造图、剪力钉布置图等6 大类波形钢腹板组合梁核心图纸自动绘制。

2.7 自动统计工程数量

波形钢腹板组合梁传统的工程量计算方式为：人工把算量参数从图纸抄录到Excel 表格中，通过一些内置的表格公式计算和统计工程数量。这项工作烦琐耗时，人工抄录容易出错，输入数据工作量大，不同设计人员交叉复核烦琐，人工统计容易漏项。在本软件中，按照桥梁数据的组织结构，可以很清晰地定义出工程量统计的汇总结构，根据特定的算量规则以及获取工程实例部位的算量参数，可实现设计—算量同步进行，设计了多少工程构造，都能及时地进行工程量计算与工程量统计，达到设计—量控同步的目的[3]。

2.8 利用线性内插法设定箱梁横坡

对于曲线上横坡变化段的钢箱梁，如果按路线横坡取值计算，会使得钢箱梁板件尺寸比较零碎，给后期的加工制造带来很大的麻烦，所以，需要人为地设置一个合理的横坡值，通过线性内插的方式来处理变化段的横坡数据。软件在处理这个问题时，具体算法如下：（1）横坡变化段起终点横坡的设定：获取某一跨下所有的箱梁，根据路线获取其起点桩号、起点横坡（路线读取）、终点桩号、终点横坡（路线读取），参考路线的起终点横坡值，设置钢箱梁的起终点横坡值；（2）横坡变化段横坡地计算：根据线性内插法计算变化段的横坡值，例如，起点横坡为3.50%，终点横坡为4.50%，则跨中位置处横坡为4.00%；腹板变截面位置、横隔梁处的横坡值都按照其内插点的值进行取值计算。插入点横坡i（%）与起点桩号处横坡（k1，i1）和终点桩号处横坡（k2，i2）的计算公式为：

3 工程应用实例

桑园子黄河大桥为G312 线兰州过境段重点、控制性工程，大桥位于桑园子峡谷，桥轴线与黄河斜交角度约60°，跨越黄河、陇海铁路、省道公路。桥梁按8 车道设计，左右幅分幅布置，单幅桥宽22.75 m。右幅跨径组合为波形腹板钢-混凝土组合梁+斜拉桥+波形腹板钢-混凝土组合梁（北岸），桥梁全长990 m；左幅跨径组合为波形腹板钢-混凝土组合梁（南岸）+斜拉桥+波形腹板钢-混凝土组合梁（北岸），桥梁全长1 140 m。本项目南北岸引桥全部为波形钢腹板组合梁结构，引桥受主桥斜拉桥的影响大，在项目设计过程中，多次进行了设计方案调整，引桥波形钢腹板组合梁也多次相应修改设计。在本项目中，设计人员使用波形钢腹板组合梁设计软件，大大提高了设计效率和质量。