基于BIM技术的桥梁下部结构参数化建模与协同设计应用

王 开，罗天靖，李 辉，金 令，李 伟，简方梁

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055; 2.高速铁路建造技术国家工程研究中心,长沙 410075)

引言

我国“十四五”规划提出加快建设新型基础设施,加快交通、能源、市政等传统基础设施行业数字化改造,构建新型基础设施标准体系[1]。近年来,各行业、企业和团体积极投入到数字化、信息化应用框架与标准体系建设中。铁路行业展开了BIM技术与协同正向设计平台的研发,并在京张、京雄高铁等代表性试点项目中广泛应用。在技术标准方面,国家铁路局于2021年发布了《铁路工程信息模型统一标准》[2],铁路BIM联盟制定了包含EBS、IFD、IFC、元数据在内的16项标准[3],为推动铁路BIM技术应用提供了标准支撑与理论储备。

BIM技术是实现三维正向设计、信息协同与智能建造的核心技术之一。为实现高效率、高质量的设计与制造的目标,许多学者在BIM技术的研发和应用方面进行了深入研究。朱肖等[4]在现有技术标准和编码体系的基础上,提出了适用于铁路桥梁构件的LID编码规则。韩广晖等[5]提出了协同设计基础环境的搭建及协同设计流程实现的具体方法并应用于京张高铁项目中。丰逍野等[6]提出了基于BIM技术的桥梁与场地信息的可视化交互分析方法,实现了工程施工精细化管理。宋浩等[7]基于Q-Learning算法提出了一种铁路桥梁可视化智能布跨方案。齐成龙[8]基于BIM+GIS技术提出了铁路桥梁信息化施工管理平台,实现了三维可视化施工管理。王焕松等[9]依托京雄城际铁路工程项目,开发了基于 BIM 技术的铁路施工管理平台。王英杰等[10]基于Autodesk Revit研发了铁路线路三维信息平台。张世基等[11]基于信息模型的数据传递方式,提出了公共数据环境下协同设计平台分层级资源配置、文件状态控制、标准化流程驱动的铁路桥梁设计项目管理办法。

在铁路桥梁设计过程中,各专业设计数据的变更或桥梁结构形式、布跨的改动对桥梁三维模型影响很大,为了避免重复建模和解决各个设计阶段数据传递不畅的问题,将参数化手段与协同设计理念引入桥梁设计中。参数化技术是高效创建BIM三维模型的重要手段,其主要思路是通过对三维构件特征的高度抽象和归纳,打通设计参数与三维实体的数据传递与交互,以面向对象的思想对桥梁设计流程和桥梁构件形式进行梳理和总结。祝兵等[12]基于CATIA平台提出了一种使用EKL语言及WPF框架的参数化建模方法,实现了模板创建及三维构件设计功能。刘迅等[13]基于Revit平台实现了参数化装配式简支组合钢板梁桥的建模功能,采用本地化族库和构件库快速生成模型。余兴胜[14]提出了轨道交通上部结构参数化建模方法,实现了梁跨布置、自动计算梁重、梁长、制梁架梁参数并创建工点实例化模型。田庆等[15]通过构建高铁桥梁墩柱结构模板的设计数学模型,建立了模板结构BIM模型设计流程,实现了自动生成桥墩模板的功能。罗天靖等[16]提出了一种快速生成或修改预应力标准箱梁的精细化BIM建模方法,为桥梁BIM正向设计落地提供了有效的工具。何祥平等[17]依托连徐高铁新沂河特大桥,提出了铁路连续梁桥参数化建模方法,在方案优化和提高设计效率方面取得良好效果。马弯[18]根据线路、桥梁、隧道等专业协同信息提出了构件模型的参数化创建和轨道BIM模型的快速生成方法,解决了因线路、桥梁、隧道等相关专业变更引起的轨道重复建模的问题。上述研究为三维设计提供了丰富的参数化建模手段,提高了BIM模型的精度和生成效率,为铁路桥梁标准化构件的快速建模提供了参考。

1 参数化建模的实现

参数化建模方法是通过定义参数化数据与截面或模板间的转换关系来实现对模型实体的参数控制,其中模板可以理解为复杂的截面形式,图1为圆端形截面模板的定义。在这一过程中,桥梁构件数据结构、参数化模板的定义及构件属性的存储与显示是参数化技术实现的关键环节,本文基于Bentley MicroStation平台介绍参数化三维建模技术的实现原理。

图1 模板截面的定义示意Fig.1 Definition of the template section

1.1 数据结构的定义

数据结构的定义是实现参数化三维建模的核心之一,其本质是在结构层面、构件层面、实体特性层面对桥梁构件控制参数的归纳梳理,形成适应性强、便于存储传输的数据结构。下面以桥墩参数化数据结构为例来说明,如图2所示。

图2 桥墩参数化数据结构层次Fig.2 Pier parametric data structure hierarchy

结构层面是顶层数据结构,根据常用桥墩类型可以将其分为实体墩、空心墩、框架墩、M形墩或其他类型桥墩,这些类型均是由桥墩基类继承而来,包含了基类中定义的共有数据(如里程、定位高程、偏移值、转角、单元ID、IFD编码等)和不同类型桥墩所特有的数据。

构件层面是中间层数据结构,根据该桥墩类型特有的构件及构造特征来定义,如实体墩数据分为顶帽、托盘、墩身三部分,空心墩数据分为上实体段、空心段、下实体段三部分,框架墩及M形墩数据分为墩柱、横梁等。

实体层面是底层数据结构,与平台接口有紧密联系,主要包括参数化截面、参数化模板和参数化实体类型等。其中,参数化截面应用于简单截面拉伸的情况,应用场景较为有限,如需进行圆端形、矩形带切角或带排水槽等截面的拉伸时,需要采用参数化模板的方式。在进行实体建模时,除了需要截面、模板等参数外,还需要材料、类型(如空心体或实心体)、创建方式等参数,即实体类型参数化。这些参数可控制建模时对拉伸、扫掠或布尔运算等不同方法与接口的调用。

1.2 参数化模板的定义

参数化模板不局限于特定的截面形式,用户可以自定义任意形状截面应用于实体模型创建,具有较强的适用性。模板数据以XML格式存储,如图3所示,可以通过关键字“Template”创建截面,并用“Point”与“Constraint”创建截面控制点和控制点类型,通过“Template GUID”和“Parametric Label”关键字来标识特定截面。在程序开发过程中,对参数化模板识别和调用就是通过上述2个参数实现的。

图3 模板数据格式示意Fig.3 Template data format

参数化模板主要包含截面类型和变化策略2个参数,截面类型中存储了截面名称、编号及存储位置等信息。变化策略可理解为一个参数数组,每个数组中存储了在模板文件中定义的参数名称与参数值。建模过程中,程序将根据用户输入的截面类型和变化策略参数,确定截面模板文件及相关尺寸并调用建模接口来创建模型。

1.3 构件属性展示与ECSchema技术

桥梁构件或实体属性的存储与显示采用ECSchema技术实现[20]。图4是对EC文件结构的形象说明,EC中的ECClass如同一个数据表定义,ECProperty可以理解为其中的一个列定义,ECInstance表示数据库表中的一行,ECPropertyValue则是在一个表中的单元格的值。

图4 ECClass数据格式Fig.4 ECClass data format

ECSchema中定义的数据结构存储在DGN文件中,通过平台接口可以快速实现桥梁构件信息的存储和调用。

图5为实体墩属性在EC文件中的定义,后台系统在读取桥梁构件的自定义属性时,通过预先定义好的ECSchema以及ECClass等参数名来解析并提取相应参数值,图6为实体墩EC属性在软件界面中的显示。

图5 桥墩EC属性定义Fig.5 Definition of pier EC attributes

图6 桥墩EC属性显示Fig.6 Display of pier EC attributes

2 协同设计功能的实现

桥梁下部结构设计中,利用三维协同平台提供的各专业接口功能,获得上序专业提供的数据、模型等信息来实现三维协同设计的功能。目前,平台提供了线路、测绘、地质、路基、桥梁、隧道、轨道等专业在内的36个专业数据接口,满足专业间资料信息的传递需求。各专业设计信息的传递主要通过2种方式实现,即数据接口方式和模型参考方式。

2.1 数据接口方式

采用数据接口方式时,通过规定标准的输入与输出数据类,实现专业间接口数据的交互。搭建公共资源框架,对专业代码、设计阶段、模型精度、接口类型等进行定义,配合接口类实现专业接口的开发工作。

桥梁下部结构设计是基于桥梁布跨及曲线计算等结果进行的,其中线路信息的获取是必不可少的,图7为采用信息方式对线路专业设计成果的获取,通过调用线路专业接口,获得线路平纵断面、曲线布置和立交信息等相关参数。

图7 通过协同接口获取线路信息Fig.7 Obtaining line information through the cooperative interface

进行桥梁下部结构正向设计时,一部分参数来源于构件库中存储的数据,另一部分通过配合协同接口数据(如地质、线路和航遥等专业)进行计算得到,如对应里程处的墩高、桩长等。通过调用地质接口,可以获得工点地质、土层、钻孔等信息。其中工点地质信息包括地质构造、水文、地震动参数、环境温度、降水等数据,如图8所示;土层信息包括基础计算所需的土层参数,如图9所示;钻孔信息包括对应孔位坐标及各土层标高等数据,如图10所示。通过将这些数据转化为桥梁专业计算软件的输入参数来进行桥墩、基础的结构计算及后续设计。

图8 通过协同接口获取工点地质信息Fig.8 Obtaining geological information through the cooperative interface

图9 通过协同接口获取土层信息Fig.9 Obtaining soil layer information through the cooperative interface

图10 通过协同接口获取的钻孔信息Fig.10 Obtaining drilling information through the cooperative interface

2.2 模型参考方式

采用模型参考方式时,将各专业实体模型加载到同一工作空间下,使桥梁工点情况表现得更加直观,便于设计复核与专业接口间的核查。如图11所示,将线路模型加载到桥梁空间中,便于核查桥梁结构相对于线路位置是否准确;将地质土层模型加载到桥梁空间中,便于核查桥梁下部结构与地面、边坡等地形元素的相对位置关系。

图11 通过参考方式加载线路、地质专业模型Fig.11 Loading the model of line and geology by reference

3 下部结构建模功能介绍

3.1 建模功能

下部结构实体构件主要分为实心体和空心体两类。其中实心体建模应用范围较广,如实体墩顶帽、托盘、墩身构件,框架墩及M形墩墩柱、横梁和基础承台、桩基等构件均有使用。实体模型主要通过截面或模板拉伸的方式创建,其中建模控制参数为截面尺寸、构件长度及拉伸方向等。通过参数控制截面拉伸方向,可实现沿高度方向、沿线路方向或垂直于线路方向拉伸的不同需求。

图12为框架墩示意图,建模时,墩柱采用沿高度方向拉伸的方式,横梁采用沿线路或垂直于线路的方向创建后根据与线路方向夹角对横梁及相应墩柱进行坐标转换来实现。

图12 框架墩模型Fig.12 Frame pier model

空心体建模主要应用于空心墩与M形墩,在实心体建模的基础上,根据桥墩数据中定义的墩身内外部截面尺寸,分别创建外形实体和需删减的空心部分实体,调用布尔运算接口后得到相应的三维构件,图13为M形墩示意。

图13 M形墩模型Fig.13 M-shaped pier model

为了提高桥墩建模功能的适用性,将常用截面类型嵌入建模过程,并将截面类型作为参数存储到下部构件的数据中。建模时根据构件的截面类型调用相应模板来实现不同截面构件的创建,如图14所示。

图14 不同截面桥墩构件模型Fig.14 Pier component models of different sections

另外,还定义了墩身坡度、顶帽不等高、托盘变化模式、桥墩偏心等控制参数。其中,墩身坡度与截面参数共同控制墩身尺寸,托盘变化模式参数可控制托盘在顺桥向、横桥向沿高度的线性、圆弧、抛物线三种变化。建模时,程序根据布跨线两侧跨度自动计算顶帽不等高段方向及墩身偏心方向,来保证桥墩建模的精度和效率。

3.2 软件界面

图15为桥墩构件库界面,支持实体墩、空心墩、框架墩及M形墩的创建。图16为基础构件库界面,支持扩大基础或桩基础等类型的创建。

图15 桥墩构件库界面Fig.15 Pier component library interface

图16 基础构件库界面Fig.16 Foundation component library interface

桩基础建模时,界面中会出现承台和桩的定义窗口,可以进行相关尺寸和材料的定义。桩基坐标采用四分之一坐标的形式输入,图17为桩基坐标输入界面,输入后在界面下方表格中出现各桩的坐标位置,图中桩基布置形式也会相应发生变化。

图17 桩基坐标位置定义Fig.17 Definition of coordinates and position of pile foundation

4 应用实例

上述三维参数化建模方法在通苏嘉甬铁路项目中进行了应用。通苏嘉甬铁路位于长三角城市群中心地区江苏省和浙江省境内,为南北向铁路,线路起自南通市南通西站,与盐通铁路正线贯通,向南跨过长江后,经苏州市、嘉兴市后跨过杭州湾进入宁波市。

通苏嘉甬铁路利用参数化建模功能进行了全线建模,图18为苏州南站简支梁三维模型,该工点下部结构大量应用了M形墩、横桥向并列式桥墩、并列式基础等结构形式。在实际建模过程中根据参数化数据创建桥墩、基础构件库,并利用下部结构设计的相关功能进行全线桥梁建模。

图18 苏州南站简支梁三维模型Fig.18 Three-dimensional model of simply supported beam of Suzhou South Railway Station

在完成桥梁模型的基础上,利用平台提供的电子沙盘功能可在GIS场景中对设计成果进行浏览,如图19所示。电子沙盘提供的GIS仿真环境为查看、分析和审批环节提供了完整的项目模型,为设计成果的利用提供了便捷条件。

图19 苏州南站桥梁电子沙盘模型Fig.19 Electronic sand table model of a Suzhou South Railway Station bridge

5 结语

介绍了铁路桥梁下部结构参数化数据结构的定义思路,并基于Bentley平台图形接口及参数化模板等技术,实现了多种类型的桥梁下部结构参数化建模功能。

在协同设计功能方面,利用数据接口和模型参考2种方式,将外专业协同数据引入到桥梁下部结构设计过程中,提出下部结构协同设计功能的实现方式和具体流程,满足协同设计的工作要求。

本文提出的三维参数化建模技术在通苏嘉甬铁路项目中进行了应用,实现了设计成果的三维可视化分析与各专业接口的快速核查,在优化设计方案、降低施工风险和拓展BIM模型的后续应用等方面起到了推动作用。