基于BIM 的钢箱拱桥参数化建模及应用

王成WANG Cheng

（中铁九桥工程有限公司，九江 332000）

0 引言

大规模的铁路及公路建设为人民的出行带来了极大的便利，桥梁在铁路和公路的建设中起着极其重要的纽带作用。但是目前二维设计模式对于桥梁建设的数字化发展方向有很大的制约。

近年来，建筑信息模型的发展为桥梁精细化设计提供了有效的手段。与传统手段不同，BIM 技术将更先进的数字化技术与三维精细模型进行融合，在提高设计文件表达力的同时，BIM 模型也作为公路工程全生命期的数字底座，完成数据传递和信息整合，全面提升公路工程全生命期的信息化与智能化水平[1]。然而，目前桥梁BIM 模型族库较为缺少，并且可复用性不强，对于不同项目进行单独建模时间周期长，且不易修改。为此本文以来安至全椒段一级公路襄河大桥为工程背景，建立了一种基于BIM 的钢箱拱桥快速参数化建模方法，并依托BIM 模型进行图纸会审、深化出图、安装工序模拟、数字化加工及二维码应用研究，成果可为桥梁数字化发展作为参考。

1 钢箱拱桥参数化建模技术

为缩短建模周期，方便模型快速化修改，通过对钢箱系杆拱桥进行分项参数化建模，形成了一种基于BIM 的钢箱拱桥快速参数化建模方法。参数化建模就是将复杂桥梁进行逐步分解为点、线、面，由基础点、线、面依据一定规则及约束生成参数可调节的控制参数化构件，将同一种逻辑关系的构件作为参数化模板并对其进行封装，再依据不同数据合理调用软件提供的类、库的属性和方法以及二次开发函数，快速生成同种类型的所有构件，其技术路线如图1 所示[2]，通过对每个部件的参数化实现整体桥梁的参数化[3]。基于BIM 的钢箱拱桥快速参数化建模主要步骤包括：①建立参数化道路中心线+拱轴线模板，明确道路中心线与拱轴线之间的空间关系及控制变量；②建立拱肋、风撑、梁拱、横梁、吊杆等部件参数化模板；③制定通用BIM数据信息文件承载模型设计数据；④通过道路中心线、拱轴线、参数化模板及设计数据进行批量化拱肋、风撑、梁拱、横梁、吊杆等模型生成；⑤手动建立非参数化模型，完成桥梁模型如图2 所示。

图2 钢箱拱桥快速参数化建模流程

2 工程实例

2.1 工程概况

来安至全椒段襄河大桥为下承式钢箱系杆拱桥（主跨120 米异型拱桥），全长约2.445 公里。主桥为梁拱组合体系桥梁，拱圈及纵梁均采用钢箱结构，系杆为刚性系杆，风撑为异性空间结构，襄河大桥主桥桥型布置如图3 所示。

图3 襄河大桥主桥桥型布置图

2.2 钢箱拱桥参数化族

2.2.1 参数化道路中心线+拱轴线

下承式钢箱系杆拱桥道路中心线及拱轴线作为桥面系及拱肋控制线决定着桥梁的总体空间位置，道路中心线与拱轴线的相对空间关系决定着桥梁模型的准确性。基于BIM 进行参数化道路中心线+拱轴线模板建立，能够根据类VB 语言自动读取承载模型设计数据的数据表格中的模型信息进行参数化建模，并能根据后续设计变更，快速修改道路中心线+拱轴线模型，避免因设计变更造成的重复建模。主要步骤包括：①建立参数化道路平曲线及道路纵曲线，将平纵曲线拟合成未加预拱线的参数化道路中心线；②根据设计要求增加预拱线，根据桥面数据得到拱轴定位点；③依据设计要求使用类VB 语言生成参数化拱轴线，如图4 所示。

图4 参数化道路中心线+拱轴线构建

2.2.2 参数化钢箱拱

钢箱拱分为多个节段，除梁拱结合处与其余节段存在较大结构差异外，其余节段仅在厚度、隔板数量等方面存在不同。因此，梁拱结合处进行手动建立非参数化模型，其余节段建立参数化钢箱拱模型。主要包括建立参数化顶底板构件、参数化腹板构件、参数化A 型隔板构件、参数化B型隔板构件等如图5 所示。并根据类VB 语言调用数据表格中的数据对参数化构件进行赋值实例，得到依据设计数据进行分段的参数化钢箱拱模型，如图6 所示。主要步骤包括：①定义拱轴分段位置，确定基本输入曲线；②绘制参数化构件基本框架图，定义关键部位变量，形成各参数化构件库；③设置所需参数值，包括顶底板板厚、腹板板厚、参数化隔板类型、定位里程点等；④使用类VB 语言读取数据信息文件中的数据自动生成按设计分段的钢箱拱模型。

图5 参数化A 型隔板构件

图6 已分段参数化钢箱拱模型

2.2.3 参数化风撑

风撑为空间异形结构，在建模过程中耗时占比多，建立参数化风撑族库有助于减少后期模型修改时间。本方法采用整体+局部式参数化方式，将风撑顶底腹板作为整体进行参数化构件建立，将加劲、隔板及腹板部分建立单独参数化构件，依托各单独构件在整体中的相对位置进行批量参数化建模，如图7 所示。主要步骤包括：①建立参数化投影曲线，生成整体参数化风撑顶底腹板构件；②建立加劲、隔板及腹板基本框架图，定义关键部位变量，形成各单独参数化构件；③根据投影曲线、风撑顶底腹板构件、定位位置、尺寸等参数快速生成参数化风撑局部模型，如图8 所示。

图7 参数化风撑顶底腹板

图8 风撑局部模型

2.2.4 参数化钢箱梁

不同钢箱梁节段的区别在于其包含吊杆横隔梁、普通横隔梁的类型、数量及厚度等参数的变化、纵梁顶底腹板厚度变化以及梁拱结合段的特有结构区别。同理，对于梁拱结合段钢箱梁进行手动建立模型，其他节段通过参数化横隔梁构件进行模型建立，如图9 所示。主要步骤包括：①绘制节段顶底腹板基本框架，生成顶底腹板模型；②绘制节段横隔梁基本框架，生成横隔梁模型，并定义关键部位变量设为输入参数；③根据各阶段类型、其相对于道路中心线的位置、各关键参数（长、宽、高、厚度等）批量进行不同横梁节段自动快速参数化生成，如图10 所示。

图9 参数化横梁B 构件

图10 批量实例化模型

2.2.5 参数化系杆

参数化系杆构件主要包括吊杆、耳板、耳板加劲等部件，将吊杆位置及倾斜度作为构件控制变量，依据顶板倾斜度控制耳板加劲具体尺寸数据，快速建立系杆三维模型，如图11 所示。

图11 参数化系杆模型

3 BIM 技术应用

3.1 基于BIM 模型的图纸会审

对建立完成的BIM 桥梁模型进行碰撞检查如图12所示，发现图纸设计过程中碰撞问题、设计错漏碰缺、施工可行性等几个方面的问题进行基于BIM 模型的图纸会审，提前发现施工可行性的问题，在设计阶段进行解决，提高了设计方案的施工可行性，减少了后期变更和返工，确保了施工质量，节省施工工期、降低成本和消除安全隐患。

图12 碰撞检查

3.2 基于BIM 模型的深化出图

基于BIM 模型的深化出图区别于二维工艺深化，进行工艺出图，避免工程存在部分缺陷或施工不合理性，优化各构件的设计，提高功能实用性。其主要步骤为：①依据制造厂的生产条件和现场施工条件，并考虑运输要求、焊接工艺要求以及零件间的连接方式等因素，根据已建立的模型及设计院反馈意见，对已完成桥梁BIM 模型进行修改；②并依据已深化BIM 模型，导出DWG 白图；③对导出的DWG 图纸进行图纸标注、审核。如图13 所示。

图13 深化出图流程

3.3 基于BIM 模型的安装工序模拟

依据BIM 模型及桥梁专项施工方案进行桥梁安装工序模拟，将施工总进度计划的每一道工序与工序内每一个构件进行挂接最终形成施工总进度计划模拟，其可展示总进度计划时间内任意时间点的施工状态，并对其进行三维可视化展示。主要步骤包括：①根据安装方案及施工总进度计划对模型进行拆分；②根据方案确定解说脚本，生成配音及字幕文件；③将BIM 模型转化为fbx 格式，导入动画模拟软件中，按先后顺序逐个插入工序任务或导入已编写好的施工进度计划表。设置每一个工序的起止时间，并将该工序对应的模型构件绑定到该任务中。直至全部工序均绑定模型构件；④将所有工序任务逐个设置动画形式（编辑动画）。包括：生长、水平移动、竖直移动、旋转、静止、方向等动作，输出视频文件；⑤在视频剪辑软件中将视频文件，配音文件及字幕文件进行整合、剪辑、后期制作。基于BIM 的安装工序模拟能够准确直观地展示安装细节及总进度流程，能够提高交底质量，减少返工，对进度计划的合理性和适宜性进行分析和优化，如图14 所示。

图14 安装工序模拟

3.4 基于BIM 模型的数字化加工

基于BIM 模型的数字化加工能够保证从构件设计到制造的一致性，主要步骤包括：①根据构件生产方式、施工工艺及安装方式等原则对深化完成的模型进行拆分、编号；②根据编号对所述异形构件的不同部分的构件信息进行存储，其中，所述不同部分的构件信息包括：构件尺寸信息、构件外型信息、构件立面信息、构件平面信息、构件剖面信息、构件材质信息。然后利用BIM 技术的可出图性结合拆分构件BIM 信息，导出构件平面图、立面图、剖面图、节点大样图、三维示意图，并依据BIM 环境及BIM 构件生成现场放线图；③依据已有BIM 构件的深化图纸及数字化模型，提取信息化模型中所包含的构件信息，通过数字化机床、3D 打印机等数字化生产设备，对拆分构件进行精准生产加工，如图15 所示。

图15 数字化加工

3.5 二维码应用

基于BIM 模型信息生成二维码粘贴在实际构件上，借助二维码扫描手段，帮助管理人员轻松用手机扫描获取构件相关信息，不断积累设计、施工阶段的信息，并用于后期运营管理。主要应用场景如下：①现场人员通过二维码获得该构件的详细信息，并将其高亮显示在模型中，辅助现场人员准确定位；②现场人员通过扫描二维码调出对应构件质检表单进行填写，及时同步至管理平台。

4 结论

本文依托BIM 技术，对下承式钢箱系杆拱桥参数化模型建立方法进行研究，提出了一种基于BIM 的钢箱拱桥参数化建模路线，以襄河大桥为例，对道路中心线+拱轴线、钢箱拱、风撑、钢箱梁及系杆的参数化过程提供了技术方案并验证了参数化建模的可信性，并进一步的通过BIM模型进行了图纸会审、深化出图、安装工序模拟、数字化加工及二维码应用，发现设计问题20 余项，提高了设计质量，提升了生产精度及安装质量，初步实现智能化管理应用。本钢箱拱桥参数化建模技术适用于各类钢箱拱桥，包括道路中心线+拱轴线、钢箱拱、风撑横梁、钢箱梁及系杆，能够依据不同钢箱拱桥提升30%-50%的建模效率，之后可以在此基础上深入探索适用于全类型桥梁的参数化建模技术，为实现桥梁智能设计、智能施工、智能运维创造基础。