我國西部山區(qū)和東部沿海地區(qū)的高速鐵路建設(shè)逐年增多，而跨越河流、溝谷的高墩橋梁以及軟基沉陷地區(qū)的深基礎(chǔ)橋梁占比較大，墩臺基礎(chǔ)造價(jià)較高。當(dāng)橋梁跨度大于32m時(shí)，多采用現(xiàn)澆橋梁（包括簡支梁、連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)等），其經(jīng)濟(jì)性下降，且質(zhì)量控制難度較大。為此，我國多個(gè)單位合作成功研制了40m預(yù)制簡支箱梁。

高鐵40m簡支梁在規(guī)劃伊始便提出了設(shè)計(jì)-建造-運(yùn)維全生命周期的應(yīng)用設(shè)想，確定了基于BIM技術(shù)的智能設(shè)計(jì)、制運(yùn)架一體化和智能運(yùn)維的實(shí)施內(nèi)容。

本文介紹BIM技術(shù)在40m簡支梁設(shè)計(jì)中的研究和應(yīng)用工作，涉及模型結(jié)構(gòu)分解、精細(xì)化BIM模型構(gòu)建和BIM設(shè)計(jì)交底系統(tǒng)研發(fā)3個(gè)方面，以期為全生命周期BIM模型使用和信息流轉(zhuǎn)奠定基礎(chǔ)。

面向裝配化的模型結(jié)構(gòu)分解

高速鐵路40m簡支梁具有跨度大、技術(shù)含量高等特點(diǎn)，反映到BIM模型上則表現(xiàn)出模型體量大、構(gòu)成單元多、層級結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特性，因此制定一套完整、規(guī)范的模型結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。借鑒制造業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)管理方式，采用基于BOM(Bill of Material)的模式對40m簡支梁進(jìn)行模型結(jié)構(gòu)分解，一方面依據(jù)設(shè)計(jì)固有表達(dá)方式，體現(xiàn)詳細(xì)的構(gòu)造細(xì)節(jié)，準(zhǔn)確反映設(shè)計(jì)意圖; 另一方面考慮簡支梁制造、運(yùn)輸、架設(shè)乃至運(yùn)營一體化管理和模型精細(xì)度的對應(yīng)要求，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)傳遞和信息集成的渠道貫通，并為后期運(yùn)營提供數(shù)據(jù)信息接口，統(tǒng)籌全生命周期的應(yīng)用需求。

為此，將40m簡支梁視為裝配化的綜合平臺，實(shí)現(xiàn)不同構(gòu)件層級的裝配化: 充分考慮簡支梁制造需求，提供如預(yù)應(yīng)力自動張拉、管道智能壓漿等施工數(shù)據(jù)匹配的對象實(shí)體，將簡支梁主體結(jié)構(gòu)合理拆分，形成面向裝配化的主梁結(jié)構(gòu); 考慮鐵路不同結(jié)構(gòu)形式的常用跨度簡支梁應(yīng)用模式，搭載附屬設(shè)施( 包括線路結(jié)構(gòu)) 產(chǎn)品庫，對簡支梁主體結(jié)構(gòu)與附屬設(shè)施進(jìn)行一體化BIM設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)兩者的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和模塊化的靈活組裝。

模型結(jié)構(gòu)分解的具體原則如下: 

涵蓋40m簡支梁綜合平臺的所有組成單元，并賦予唯一編碼標(biāo)識;

清晰地劃分層級結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系，為不同業(yè)務(wù)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享、集成和追溯提供實(shí)體; 

作為制造階段計(jì)劃編制、物料領(lǐng)用、成本核算等過程管控對象的最小劃分粒度，為精細(xì)化管理提供條件。

按照上述原則，將40m簡支梁分為主梁、支座和附屬設(shè)施三大類。根據(jù)具體工程項(xiàng)目采用不同的通用圖靈活組合裝配，輸出40m簡支梁不同結(jié)構(gòu)形式的整體BIM設(shè)計(jì)模型。

40m簡支梁主梁信息模型結(jié)構(gòu)分解

屬性信息的定義和賦加是設(shè)計(jì)階段BIM應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到后續(xù)信息流轉(zhuǎn)和應(yīng)用效率�；�于確定的模型結(jié)構(gòu)劃分，梳理簡支梁構(gòu)成單元的設(shè)計(jì)信息，如下表所示。

40m簡支梁典型構(gòu)成單元設(shè)計(jì)信息示例

表中將設(shè)計(jì)信息劃分為基本信息、技術(shù)參數(shù)和工程數(shù)量3類，通過BOM表內(nèi)的唯一ID標(biāo)識，采用二次開發(fā)插件批量賦予對象實(shí)體，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)樹-模型-數(shù)據(jù)的互關(guān)聯(lián)。進(jìn)一步研究不同構(gòu)成單元基本信息與工程數(shù)量的邏輯關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)工程量的自動統(tǒng)計(jì)。

IFD編碼是構(gòu)成單元的基本信息之一，在分類、統(tǒng)計(jì)中發(fā)揮重要作用。橋梁構(gòu)件模型結(jié)構(gòu)分解一般基于《鐵路工程信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》( 1. 0 版) 中的53表，按照功能特征對構(gòu)件進(jìn)行分類，但對單獨(dú)的箱梁梁體不完全適用�？紤]到梁體結(jié)構(gòu)由多種鐵路工程產(chǎn)品構(gòu)成，結(jié)合53表及擴(kuò)展補(bǔ)充58表的分類，編制完成每一類構(gòu)成單元的編碼。

BIM 模型構(gòu)建

受BIM技術(shù)成熟度和管理交付模式所限，BIM正向設(shè)計(jì)還處于探索階段，目前仍以翻模為主。40m簡支梁BIM模型構(gòu)建也是采取此種模式。本文基于CATIA軟件進(jìn)行建模，涉及模型精度和衍生的產(chǎn)品庫，具體要求為: 按照LOD3. 5模型精度對混凝土梁體、普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力筋、輕質(zhì)橋面、近軌矮屏障、無砟軌道等構(gòu)成單元進(jìn)行精細(xì)化建模，建模過程中開展信息集成、碰撞檢查、方案優(yōu)化、工程量統(tǒng)計(jì)等輔助設(shè)計(jì)工作; 立足裝配化思想，對標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品開展參數(shù)化建模，逐漸積累鐵路簡支梁的配套產(chǎn)品庫。

基于BIM 的設(shè)計(jì)優(yōu)化

通過圖紙審核和模型碰撞實(shí)現(xiàn)基于BIM的設(shè)計(jì)優(yōu)化。首先根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行BIM建模，基本原則是保持與二維設(shè)計(jì)圖紙的一致性，建模過程完成圖紙的校核; 然后通過BIM技術(shù)進(jìn)行碰撞檢測，輸出分析報(bào)告，反饋至專業(yè)設(shè)計(jì)人員，由其確定修改方案，進(jìn)而更新BIM模型，優(yōu)化二維設(shè)計(jì)圖紙。重復(fù)上述過程，直至二維設(shè)計(jì)圖紙差錯(cuò)漏碰問題基本解決，誤差在允許范圍內(nèi); 最后進(jìn)行設(shè)計(jì)鋼筋大樣圖輸出及分類工程量統(tǒng)計(jì)，形成交付成果。

基于BIM的40m簡支梁輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

基于BIM的設(shè)計(jì)優(yōu)化包括以下工作重點(diǎn):

圖紙審核

模型創(chuàng)建過程中對圖紙的數(shù)量、標(biāo)注、空間關(guān)系等內(nèi)容進(jìn)行校核，實(shí)質(zhì)是二維設(shè)計(jì)成果的過程審查。

碰撞檢查

在二維設(shè)計(jì)圖紙中，預(yù)應(yīng)力筋與梁體配筋是分開布置的，對于空間出現(xiàn)的碰撞問題無法避免，只能通過施工人員自行調(diào)整，這不僅給施工過程帶來困擾，也給設(shè)計(jì)質(zhì)量帶來一定的不確定性。

為了避免施工過程中的無序修改，借助BIM技術(shù)進(jìn)行幾何體的碰撞檢查，可深度分析基于二維設(shè)計(jì)成果中鋼筋、預(yù)應(yīng)力筋與其他零件的空間關(guān)系。直觀反饋其中的不合理之處，實(shí)現(xiàn)問題前置化，進(jìn)而提前調(diào)整相應(yīng)單元的空間布置，減少變更及現(xiàn)場返工。

碰撞檢查內(nèi)容主要包括普通鋼筋與預(yù)應(yīng)力筋管道的碰撞、普通鋼筋與梁體的碰撞、預(yù)埋件與預(yù)應(yīng)力筋管道的碰撞。

普通鋼筋與預(yù)應(yīng)力筋管道的碰撞

信息精準(zhǔn)輸出

40m簡支梁BIM模型承載了混凝土數(shù)量、預(yù)應(yīng)力筋長度、管道壓漿體積等詳細(xì)工程信息，可精準(zhǔn)分類、輸出工程量信息，輔助二維設(shè)計(jì)成果的完善。以鋼筋為例，結(jié)合規(guī)范規(guī)定的彎鉤長度要求對帶肋鋼筋進(jìn)行準(zhǔn)確放樣，自動輸出二維鋼筋大樣圖，可直接指導(dǎo)現(xiàn)場應(yīng)用。

鋼筋大樣輸出圖( 單位: mm)

參數(shù)化建模及產(chǎn)品庫

參數(shù)化是BIM技術(shù)的顯著特點(diǎn)之一，考慮40m簡支梁具有不同的結(jié)構(gòu)類型以及配套的附屬設(shè)施，可通過控制多類型參數(shù)調(diào)整模型中數(shù)據(jù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)模型屬性信息對應(yīng)改變，提高建模效率。

梁體及鋼筋

將梁體各項(xiàng)指標(biāo)( 包括長、寬、高等各種幾何尺寸，共計(jì)53個(gè)) 設(shè)置為參數(shù)，通過BIM建模軟件以.xls格式導(dǎo)出各項(xiàng)指標(biāo)，基于.xls 格式改變參數(shù)輸入量值，基于參數(shù)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)不同跨度梁體模型的快速調(diào)整。

根據(jù)鋼筋彎折角度( 135°，90°) 繪制模板，將幾何信息( 如長度、直徑等) 進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，實(shí)現(xiàn)模型批量實(shí)例化。針對長度隨梁體造型變化的部分鋼筋，根據(jù)其漸變規(guī)律在CATIA中自動計(jì)算彎折點(diǎn)后進(jìn)行鋼筋實(shí)例化。

鐵路標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品庫

鐵路簡支梁設(shè)計(jì)中應(yīng)用了多種產(chǎn)品，如錨墊板、錨具、支座、防落梁裝置等，這些產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化程度高、重復(fù)使用率高。因此，可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的幾何尺寸、屬性信息，搭建簡支梁常用配套標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品庫，方便在不同類型簡支梁設(shè)計(jì)中調(diào)用，從而提高設(shè)計(jì)效率，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的累積和繼承。

通過獲取并存儲相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參數(shù)，建立鐵路常用跨度簡支梁所配套的產(chǎn)品模型，借助目錄編輯器模塊逐漸形成標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品庫。

標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品庫的建立流程

BIM設(shè)計(jì)交底系統(tǒng)研究

BIM技術(shù)不僅在設(shè)計(jì)優(yōu)化中發(fā)揮了重要價(jià)值，而且為設(shè)計(jì)交底提供了豐富的展現(xiàn)方式�？紤]簡支梁設(shè)計(jì)交底內(nèi)容形式的通用性，泛化了設(shè)計(jì)交底系統(tǒng)定位: 不局限于40m梁，而是立足不同鐵路等級( 高速鐵路、城際鐵路、客貨共線鐵路以及重載鐵路) 、結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計(jì)時(shí)速、跨度、線路類型形成的標(biāo)準(zhǔn)簡支梁和常用跨度連續(xù)梁，支持不同BIM設(shè)計(jì)軟件的三維模型導(dǎo)入、多方式的設(shè)計(jì)交底與信息傳遞。目的是實(shí)現(xiàn)鐵路常用跨度混凝土梁模型可視化，設(shè)計(jì)信息綜合展示和一致性傳遞，拓展設(shè)計(jì)方與建設(shè)、施工及監(jiān)理方的交流手段，提升設(shè)計(jì)單位的服務(wù)水平。

基于40m簡支梁全生命周期BIM技術(shù)應(yīng)用規(guī)劃及模型成果，確定了BIM設(shè)計(jì)交底系統(tǒng)架構(gòu)，包括展示層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層。

系統(tǒng)架構(gòu)

為豐富設(shè)計(jì)交底內(nèi)容和形式，設(shè)計(jì)了梁體模型、附屬設(shè)施模型、圖紙查看、三維設(shè)計(jì)交底、資料管理、模型裝配、模型上傳等功能模塊。

簡支梁BIM模型包含單元種類多，關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，通過整體BIM模型很難查看特定元素之間的相互關(guān)系。為此，對梁體模型和附屬設(shè)施模型模塊的展示內(nèi)容進(jìn)行開放式設(shè)計(jì)，通過靈活定義不同單元的組裝，實(shí)現(xiàn)簡支梁不同裝配單元的對應(yīng)、查看和對比，滿足不同人員對設(shè)計(jì)模型的使用需求。

以梁體模型裝配為例，通過模型上傳完成梁體混凝土、普通鋼筋、預(yù)埋鋼筋、加強(qiáng)鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼筋、錨墊板、支座預(yù)埋鋼板等單元輕量化格式的分類存儲，根據(jù)不同需求形成了橋面布置、翼緣板構(gòu)造、接觸網(wǎng)加強(qiáng)構(gòu)造、綜合接地、電纜上橋等多個(gè)固定組合單元。還可以選擇不同裝配模型結(jié)構(gòu)樹中的子類，實(shí)現(xiàn)具體元素組合，其組合內(nèi)容包括空間相對關(guān)系及參數(shù)信息。

系統(tǒng)架構(gòu)

構(gòu)建面向全生命周期的40m簡支梁設(shè)計(jì)BIM模型時(shí)，通過圖紙審核和碰撞檢查輔助二維設(shè)計(jì)圖紙優(yōu)化，對梁體、普通鋼筋進(jìn)行了參數(shù)化建模，實(shí)現(xiàn)鋼筋大樣圖輸出，構(gòu)建了錨墊板、支座等簡支梁標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品庫。

秉承裝配化管理理念，開展了BIM設(shè)計(jì)交底系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)及研發(fā)，通過對不同裝配單元的自由組合，實(shí)現(xiàn)模型的靈活查看及相對空間位置的準(zhǔn)確展示，豐富了設(shè)計(jì)交底表達(dá)方式。