基于BIM技术的工字钢混凝土板组合梁桥参数化建模

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为了研究建筑信息模型(BIM)在桥梁工程领域参数化建模中的应用,对市面上BIM核心建模软件进行对比,分析了参数化建模的关键,完成了花瓶墩模型的参数化创建。以工字钢混凝土板组合梁桥为例,归纳了全桥参数化建模的一般流程。结果表明:参数化建立BIM模型可节省大量建模时间,解决了桥梁工程建模速度较低等问题,大大减少了返工用时;BIM技术能够给桥梁工程的设计带来极大的便利,通过参数化建模可以保证工程高质高效进行,对BIM后续的发展起到了强有力的可实施作用。

关键词:

桥梁工程;建筑信息模型;桥梁信息模型;参数化;花瓶墩;工字钢混凝土板组合梁桥;建模流程;软件选取;

作者简介:

宋福春(1971-),男,辽宁辽阳,副教授,博士,主要从事钢管混凝土拱桥理论和既有桥梁维修与加固等方面的研究;

收稿日期:2018-06-19

基金:辽宁省自然科学基金资助项目(201602602);住房和城乡建设部科学技术项目(2016-K2-02);

 

伴随着现代信息科技发展以及工程界面临着日益增多的问题,建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)得到了广泛的关注,它可以定义为建筑工程项目各项信息数据的总汇[1]。美国国家BIM标准(National Building Information Model Standard,NBIMS)将其特点相对完整的细化为11个方面,包括面向生命期(全寿命)、基于网络的实现(共享、协作)、几何信息的储存(信息化)、信息的精确性和可交互性等[2]

目前,BIM的应用主要集中在房屋建筑领域,且在一些大型的建筑工程中已经进行初步尝试并取得了一定的成果,但在桥梁工程领域的研究与应用还相对较少,高质高效,减少返工等优势仍未明显展现。因此,笔者基于BIM技术针对桥梁工程中工字钢混凝土板梁桥的参数化建模进行研究,利用桥梁BIM的核心建模软件,完成工字钢混凝土板梁桥模型的参数化建立,总结有关建模流程与技术要点,为相关领域的从业人员提供参考的同时,希望一定程度上推动BIM技术在桥梁工程领域的发展。

1 桥梁BIM技术

1.1 桥梁BIM的革新

BIM在桥梁工程中的应用,改变了传统的作业模式,让一切工作以数据信息模型为基准,一切计划操作有实施根据。BIM的应用不管对设计方还是施工方带来的效率提升和技术水平提高都是毋庸置疑的[3]

(1)方案评审更加直观:基于BIM模型的桥梁工程,可让业主在方案选择评审阶段更加直观地看到工程完工后的效果及相应的分析;

(2)工程造价更加精准:基于BIM模型的工料计算相比于基于2D图纸的预算更加准确,且大多是工作可交由计算机完成,便捷省时;

(3)设计施工更加高效:BIM技术为桥梁工程所带来的协同设计、参数化设计两大特征,在设计阶段高效高质,施工减少复工返工参数;

(4)构件预制更加高质:构件的参数化、模块化是工厂预制化的重要基石,桥梁BIM技术的信息模型代替了传统图纸的移交等。

桥梁BIM技术所提供的信息交互平台能够使早期参与设计的各协作方进行相互经验探讨、信息协调,有利于先进技术的获取与项目的实时创新,对后期项目的维护检测管理模式优化,实现耗能与可持续发展设计分析也有着引领作用。

1.2 桥梁BIM建模软件选取

BIM技术的应用离不开基础软件, BIM模型的创建都依赖于核心建模软件。虽然BIM相关软件经过了超过十年的更新和进步,功能和界面都已经有了很大的提升,但从桥梁工程领域考虑,适配的应用框架还相对薄弱,各平台的数据连通也不够完善,不可避免的丢失部分模型信息,甚至出现难以预计的错误,如模型部件丢失、体或面不闭合、材料信息缺失等,故为实现桥梁BIM的应用框架和多专业人员的协同工作,首先需要选取合适的核心三维建模软件,充分考虑后续数据处理,尽可能使用统一的平台系列软件,完成桥梁工程在全生命周期的BIM应用,以最大程度的保留模型中的有效信息,减少冗余和错误。

目前,国内市场和科研院所可用于桥梁工程的BIM平台软件包括美国的Bentley和Autodesk,法国的Dassault,芬兰的Tekla以及McNeel公司的Rhino。为选取适配程度高的桥梁BIM核心建模软件,笔者对张人友[4]、何关培[5]、汪逊[6]等人的相关研究进行深入分析,总结归纳了各平台核心建模软件的优缺点,供读者参考。

1.2.1 Autodesk Revit

Revit是目前国内使用率最高的专门面向BIM设计的产品,其运用不同代码库以及文件结构实现了在同一模型的层面上进行建筑、结构和机电行业协同工作。Revit的建模流程大致包括建立轴网、标高设定、构件选取、定位建模等。该平台主要面向房屋建筑工程,内置标准构件族库,同时也可根据需要自定义标准模板构件。但对于桥梁工程而言,由于缺乏对应的构件族库,首先需定义大量的参数化桥梁构件,之后才能完成建模。对于较为标准的箱梁、工字梁、墩柱等桥梁构件,可进行模板定义。而针对构造较为复杂的桥塔、桥台、拉索等部位,建模操作较为复杂,费时费力,使得参数化设计的自由度大打折扣。

针对Autodesk公司的Revit总结其优劣势为:软件易上手,界面清晰,具备二次开发的数据接口,支持信息的全局实施更新,但其参数规则对于由角度变化引起的全局变更有局限,即不支持复杂的曲面设计。

1.2.2 Dassault CATIA

CATIA是世界领先的产品设计和体验解决方案,被广泛应用于航空航天、机械、船舶等领域[7]。因航空领域对曲面模型的光滑度十分严苛,使得CATIA的三维形态表现力非常出色。故此,将其用于桥梁工程领域自然可行,但由于软件并非专门面向桥梁行业,使得参考案例极少。笔者根据冯川[8]、卢飞[9]等人分别在简支T型桥和斜拉桥主塔运用CATIA进行建模的研究,大致将该软件的建模流程归纳为:1)对桥梁的构件进行归纳分类、编号和建模;2)定位桥梁的骨架轴线,如主梁高程线、拉索定位线等;3)沿骨架轴线,以搭积木的方式进行模板拼装,最后形成桥梁的整体架构。

1.2.3 Takla

Takla原为专门针对钢结构的设计软件,拥有完备的钢构件截面库,同时提供了巧妙的钢节点设计模块,可实现构件的细部定义。其建模方式类似于Autodesk Revit,首先定位轴线,然后在截面库中选择需要的截面,设置构件属性,最后沿着轴线进行构件放样,依次建立其余构件,直至全桥结构完成。由于该平台主要面向房屋建筑工程中的钢结构,截面库中缺乏针对桥梁工程的参考数据,也不能从外界应用中导入多曲面复杂形体,故除针对特殊的钢桥外,笔者不建议应用该平台作为桥梁BIM的核心建模软件。

1.2.4 Rhino

Rhino是基于生成式算法的三维建模软件,可以不受精度、复杂度、线性核尺寸限制任意地创建、编辑任何几何形体,并能提供动画和渲染功能。其本质上与常见的BIM建模软件有所不同,它属于同3ds MAX、Sketchup等一类的三维几何造型软件,但具备高精确性和出色的可视效果。

建模的方式与大部分三维设计软件一致,都是通过点、线、面的方式,逐步创建所需要的模型,但所创建的模型却与传统意义上的三维实体不尽相同。Rhino是将多个面形成的封闭空间定义为体,因此,对于复杂的三维模型,可以分别建立各个曲面,再通过组合命令生成体,但针对复杂的桥梁工程,这种新式的空心的“体”往往只能达到效果展示的程度,对后续的结构分析帮助微弱。因此,虽然该平台具有强大的复杂曲线建模能力,但笔者认为其更适合应用于景观桥梁的效果图展示。

1.2.5 Bentley MicroStation

MicroStation(简称MS)国际上著名的二维和三维CAD软件,具备丰富的设计和文档模块,可为几乎任何种类、尺寸和复杂度的基础设施建设项目提供建模、文档储存和可视化功能,在计算机辅助设计领域与AutoCAD齐名。但进入我国市场较晚,国内MS用户较少,且对于习惯了AutoCAD的绘图设计人员,MS特有的操作方式和基于3D的设计思维会使得用户上手较慢。

与大多数设计软件相似,MS的三维建模流程可归纳为:剖面轮廓线的绘制,进一步生成面单元,最后通过放样形成体。实体、B-Spline曲线曲面、网格面和特征参数化等多种3D建模方式强化了MS的建模思路,完全能够满足桥梁专业领域用户的建模需求。

基于MS平台开发的OpenBridgeModeler(简称OBM)为桥梁BIM的发展注入新鲜血液,相对完备的构件数据库提供了桥梁参数化快速建模的新思路。同时,Bentley公司还提供了支持多用户、多项目的管理平台ProjectWise,为桥梁BIM后续在施工管理等方面的有效应用提供了便捷。

虽然现有的三维核心BIM建模软件各有优势,但将他们运用于桥梁工程时任有许多有待解决的问题。甄选合适的桥梁工程BIM建模核心软件,以达到桥梁BIM应用框架的基础构建是尤为重要的。结合上述分析并充分考虑桥梁工程的特点,选取Bentley平台作为本文核心的三维建模软件。

2参数化模型

2.1参数化基本原理

高度参数化是运用BIM技术建立三维模型的特点,其根本是在建模过程中,对构件按照逻辑关系进行模型的创建,这样的好处就是只需通过改变点、线等基础参量的参数,就能对整体模型进行更改。BIM建模相对于传统的建模方式,更加高质高效,具备了直观明确3D出图效果,其核心是逻辑建模[10]。桥梁属于逻辑性比较高的结构,根据自身的逻辑,运用参数化手段能够实现快速建模的目的。换句话说,参数化建模可以表述为描述对象规律的过程。通过描述形体变化的规律来控制对象,模型参数的数值可以发生变化,但参数之间的规律是没有变化的。

参数化建模的原理可描述为:先实现二维轮廓/截面的参数化,通过拉伸、放样等方法形成参数化构件,再由构件之间的组合、交并、变换或排列等操作形成复杂的构件或结构[11]。参数化建模便于用户进行设计和后期修改,实现模型的快速创建,提高设计效率,已成为当前BIM建模领域的研究热点,对BIM的发展具有推动性意义。

2.2桥墩的参数化

桥墩作为桥梁的主要承重结构,相比于其他构件更为复杂,参数化过程中几何关系处理也更具难度。因此,笔者以花瓶墩的参数化模型创建为例,阐述桥梁BIM模型的参数化建立机理,为读者自行完成其他构件的参数化模型创建提供参考。

首先,依照传统CAD绘图模式,完成花瓶墩立面图的绘制。其次,对绘制好的二维花瓶墩截面进行几何关系约束,其中包括:平行约束、垂直约束、相等约束和相切约束等7类不同形式的二维几何约束,花瓶墩二维约束创建形式。

再者,根据实际参数变化需要,对二维截面的尺寸进行变量设置,如构件各部位的长度、宽度、桥墩高度等。

而后,对设置好约束以及几何参数的二维截面,通过拉伸构造/路径放样等形式,创建成为三维实体模型,通过修改控制几何参数的方式,验证所创建的参数化花瓶墩几何逻辑关系。要说明的是,针对四曲面花瓶墩,可先分别按照上述过程,创建不同截面的参数化实体模型,而后通过延展边或三维布尔运算的方式,将其交并,完成四曲面花瓶墩的参数化BIM模型,如图1所示。

基于BIM技术的工字钢混凝土板组合梁桥参数化建模

图1 15米四曲面花瓶墩

Fig.1 Four curved vase pier with height of 15 m

3全桥快速建模

本文以工字钢混凝土板梁桥为例,依托基于模板库的OBM平台对参数化快速建模方法进行研究。大致流程可描述为桥梁定位路径的确定、上部结构的参数化设定、下部结构的参数化布置以及附属结构的自动匹配,最终完成全桥的BIM模型的建立。

3.1 桥梁定位路径的确定

桥梁定位路径就是根据实际工程现场的情况,准确定位桥梁的始末位置以及桥梁的整体走向信息的路线。路径的确定方法依照桥墩定位测量相关技术,然后根据测量的数据,通过软件进行定位绘制,本文通过参照的方法,参考了某桥的定位路径,为后续建模做好准备。

3.2 上部结构的参数化创建

上部结构的模型创建可大致分为桥面板和工字钢梁两个部分。首先,根据桥梁类型,选择创建钢梁模型;然后选取桥梁定位路径,依照实际工程桥墩位置及跨径尺寸等数据修改参数,其中包括起止桩号、跨度距离、Pierlines数目等,放置Pierlines,如图2所示。

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图2 Pierlines参数设定与生成

Fig.2 Pierlines parameter setting and generation

(1)桥面板

根据实际,先选取模板库中所需的桥面板模板,该平台的模板参数化创建方式是根据节点约束的方式进行设定,即通过设定两节点间的函数拓扑关系,通过控制变量和修改变量,达到参数化的目的。然后,选好桥面板模板后对其设置相应参数(长、宽、厚度等),选中Pierlines,系统自动沿路径进行放置桥面板,如图3所示。

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图3 桥面板模型

Fig.3 Model for bridge panel

(2)工字钢梁

梁的建模过程主要分为两步:第一,生成布梁线,选择Pierlines,设置梁的片数、间距参数等,完成布梁线的生成,如图4所示;

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图4 生成布梁线

Fig.4 Generation of cloth beam line

第二,工字钢梁参数化,根据实际工程,设置工字钢梁腹板厚度、宽度,是否加腋,上下翼缘起始端与结尾段尺寸,完成工字钢梁的创建,如图5所示。

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图5 工字钢梁模型

Fig.5 Model for I-steel beam

3.3 下部结构的参数化创建

下部结构的模型创建分为桥台模型和桥墩模型,模板的参数化创建方式与桥面板相同,均采用设定节点间的函数拓扑关系,以控制变量与修改变量,具体见本文章节2.2。

(1)桥台

选择桥台模板,选取首尾两条Pierlines,设置桥台相应参数后进行模型自动生成,如图6所示。

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图6 桥台模型

Fig.6 Model for abutment

(2)桥墩

选取除首尾的Pierlines,进行桥墩放置,桥墩模型的生成方法与桥台相同,不再赘述。桥墩结构参数化建模完成,如图9所示。

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图7 桥墩模型

Fig.7 Model for bridge pier

3.4 附属结构的参数化创建

完成上下部结构的模型创建后,进行附属结构(支座、防撞墙)的模型布置。

选择相应的支座、防护装置的模板,设置参数,生成模型。需要注意的是,防撞墙的布置方式是沿桥面板进行放置,支座的布置方式与其他结构相同,均选择沿路径布置生成。

至此,全桥参数化建模完成,全桥模型如图8所示。该建模方法快速便捷,参数化智能高效,为桥梁BIM的发展提供广大空间,希望对相关人员提供参考。

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图8 全桥模型

Fig.8 Model for whole bridge

4 结语

桥梁参数化建模及其模型,在BIM技术的后期应用阶段具备可操作性,能够指导施工、管理等。本文通过对市面上的BIM建模核心软件进行对比,选取了适合桥梁工程的BIM平台,以工字钢混凝土板梁桥为例,完成了模型参数化的快速创建。根据试验总结出桥梁参数化快速建模的一般流程:桥梁定位路径的参考;根据数据库模板完成上部结构(桥面板、梁等)的模型创建;下部结构的参数化模型创建;附属结构的模型创建;最终拼装成桥。本文所依托平台的快速建模关键在于使用者要充分理解参数化模型的设定方式和思路,充分利用Pierlines,对桥梁进行精准定位与布置。

研究表明,桥梁模型的参数化创建,能够解决建模效率低、速度慢等问题。本文在进一步挖掘BIM技术在桥梁工程中的应用价值外,望能给相关人员提供参考,推动桥梁BIM的有序发展。


参考文献

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[4]张人友,王珺.BIM核心建模软件概述[J].工业建筑,2012,42(S1):66-73.

[5]何关培.BIM和BIM相关软件[J].土木建筑工程信息技术,2010,2(04):110-117

[6]汪逊. 节段预制拼装桥梁的建筑信息模型(BIM)关键技术研究[D].东南大学,2016.

[7]http://www.3ds,com/zh/products-services/catia/. Accessed 2016.1.4.

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[9]卢飞,任有峰,李永华.三维CATIA软件在桥梁工程设计中的应用[J].西北水电,2014(04):100-103+110.

[10]王熊珏. 基于BIM的桥梁结构加固与改造技术及有限元分析[D].湖北工业大学,2016.

[11]刘彦明.基于Bentley平台的铁路桥梁构件参数化建模研究[J].铁路技术创新,2016(03):36-40.



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