橋梁工程建模方法研究

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［摘要］就BIM技術而言，其主要包含了建筑工程設計、施工、安裝、運營，及整個生命周期中和服務項目有關的大量信息。通過構建BIM模型的數字化設計，不僅對提升生產能力起到很大作用，且還具有很多優點，如能有效確保生產質量、節省成本、減短工期等。以橋梁工程為背景，介紹了BIM和橋梁工程，分析了橋梁BIM模型的構建方法，進而討論了橋梁工程施工階段模型的三維基本思想，分析了建模過程中的關鍵和難點問題，并對此提出了有效解決方案。通過BIM三維建模，使項目人員更清晰地掌握施工中的具體情況，同時BIM模型的建立還將直接滿足施工管理的需要。

［關鍵詞］建筑信息模型；橋梁工程；建模

建筑信息模型（BIM）作為一種創新的工具和生產方法，不僅被定位為包括建設項目和三維數據模型在內的相關信息，而且是對建筑結構全生命周期的綜合管理與協同工作，同時也是一種構造的物理特征和功能特征及數字軸承與視覺表達。隨著經濟的蓬勃發展，大型橋梁建設項目的發展不斷加速，人們對項目的經濟、安全、施工效率和橋梁質量、預期壽命和景觀效果的要求逐漸提高。而只依賴于傳統的二維設計方法與施工方法，已無法充分滿足當前橋梁高標準的要求和期望，因此對于信息技術的應用已變得越來越迫切和必要。

1BIM與橋梁工程

橋梁作為交通系統中的節點工程，不但是決定著民生的重要基礎設施，也將對區域的發展建設和國家的經濟發展有著極大影響，同時，時代的快速發展也對橋梁的跨度、強度和質量提出了更高的要求。如何應對復雜橋梁結構、各種異形構件、多變的施工環境和較高的施工要求，已成為現代橋梁工程所面對的重大挑戰。因此，BIM技術在橋梁工程中的應用具有很高的經濟及現實意義。1.1橋梁工程設計與施工的特點。橋梁是建筑工程領域的一種特殊建筑，其包含不同的類型和結構形式，及復雜多變的施工環境。這些因素對橋梁的設計和施工造成了很大的困難，需要較高的技術水平以保證橋梁的安全和耐久性。這主要反映在以下幾點。（1）規劃階段，橋梁建設應從促進區域發展的角度出發，緊密結合路網規劃，充分考慮工程建設的可行性和施工環境等因素。（2）設計階段，橋梁結構在形式上不但比普通建筑結構更復雜，還須考慮不同荷載的影響，并保持一定的跨度能力。此外，因為異形構件在橋梁工程中的運用過多，只有反復驗算確定，構件的尺寸和配筋才能有效避免任何疏忽造成的橋梁事故的發生。（3）施工階段，橋梁施工過程中會遇到很多問題，如部分橋梁預制構件使用數量較大，需提前規劃選擇預制場地，滿足施工需要；一般情況下橋梁體積較大，需根據現場環境選擇合適的施工工藝；橋梁施工過程涉及設備種類繁多，施工周期長，對技術、質量、安全等要求較高。1.2BIM在橋梁工程中各階段的應用優勢。（1）設計階段，構建橋梁工程BIM模型，能使相關專業基于同一設計平臺進行橋梁工程協同設計，當模型中的結構構件之一發生變化時，可與其他專業進行動態通信，大幅提高了設計效率，降低了信息傳遞過程中的錯誤率，降低了設計成本。（2）施工階段，賦予BIM模型時間屬性，可將模型維度從3D增加到4D，能夠在BIM模型中對橋梁工程進行直觀的模擬施工，及時發現和解決施工中可能存在的各種問題，并通過在同一平臺和設計師進行互動交流，既有利于增強施工效率，同時也有利于縮短工期。（3）運營維護階段，如發現橋梁某一部位存在問題，可在竣工交付BIM模型中查看相關部位的具體信息，既有助于快速診斷和及時維修，也將有效保證橋梁安全持久的應用。1.3BIM建模的關鍵技術。1.3.1確保BIM模型準確性的關鍵技術。為使BIM模型準確，需確定三維幾何模型建模的準確性和非幾何信息的證據。為此，在建模過程中需要解決3個關鍵問題。（1）保證建模基礎的可靠性。在構建BIM模型時，應按以下資料進行：設計院提供的審核通過并蓋章的設計圖紙，大多數模型信息均是源自于設計圖紙；國家標準收集的設計圖紙，包括設計規范，標準圖集等；建設過程中設計院正式發出的設計變更和施工現場的正式整改文件資料。施工工藝設計院出具的設計變更和施工現場的正式整改文件。（2）按實際需求確定模型精細程度。1）根據各階段BIM技術的應用要求，確定BIM模型的細度。在不同實施階段，BIM模型的精細程度也不同，例如，在設計階段，要求BIM模型須具有三維幾何信息，這是由于設計階段的作用是調節各專業圖紙和空間管理及協同優化。在施工階段，須基于三維幾何信息輸入大量非幾何信息，如材料信息、進度信息、成本造價信息等。2）BIM模型的精細程度由現階段可提供的信息深度所決定。例如，在施工圖設計階段，風機盤管的安裝位置和照明燈的安裝位置無法準確地確定。這是因為這些工作是在精裝階段由裝修專業分包確定吊頂布置方案才能確定。因此，在施工圖設計階段，在吊頂內布置風機盤管及照明燈具只能作為參考，而此時選擇應用BIM模型確定天花板的布置是不切實際的。3）確保BIM模型非幾何信息的準確性。BIM模型具有廣泛的非幾何信息來源，其中包含有設計圖紙。在設計圖紙中的施工說明中定義了水管的材料信息、管件的形式等，供應商主要提供設備設施的材質說明、材質信息、運行參數等信息，而所需的進度、運輸、現場驗收等信息均發生在項目運行中，故而項目實際運行時要做好實時記錄。由此可見，對非幾何信息的管理及整理須及時收集，并準確錄入BIM模型中，實時進行更新。1.3.2橋梁BIM模型的構建方法。CATIA軟件是DassaultSystèmes的先驅，也是世界產品設計的領導者。CATIA軟件本身具有很好的優勢，如統一的用戶界面、數據管理和兼容性、數據庫和應用接口及創新的解決方案等。而因為其自身所擁有的豐富智能知識、機械產品設計、有限元分析、數控編程、數字虛擬樣機和可廣泛應用于其他領域的強大功能模塊，所以普遍受到航空、汽車等多個領域用戶的喜愛。當前，對于大部分CAD/CAM軟件來說，自身都有著參數化建模功能，但也有很多要依靠軟件接口編程才能實現，所以這就要求研發人員須具備較高的編程水平；此外，當中還有很多是無法通過可視化進行操作的，這就要求用戶須熟練掌握軟件及操作過程。而CATIA軟件可讓用戶通過樹的視覺特征，利用各種視覺工具有效地進行三維參數化建模。因此，本文在橋梁工程施工階段的建模實踐基礎上，重點研究了適合橋梁工程的CATIA軟件三維建模方法。

2橋梁工程項目的建模方案

合理的橋梁工程三維模型既是橋梁工程的基礎，也是橋梁工程的前提，若想將其合理應用于BIM技術指導、數字信息化建設、建設計劃、施工方法與進度的優化及橋梁施工過程中資源的動態管理，建立合理橋梁工程三維模型需以下步驟。2.1地形地質建模。地形地質模型是以地形點云為基礎，通過對地形點云的處理和優化，生成三維網絡結構，然后再處理三維網絡結構，使其形成地形實體模型。在獲得地形實體模型后，不同角度之間的切換可清楚地顯示地面波動，而這時難點在于如何實現AutoCAD信息數據和CATIA數據的交換。為有效解決這一問題，本項目開發了CATIA軟件數據接口和數據轉換插件，實現AutoCAD和CATIA數據交換。三維地形地質模型除了能適用于BIM應用的后期，也能有效滿足獲取地質開挖面、切割地質開挖體、計算開挖和開挖邊數據的需求，同時也能滿足切割地質剖面縱橫部分需求。2.2橋梁模型的總體設計。CATIA不但具備系統定義的參數，同時還擁有用戶定義的參數。設計者可經過不同方式很容易地自定義各種參數和公式，如負載、約束等，或者用戶定義的參數和公式。其中，就用戶定義公式而言，其是在聯系系統參數與CATIA中用戶參數之間建立的。在定義用戶參數后，設計人員可對相應的特征參數設置相應公式的三維模型，這樣有助于通過用戶參數驅動系統參數，進而控制圖的實際大小。通過該方案，利用CAD軟件很容易解決橋梁設計中難以搭建斜交30°T梁的問題。為確定模型建模的正確基礎，須通過真實的橋梁結構準確對接坐標，以保證模型信息和施工現場數據的準確性。此外，也可利用CAD軟件的三維曲面建模功能，實現曲線外緣的邊緣梁寬度隨邊緣線的變化而變化。可見按上述設計原則而進行的模型搭建，不僅能提升模型的精準度，也能使用戶通過直接查詢模型坐標來指導施工。2.3組件設計。橋梁工程中的主要構件一般包括主梁、連接構件、支撐、基礎、連接節點、橋面板及輔助設備等。在BIM建模之前，橋梁的主要結構需要與橋梁施工方法相結合，橋梁的主要組成部分都要根據設計組件的圖紙進行建模。雖然CATIA軟件具有裝配功能，但用現有的裝配功能定位橋梁構件之間的相對位置關系是非常不方便的。為定位橋梁構件之間的相對位置關系，首先需確定橋梁線路和空間控制點的控制信息，其次利用參考信息進行建模，最后直接將整個結構組合起來。在深入熟悉設計圖紙后，強調了簡單支撐T梁結構的建模。在橋梁工程中超級復制品的高效快速建模過程中，大多數構件是結構構件，不是標準構件。因此，在特定橋梁工程中，通常存在較大的差異，也有一定的子元素變化。可見在建模項目中，通過對組件相似結構特征的分析，將部件預先嵌入這些組件中，然后通過提取相關的裝配信息，在裝配過程中使用相同類型的組件時，就能利用創建模板進行超級復制，并選擇instantiation命令創建相同類型的其他組件，以實現裝配關系的雙重定義，從而既保證了建模精準度，也進一步提高了建模效率。

3結束語

本文通過基于CATIA軟件構建三維模型的總體思路的重點研究，探索了CATIA軟件中知識工程模塊中可應用的可視化工具和方法。其中，劃分和建立BIM的構件方法不僅決定了其便利性，同時也決定了項目相關數據的準確性，這就要求所建模型除了要與后續施工階段進度保持一致外，還需對質量和安全問題給予準確跟蹤。而只有根據施工過程建立合理的模型，才能更合理地跟蹤和準確地監測施工階段的后續進度及質量和安全問題，因此，通過正確建模方法，結合相關理論進行建模，這對于BIM的實際應用和拓展研發都具有重要意義。

參考文獻

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作者:李增江 單位:濰坊市市政工程設計研究院有限公司