桥梁工程建模方法研究

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［摘要］就BIM技术而言，其主要包含了建筑工程设计、施工、安装、运营，及整个生命周期中和服务项目有关的大量信息。通过构建BIM模型的数字化设计，不仅对提升生产能力起到很大作用，且还具有很多优点，如能有效确保生产质量、节省成本、减短工期等。以桥梁工程为背景，介绍了BIM和桥梁工程，分析了桥梁BIM模型的构建方法，进而讨论了桥梁工程施工阶段模型的三维基本思想，分析了建模过程中的关键和难点问题，并对此提出了有效解决方案。通过BIM三维建模，使项目人员更清晰地掌握施工中的具体情况，同时BIM模型的建立还将直接满足施工管理的需要。

［关键词］建筑信息模型；桥梁工程；建模

建筑信息模型（BIM）作为一种创新的工具和生产方法，不仅被定位为包括建设项目和三维数据模型在内的相关信息，而且是对建筑结构全生命周期的综合管理与协同工作，同时也是一种构造的物理特征和功能特征及数字轴承与视觉表达。随着经济的蓬勃发展，大型桥梁建设项目的发展不断加速，人们对项目的经济、安全、施工效率和桥梁质量、预期寿命和景观效果的要求逐渐提高。而只依赖于传统的二维设计方法与施工方法，已无法充分满足当前桥梁高标准的要求和期望，因此对于信息技术的应用已变得越来越迫切和必要。

1BIM与桥梁工程

桥梁作为交通系统中的节点工程，不但是决定着民生的重要基础设施，也将对区域的发展建设和国家的经济发展有着极大影响，同时，时代的快速发展也对桥梁的跨度、强度和质量提出了更高的要求。如何应对复杂桥梁结构、各种异形构件、多变的施工环境和较高的施工要求，已成为现代桥梁工程所面对的重大挑战。因此，BIM技术在桥梁工程中的应用具有很高的经济及现实意义。1.1桥梁工程设计与施工的特点。桥梁是建筑工程领域的一种特殊建筑，其包含不同的类型和结构形式，及复杂多变的施工环境。这些因素对桥梁的设计和施工造成了很大的困难，需要较高的技术水平以保证桥梁的安全和耐久性。这主要反映在以下几点。（1）规划阶段，桥梁建设应从促进区域发展的角度出发，紧密结合路网规划，充分考虑工程建设的可行性和施工环境等因素。（2）设计阶段，桥梁结构在形式上不但比普通建筑结构更复杂，还须考虑不同荷载的影响，并保持一定的跨度能力。此外，因为异形构件在桥梁工程中的运用过多，只有反复验算确定，构件的尺寸和配筋才能有效避免任何疏忽造成的桥梁事故的发生。（3）施工阶段，桥梁施工过程中会遇到很多问题，如部分桥梁预制构件使用数量较大，需提前规划选择预制场地，满足施工需要；一般情况下桥梁体积较大，需根据现场环境选择合适的施工工艺；桥梁施工过程涉及设备种类繁多，施工周期长，对技术、质量、安全等要求较高。1.2BIM在桥梁工程中各阶段的应用优势。（1）设计阶段，构建桥梁工程BIM模型，能使相关专业基于同一设计平台进行桥梁工程协同设计，当模型中的结构构件之一发生变化时，可与其他专业进行动态通信，大幅提高了设计效率，降低了信息传递过程中的错误率，降低了设计成本。（2）施工阶段，赋予BIM模型时间属性，可将模型维度从3D增加到4D，能够在BIM模型中对桥梁工程进行直观的模拟施工，及时发现和解决施工中可能存在的各种问题，并通过在同一平台和设计师进行互动交流，既有利于增强施工效率，同时也有利于缩短工期。（3）运营维护阶段，如发现桥梁某一部位存在问题，可在竣工交付BIM模型中查看相关部位的具体信息，既有助于快速诊断和及时维修，也将有效保证桥梁安全持久的应用。1.3BIM建模的关键技术。1.3.1确保BIM模型准确性的关键技术。为使BIM模型准确，需确定三维几何模型建模的准确性和非几何信息的证据。为此，在建模过程中需要解决3个关键问题。（1）保证建模基础的可靠性。在构建BIM模型时，应按以下资料进行：设计院提供的审核通过并盖章的设计图纸，大多数模型信息均是源自于设计图纸；国家标准收集的设计图纸，包括设计规范，标准图集等；建设过程中设计院正式发出的设计变更和施工现场的正式整改文件资料。施工工艺设计院出具的设计变更和施工现场的正式整改文件。（2）按实际需求确定模型精细程度。1）根据各阶段BIM技术的应用要求，确定BIM模型的细度。在不同实施阶段，BIM模型的精细程度也不同，例如，在设计阶段，要求BIM模型须具有三维几何信息，这是由于设计阶段的作用是调节各专业图纸和空间管理及协同优化。在施工阶段，须基于三维几何信息输入大量非几何信息，如材料信息、进度信息、成本造价信息等。2）BIM模型的精细程度由现阶段可提供的信息深度所决定。例如，在施工图设计阶段，风机盘管的安装位置和照明灯的安装位置无法准确地确定。这是因为这些工作是在精装阶段由装修专业分包确定吊顶布置方案才能确定。因此，在施工图设计阶段，在吊顶内布置风机盘管及照明灯具只能作为参考，而此时选择应用BIM模型确定天花板的布置是不切实际的。3）确保BIM模型非几何信息的准确性。BIM模型具有广泛的非几何信息来源，其中包含有设计图纸。在设计图纸中的施工说明中定义了水管的材料信息、管件的形式等，供应商主要提供设备设施的材质说明、材质信息、运行参数等信息，而所需的进度、运输、现场验收等信息均发生在项目运行中，故而项目实际运行时要做好实时记录。由此可见，对非几何信息的管理及整理须及时收集，并准确录入BIM模型中，实时进行更新。1.3.2桥梁BIM模型的构建方法。CATIA软件是DassaultSystèmes的先驱，也是世界产品设计的领导者。CATIA软件本身具有很好的优势，如统一的用户界面、数据管理和兼容性、数据库和应用接口及创新的解决方案等。而因为其自身所拥有的丰富智能知识、机械产品设计、有限元分析、数控编程、数字虚拟样机和可广泛应用于其他领域的强大功能模块，所以普遍受到航空、汽车等多个领域用户的喜爱。当前，对于大部分CAD/CAM软件来说，自身都有着参数化建模功能，但也有很多要依靠软件接口编程才能实现，所以这就要求研发人员须具备较高的编程水平；此外，当中还有很多是无法通过可视化进行操作的，这就要求用户须熟练掌握软件及操作过程。而CATIA软件可让用户通过树的视觉特征，利用各种视觉工具有效地进行三维参数化建模。因此，本文在桥梁工程施工阶段的建模实践基础上，重点研究了适合桥梁工程的CATIA软件三维建模方法。

2桥梁工程项目的建模方案

合理的桥梁工程三维模型既是桥梁工程的基础，也是桥梁工程的前提，若想将其合理应用于BIM技术指导、数字信息化建设、建设计划、施工方法与进度的优化及桥梁施工过程中资源的动态管理，建立合理桥梁工程三维模型需以下步骤。2.1地形地质建模。地形地质模型是以地形点云为基础，通过对地形点云的处理和优化，生成三维网络结构，然后再处理三维网络结构，使其形成地形实体模型。在获得地形实体模型后，不同角度之间的切换可清楚地显示地面波动，而这时难点在于如何实现AutoCAD信息数据和CATIA数据的交换。为有效解决这一问题，本项目开发了CATIA软件数据接口和数据转换插件，实现AutoCAD和CATIA数据交换。三维地形地质模型除了能适用于BIM应用的后期，也能有效满足获取地质开挖面、切割地质开挖体、计算开挖和开挖边数据的需求，同时也能满足切割地质剖面纵横部分需求。2.2桥梁模型的总体设计。CATIA不但具备系统定义的参数，同时还拥有用户定义的参数。设计者可经过不同方式很容易地自定义各种参数和公式，如负载、约束等，或者用户定义的参数和公式。其中，就用户定义公式而言，其是在联系系统参数与CATIA中用户参数之间建立的。在定义用户参数后，设计人员可对相应的特征参数设置相应公式的三维模型，这样有助于通过用户参数驱动系统参数，进而控制图的实际大小。通过该方案，利用CAD软件很容易解决桥梁设计中难以搭建斜交30°T梁的问题。为确定模型建模的正确基础，须通过真实的桥梁结构准确对接坐标，以保证模型信息和施工现场数据的准确性。此外，也可利用CAD软件的三维曲面建模功能，实现曲线外缘的边缘梁宽度随边缘线的变化而变化。可见按上述设计原则而进行的模型搭建，不仅能提升模型的精准度，也能使用户通过直接查询模型坐标来指导施工。2.3组件设计。桥梁工程中的主要构件一般包括主梁、连接构件、支撑、基础、连接节点、桥面板及辅助设备等。在BIM建模之前，桥梁的主要结构需要与桥梁施工方法相结合，桥梁的主要组成部分都要根据设计组件的图纸进行建模。虽然CATIA软件具有装配功能，但用现有的装配功能定位桥梁构件之间的相对位置关系是非常不方便的。为定位桥梁构件之间的相对位置关系，首先需确定桥梁线路和空间控制点的控制信息，其次利用参考信息进行建模，最后直接将整个结构组合起来。在深入熟悉设计图纸后，强调了简单支撑T梁结构的建模。在桥梁工程中超级复制品的高效快速建模过程中，大多数构件是结构构件，不是标准构件。因此，在特定桥梁工程中，通常存在较大的差异，也有一定的子元素变化。可见在建模项目中，通过对组件相似结构特征的分析，将部件预先嵌入这些组件中，然后通过提取相关的装配信息，在装配过程中使用相同类型的组件时，就能利用创建模板进行超级复制，并选择instantiation命令创建相同类型的其他组件，以实现装配关系的双重定义，从而既保证了建模精准度，也进一步提高了建模效率。

3结束语

本文通过基于CATIA软件构建三维模型的总体思路的重点研究，探索了CATIA软件中知识工程模块中可应用的可视化工具和方法。其中，划分和建立BIM的构件方法不仅决定了其便利性，同时也决定了项目相关数据的准确性，这就要求所建模型除了要与后续施工阶段进度保持一致外，还需对质量和安全问题给予准确跟踪。而只有根据施工过程建立合理的模型，才能更合理地跟踪和准确地监测施工阶段的后续进度及质量和安全问题，因此，通过正确建模方法，结合相关理论进行建模，这对于BIM的实际应用和拓展研发都具有重要意义。

参考文献

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作者:李增江 单位:潍坊市市政工程设计研究院有限公司