梁式桥BIM辅助设计软件开发

以往研究涉及到桥梁BIM建模方法的居多,而对专业间协同设计及桥梁设计、建模、算量一体化程序开发的研究较少。因此，研发符合专业设计习惯和设计流程的辅助设计软件，可提高设计效率和设计质量

梁式桥在综合铁路、地铁、轻轨和单轨等轨道交通工程中大量存在,具有数量多、组成构件标准化等特点,适合采用软件开发的方式加以解决。结合京张高铁、郑济铁路、芜湖跨坐式轨道交通等工程项目，选取Microstation作为BIM 模型承载平台软件,采用二次开发的方式进行梁式桥辅助设计软件研发。

软件的研发思路

桥梁设计是生产桥梁设计信息数据的过程,无论是二维的图纸及相关符号和文字说明,还是三维的模型及附加信息,都是设计成果的表达。 辅助设计软件是为了帮助设计人员更快速、高效和准确地完成设计信息的生产和表达。 软件的研发应遵循回归建筑信息模型的基本理念,以信息为中心,用图纸或模型来承载和表达信息。 结合梁式桥的结构组成和设计流程,将梁式桥设计过程中所需的信息进行分类和结构化,对梁式桥各组成部分进行结构分解,拆分成如梁部、桥墩、桥台、基础等基本组成构件。

采用面向对象的方式对各种设计信息和结构构件进行结构化数据组织,结合设计流程,编写接口或设计模块,进行数据的交互和计算加工。设计人员在使用软件的过程中,仅需填写或选择少量的参数,即可完成一座桥的设计工作,利用BIM 可视化的特性,可以对设计模型进行实时查看和修改。基于“BIM 模型是设计信息的表达” 理念,模型由数据来驱动、生成和修改,相应非几何信息的赋予也由数据驱动完成。

根据梁式桥多采用标准化构件的特点和积累工程项目数据的需要,采用了数据库的方式对构件数据进行管理。在软件的使用过程中,首先访问数据库,读取构件的信息,利用数据库中的构件开展设计。随着项目的进行,构件库也逐渐得到积累和完善。

软件的功能定位

根据梁式桥的设计习惯,设计内容可分为工点总体设计和构件设计两部分。工点总体设计的内容包括全桥孔跨布置、下部结构和基础设计、工程数量计算等。构件的设计包括整个项目采用的梁部、桥墩、桥台、基础等构件的标准设计。在综合铁路的设计中,多采用行业参考图;在地铁、轻轨、单轨等设计中,为了统一和标准化,多采用项目参考图。工点总体设计引用了标准构件的设计成果,采用“搭积木”的方式进行。辅助设计软件可实现总体设计所需的全桥孔跨布置、下部结构和基础的设计、工程数量的计算、BIM 模型的创建等功能。

软件基本框架

辅助设计软件分为以下六大部分:基本组成构件数据库的管理模块、边界设计条件设置和专业协同模块、桥梁孔跨布置模块、墩台及基础设计计算模块、三维信息模型控制模块、工程数量清单计算模块。

软件基本流程

软件的模块组成

根据桥梁设计流程,软件的功能可划分为:设计基本条件(包含内部和外部)、设计计算部分、设计结果输出三大块内容。 其中设计基本条件包含桥位处的地形资料、地质资料、线路资料、水文资料、环境资料,以及桥梁自身墩、台、梁的选取,桥梁孔跨布置等。 设计计算部分包含墩台里程计算、设计荷载组合、墩台结构检算、基础计算。 设计结果的输出包含生成工程数量清单、生成BIM信息模型等。

构件数据库管理

对梁部、桥墩、桥台、基础等基本组成构件进行抽象化分解,在程序的实现中分别对应梁类、桥墩类、桥台类、基础类,每种类型由该类型包含的数据和方法组成,数据中包含构件的几何参数、设计信息、图块和模型信息、工程数量信息等。上述构件信息以数据库和构件单元库的方式进行存储,便于编辑和管理。以梁部、桥墩、基础为例,对构件的管理进行介绍。

梁部构件库管理

梁部构件由梁部类型(如简支梁、连续梁、连续刚构等)、几何参数、工程数量、模型库链接所需的文件名和单元名等内容构成。

梁部构件库管理界面

简支梁共享单元模型

桥墩构件库管理

桥墩构件由顶帽、墩身的几何参数、桥墩计算信息、模型库链接所需的文件名和单元名等内容构成。以重力式实体墩为例,详见下方图片所示。

桥墩构件库管理界面

墩身参数化单元模型

顶帽共享单元模型

基础构件库管理

基础构件由基础的类型(如桩基、扩基、挖井等)、几何参数、工程数量、模型库链接所需的文件名和单元名等内容构成。以常用的桩基础为例,详见下方图片所示。

基础构件库管理界面

桩基础参数化单元模型

设计边界条件及专业间数据协同

桥梁总体布置和结构形式的选取与桥址处地形、地质条件、线路平面位置和纵断面高程等设计边界条件息息相关。如何快速准确地获取这些信息,是专业协同模块需要解决的问题。以下分别介绍地形面获取、地质信息获取和线路信息获取。

地形及线路信息获取

线路平、纵信息可以采用图形交互的方式获取。打开带有特征属性的线路曲线模型,点选桥梁设计所需的线路基准线,程序根据选择的曲线读取对应的线路平、纵断面特征值(包括竖曲线变坡点高程和里程,平曲线要素等。地形模型采用与线路模型相同的操作方式进行选择,程序根据选择的地形面获取地形网格数据。

线路和地形模型

线路平纵信息获取

地质信息获取

地质信息采取链接地质模型的方式获得,程序截取桥址里程范围内的地质模型,读取各地层的名称和附加于地层上的信息,进而得到桥梁基础设计所需的土层参数值。如需要某计算里程处的地质信息,可采用抓取地层名称和高程的方式获取。

桥址范围内地质模型示例

获取的地质参数示例

梁式桥工点设计

获取了桥址位置处的线路、地形、地质、水文等设计信息后,即可根据上述边界条件进行桥梁设计。按照设计流程,桥梁工点设计内容为:整体布置、墩台选型及尺寸拟定、墩台基础选型及尺寸拟定、墩台及基础检算。

整体布置

根据控制跨越点的里程和初步拟定的孔跨来确定桥梁的长度、桥台和桥墩的位置,这个过程中需考虑道路、水文、地质、施工可行性等多方面的因素。

经过多次试算调整后,确定最终的孔跨,借助于孔跨布置计算功能,能够快速计算墩台位置,实时进行动态预览。孔跨布置计算需支持以直代曲、曲梁曲做、交点距定长等布梁方式,并可以选取左线或右线为里程基准线。

某简支梁桥以直代曲的孔跨布置结果

墩台及基础设计

此部分内容包含墩台、基础的选型和检算。根据墩台的里程、线路信息、地形信息及设计基本信息(设计时速、地震动分区等),程序自动匹配符合条件的墩台类型,并结合线路高程和地形面高程给出推荐的墩台高度。然后根据现行桥涵设计的相关规范进行墩台基础的检算,此过程可调用荷载组合模块、墩台检算模块、基础检算模块、地质信息提取模块来完成墩台基础的检算。计算过程中,程序可根据基础所在位置自动提取该处的地层信息。

桥台设计界面

桥墩设计界面

三维信息模型创建

在设计过程中,用户可以根据需求,实时对设计模型进行创建预览,从模型中查看桥梁的总体布置、桥台的位置以及相关的设计信息。模型创建包含几何模型和非几何信息的创建。

某梁式桥设计模型

几何模型的创建

根据构件的特点,几何模型可划分为简单模型的构件库引用和复杂模型的创建。复杂模型的创建是指对于连续结构等几何复杂形体(存在沿线变宽变高或其他的复杂几何关系,用参数化单元的方式难以实现),针对特定类型结构编写的方法函数。

非几何信息的创建

对梁式桥各组成构件非几何信息进行研究和归纳后,将其信息类型分为数值类信息、字符类信息、工程量类信息三大类。

模型的非几何信息以附加属性的方式附加于几何模型上。

某轨道交通梁式桥桥墩非几何属性

工程数量清单计算

利用程序的工程数量计算功能,可实现工程数量的实时统计,缩短设计周期。工程数量采用编码配合数量模板的方式进行计算输出。根据统计方法的不同,将工程数量分为构件本体数量和需计算的相关数量两种类型。

构件本体数量随构件库进行配置和管理,可实现工程数量项的灵活配置。

某类型桥墩工程数量

对于需要计算的数量项(如基础开挖量),可将固定的计算规则编写到程序中进行计算,每一工程数量项对应唯一的程序内部编码。程序内部编码可采用配置映射关系的方式灵活关联不同类型的编码 ,既可实现与工程数量模板的关联,又可挂接于模型上,满足信息化交付要求。

基于桥梁专业的设计流程,结合BIM信息化技术,选取轨道交通桥梁工程中占比超过80%的梁式桥结构为代表 ,进行BIM正向设计的软件研发。提出了桥梁正向设计解决方案,开发了具有构件库管理、桥梁布置计算、墩台设计检算、BIM信息模型创建、工程数量计算等功能的梁式桥辅助设计软件。在桥梁与线路、地质等专业的协同设计方面,开发了数据级交互的协同模块,打通了专业间与专业内部的设计数据流。

梁式桥BIM正向设计软件的研发,为桥梁BIM正向设计落地提供了有效的工具,填补了BIM平台软件的短板,为其他BIM正向设计软件的研发积累了经验。

内容来源：

中铁工程设计咨询集团有限公司——铁路BIM联盟成员单位