精度与效率的提升——基于BIM技术的大跨度公铁合建斜拉桥三维正向设计

随着社会经济的快速发展，数字经济正在推动传统行业生产方式的深刻变革，在建筑工程行业，传统二维设计方式已无法满足企业发展需要。近年来，建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术在工业民用建筑、公路、市政、水利等领域不断应用且取得了良好效果，在铁路BIM联盟引领下，BIM技术在铁路行业也逐渐得到了广泛应用。

随着以西十、京张、福厦、京雄高铁和川藏铁路为代表的BIM试点项目开展，BIM技术在铁路工程领域得到了大力推广和应用，涵盖工程建设的设计、施工、运维各阶段。在桥梁工程领域，借助Autodesk Revit、Bentley OpenBridge、Dassault CATIA 等计算机辅助设计三维建模软件，部分学者实现了复杂桥梁结构的三维可视化设计，基于BIM模型开展计算、出图、算量等方面的研究，解决常规二维设计中的差错漏碰问题，提高了设计质量与效率。其中，达索系统3DEXPERIRNCE（3DE）平台融合了CATIA（三维建模）、ENOVIA（协同设计）、SIMULIA（有限元仿真）模块为一体，具备较强的参数化建模、曲面造型能力和协同设计功能，适合在大跨度复杂钢结构桥梁设计中使用。

项目概况

深江铁路洪奇沥特大桥位于广州市南沙区，集深江铁路、广珠澳高铁、城市快速路三位交通功能于一体，采用跨径 (3×100+808+3×100)m公铁合建斜拉桥跨越大湾区洪奇沥水道，为世界最大跨度钢-混组合桁梁公铁合建斜拉桥。桥塔采用H形混凝土桥塔，单箱双室截面，桥塔总高258m，索塔锚固创新采用自平衡交叉锚固形式；钢-混组合桁梁采用倒梯形截面，公路铁路分层布置，上层公路桥面宽37.9m，下层铁路桥面宽23.8m，全桥共120个桁梁节间，构件体量大，节点构造复杂。该桥采用传统的基于二维图设计方法可能存在以下问题：1、中跨主梁采用正交异性钢桥面板-桁（上层）及钢箱-桁（下层）组合结构、边跨采用矩形钢管混凝土叠合板-桁组合结构，结构复杂，传统的二维设计方法难以避免多种结构之间的干涉问题；2、主梁节段数量较多，图纸绘制工作量极大；且传统二维图纸缺乏关联性，局部优化后极易产生漏改或错改；3、复杂结构体系需要大量的空间有限元分析工作，需要耗费较多精力去搭建其几何模型。

为解决项目在设计阶段遇到的难题，解决二维设计图纸复杂、改图工作量大的难题，开展了以三维参数化模型为中心的BIM正向设计。

图1 主桥立面布置图

BIM设计及技术创新

基于二次开发的钢桁梁三维

参数化正向设计技术

为了解决复杂钢桁梁结构快速化、参数化设计难题，基于钢桁梁系统线作为结构骨架，采用了自上而下的建模思路，并依附于骨架实现了钢板零件的窗口化输入，通过这种方式快速化地搭建了洪奇沥大桥的主梁结构的三维参数化模型。

图2 骨架驱动技术体系

搭建了270多个铁路钢桁梁钢板零件参数化模板，并运用VBA二次开发技术，实现了参数化零件的窗口化输入，极大地提升了设计人员搭建参数化构件的效率。基于钢桁梁骨架，逐个实例化钢板零件以形成钢桁梁的节点和弦杆、腹杆、铁路及公路桥面系等结构的参数化构件，最终组合成为主梁节段模型。最终形成的单个主梁节段模型可以作为工程模板，通过修改参数快速的生成其他节段，快速完成所有标准主梁结构的三维设计。

图3 板件参数化模板输入

图4 主梁参数化模型实施流程

通过上述步骤实现了中跨主梁及边跨主梁的复杂钢结构参数化模型的快速搭建，为主梁的关键结构构造提供了一种更为直观的设计方法，确保了复杂钢结构构造设计的准确性。其中主梁边跨节段下弦钢混连接构造以及主梁钢混结合段构造最为复杂，通过上述三维设计方法搭建了上述构造的三维参数化模型，为结构设计及优化提供了技术支持。

图5 钢混结合段及边跨下弦钢混连接构造参数化模型

参数化出图及基于二次开发的

工程数量表生成技术

铁路设计行业内图纸是施工图设计成果交付的主要形式，因此三维设计成果仍需要通过合理可靠的途径转化为二维图纸进行交付。以钢桁梁节段三维参数化模板为基础，制作了满足施工图设计要求的工程图，工程图投影视图及其尺寸标注均与模型之间保持关联，可随模型变化联动更新。当以主梁节段模板为基础实例化其他主梁节段时，其关联的工程图也随之自动形成对应节段的工程图纸，极大地提高了出图效率。

图6 主梁二维工程图

钢构件的工程数量表起到了明确板件材料、规格，指导结构下料加工的重要作用，是工程图纸中不可或缺的部分。在常规设计流程中，设计人员需要手动计算单块板件的钢板规格、下料重、净重、板件数量等等参数才能形成钢构件的工程数量表，且设计成果发生优化后还需要重新进行调整，这一过程费时费力且极易出错。为解决这一问题，利用3DE平台的知识工程和VBA二次开发技术，实现了基于三维参数化模型自动化地计算单块钢板的计量信息以及遍历所有钢板的信息并生成数量表，其主要步骤大致分为五步：

1、获取钢板实体的轮廓表面：读取未添加开孔或其他细节特征前的钢板实体，遍历钢板的所有表面，选择其中面积最大的表面作为代表其轮廓的表面。

2、编制一个规则求解钢板轮廓的最小包围矩形，以矩形的长度和宽度尺寸作为板件规格的长度、宽度尺寸，以轮廓曲面的重心为起点作法线并止于另一面的交点，以此线段的长度作为钢板的厚度规格信息。

3、遍历钢板中各种开孔、过焊孔、角隅孔以及其他切割特征，其面积满足计量规则的特征面积计入下料面积，不满足则予以剔除，以计算实际的下料面积，进而求得下料重量；净重则直接通过测量最终实体体积获取。

4、将上述信息以公式的形式与板件编号、钢材型号等其他关键信息，以参数的形式，挂接到零件中。

5、遍历构件内的结构树，自动对同类零件进行整理归类，分统计钢板数量、钢板规格、材料及下料重量、净重等相关信息并写入到表格中，对表格中的相邻行同类项进行合并，并按照不同材料分类汇总总用钢量。

图7 钢板最小包围矩形结果及其关联信息

图8 遍历结构树后生成的数量表示意

通过上述方法在3DE平台内实现了一键生成钢结构的工程数量表功能，表格格式能够满足铁路钢桥施工图的出图习惯。参数化出图与自动化工程数量表功能相结合，极大地提升了结构出图效率及准确性。

结构仿真分析

将BIM模型通过通用几何格式（如Stp等）导入到通用有限元分析软件中进行简单的前处理、网格划分以及施加边界条件，即可以开展空间有限元仿真分析。本项目运用BIM模型经前处理后导出到MIDAS FEA对主梁、主塔的索塔锚固区开展了结构应力仿真分析，并根据计算结果在参数化模型中快速调整局部尺寸，完成结构优化。

图9 索塔、索梁锚固结构FEA计算应力示意

轻量化审查及批注

基于达索系统的私有云数据库技术，可通过网页端在内网环境下轻量化地查看整体或者局部的设计成果，用于开展复核、审查等工作。可通过ENOVIA向指定的人员分配复核及审查任务，并在向上依托于BIM模型添加意见及批注。

图10 网页端在线查看模型及添加批注意见

数字地形应用

基于桥址处的地面点云数据，在3DE平台内构建了三维数字地面模型，并覆盖了高清卫星图片，完成了桥址处的主桥三维实景应用，直观地展示了新建桥梁与既有地形及建筑物的相对关系。

图11 主桥BIM模型与三维实景地形

IFC属性扩展

运用TXO模块对钢桁梁的钢板零件均进行了IFC属性扩展，通过Automation二次开发技术，遍历结构树提取每一块钢板的编号属性，在服务器端通过批处理批量地添加扩展属性包，确保每一块钢板都独立携带了充足的属性数据，在导出IFC格式时钢板的材质、尺寸等信息能够顺利的保留下来，并能通过其他IFC浏览软件打开并读取数据。

通过IFC属性扩展功能，可以任意定制各种IFC扩展属性，能够确保主桥模型导出符合铁路IFC数据标准的格式，确保三维设计成果的交付能力。

图12 在BIM Vision中打开导出的IFC模型并浏览数据

可视化施工交底应用

利用三维BIM模型直观展示的特性，可以研究钢桁梁节段在组拼过程中的遇到问题。运用Catia Composer对钢桁梁节段按零件进行了分解，并手动指定装配动画，动态展示钢桁梁组拼步骤。利用3D打印技术，完成了全桥的3D打印模型。上述应用均可以用于辅助施工单位加深对设计成果的理解，帮助施工方更好的完成结构加工制造。

图13 钢桁梁动态组拼展示

多专业总装配

洪奇沥大桥BIM设计成果包含了桥梁、轨道、勘测、接触网四大专业，模型的零件数量达到了1.05万个，在3DE平台内的数据总量约为8.5G，模型较好的反映了四大主要专业间的相互接口和限界关系，尤其是主桥桥面附属与轨道及接触网之间的相对关系。

图14 桥面行车视角下的轨道及接触网展示

在深江铁路洪奇沥大桥BIM设计项目中，基于达索3DEXPERIENCE平台搭建了洪奇沥主桥的全桥三维参数化模型，充分地发挥了3DE平台优秀的参数化能力以及二次开发能力，并开展了一系列的应用，在这一过程中通过总结得出：

对于复杂钢桁梁斜拉桥，三维参数化设计能够有效地提高设计精度和设计效率，切实解决了传统二维设计复杂节点表达困难的难题。通过参数化模板化的建模思路，解决复杂三维钢桁梁参数化模型的搭建效率，并运用工程图功能形成一套关联的二维图纸模板，达到提高出图效率的目的。

3DE平台提供了充分的、多层次的二次开发功能，通过二次开发实现了钢板属性拓展、工程数量表统计及生成，大幅度提高了设计效率，应在今后的项目中不断补充和完善，形成一套适用于大跨度钢桥的二次开发工程库。

通过在本项目中运用BIM技术开展正向设计，顺利地解决了大型复杂公铁合建钢桁梁的三维参数化设计难题，并利用其成功开展一系列应用，为项目的顺利实施起到了十分积极的作用。

本文刊载 / 《数智视界》杂志

2024年 第3期 总第30期

作者 / 铁四院桥梁院桥研所BIM设计团队

作者单位 / 铁四院桥梁院桥研所

编辑 / 陈晨

美编 / 赵雯

审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲

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