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Mic[ s d A yrostation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N : c w ~ * D ;路

桥梁设计是生产桥梁? z q W P设计信息数据的过程,无论2 V x [ x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_ r ~ : P发应遵循回归建筑信息模型的基本理s i \ ~ % 5 H念,以信息为中心,用图g . g j A 0纸或模型来y ~ 7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t / P 9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b 7 \座X B % S V L y c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&ldu q % K E 8 H _ #quo;BIM 模\ l 8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y u ? T T ` \的特点和积累工程项目数据的需要,采用了数2 | ? % P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p D t S / Z u L L目的进行,构件库也逐渐得到积累和完善Y L ` Y I。

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Z ] - U U 0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/ h m [ h [ i创建等功能。

软件基本框架

辅助g a r 1 l K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w e X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l % v d S L 4 \息模型控制模块、工{ e H g 4程d / u & G s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4 z :基本条件(包i / h {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0 K D * , g 3 M分别对应梁类、桥墩类、桥台类、基础类,每^ ; i - S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X { ` o梁部、桥墩、C F R ; 7 y b @ p基础为例,对构件的r G ^ E ~ - z F S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A ? C a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h C 5 ; t B [ {数、桥墩计算信息、模型库链N 8 o 6 [ p ` @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y w p +构件库管理

基础构件由基础b 7 ^ G -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? g f o / ) O C k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6 g ]及线路信息获取

线路平、纵信息可以采用图形w m D L - I t交互的方式获取。打开带有特征属性的线7 t 5 : c 5 C A w路曲线模型; R 5 ) U ; o & p,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p ` 0。

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o @ h q !质模型,] ^ u读取各地层的名称和附加V ) d / y :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。R h M如需c ` Y z \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E * 6、水文、% . z L地质、@ u { s m g施工可行性等多方面的因素。

经f $ M O T g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$ ) } F !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N W l $ & ^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。梁式桥BIM辅助设计软件开发_17

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T l Q n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Y & Z U F { 3数。

非d % o O w I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e h K Y Y X l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d ] d r C d \ \ a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j - b 4 k ) e K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G Q j p c \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\ B Y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。_ e 5 w $ I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9 C U t , O $、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Q ! \ c ! Y @验。