基于CATIA的BIM在简支T型桥梁上的应用

冯 川 廖勇,2

(1. 成都希盟泰克科技发展有限公司，成都 610041；2. 重庆大学 飞行器测控与通信教育部重点实验室，重庆 400044)

基于CATIA的BIM在简支T型桥梁上的应用

冯 川1廖勇1,2

(1. 成都希盟泰克科技发展有限公司，成都 610041；2. 重庆大学 飞行器测控与通信教育部重点实验室，重庆 400044)

通过论述CATIA在简支T型桥梁上的应用方法和成果，本文提出一种基于CATIA的建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)在简支桥梁上的应用方案。结合某铁路桥梁工程实际，在CATIA基础上，本文对模型建立提出了“数据命名规则定义—>数据结构划分—>骨架搭建—>参数化、函数化、模块化设计—>工程量统计—>工程出图”的基本流程，大大提高了设计效率，达到了方便后期对模型数据查询与管理的效果。

CATIA；简支T型桥梁；超级副本；模板；三维

1 概述

随着科学技术的不断发展，人们对各种产品的质量要求越来越高。因此，人们需要更高效、更经济、更智慧的工具来满足需求。在建筑行业，传统的二维设计已经很难满足人们对产品质量、安全、经济的需要。因此国外许多国家引入了三维设计技术，并且提出了建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)的概念。它是一种应用于工程设计建造管理的数据化工具，通过参数化模型整合各种项目的相关信息，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，使工程技术人员对各种建筑信息做出正确理解和高效应对，为设计团队以及包括建筑运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础，从而在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用[1]。在我国，能源交通行业已经较早地引入了BIM技术，技术也相对成熟,如水电、核电、隧道、铁路、桥梁等行业。并且许多工程行业的设计院以及施工企业都已经部署实施或者设立试点,如成都水利水电勘测设计院、西北水利水电勘测设计院、中国中铁二院、中国中铁一局、中国中铁二局等。

简支桥梁存在抗震力弱的问题，若搭建在超高墩台上，在超外力作用下，安全性较低等缺陷。而其勘测设计是其最重要的环节，它是工程施工的主要依据，设计质量的优劣和设计效率的高低直接关系着工程的质量、安全和效益。因此，其设计工具的选择就显得尤为重要了。运用先进的三维设计和仿真技术可以提高桥梁的设计质量和效率、优化设计流程、提升设计信息的共享程度和知识重用性，从而大大提高勘测设计企业的综合竞争力[2]。

简支T型桥梁一般组成结构有桥台、桩基、承台、墩身、托盘、顶帽、垫石、支座、简支梁、连续梁、桥面系等。从CATIA设计角度出发，一般可分为四大部分，如表1。结合CATIA软件、工程实际和简支桥梁的结构组成我们提出了相应的设计方法学。

表1 简支T型桥梁组成

2 设计流程

为方便模型搭建以及后期对模型的查询与管理，我们提出了以下桥梁模型建立的基本流程。数据命名规则定义—>数据结构划分—>骨架搭建—>参数化、函数化、模块化设计—>工程量统计—>工程出图。

2.1 数据命名规则定义

在CATIA中我们可以严格的数据命名规则有利于数据的管理、查询，并且能够杜绝零件编号重复的情况发生。

2.1.1 命名的一般原则

(1)使CATIA文件获得唯一存储标识(PartNumber、文件名)；

(2)便于共享、可识别和使用；

(3)在保证设计需求的情况下，减少数据的冗余；

(4)便于追朔和进行版本的有效控制；

(5)便于识别同一部件模型的不同状态；

(6)文档名称与零件编号(PartNumber)名称一致；

(7)文件名只允许包含26个大写英文字母、10个阿拉伯数字及英文中划线“-”组成；

(8)结构树命名由33个字符(含8个中划线“-”)组成。

2.1.2 结构树命名规则

结构树命名规则如图1，其各段代码释义如下：

图1 结构树命名规则示意

(1)线路代码：3个字符，原则以线路名称的拼音首字母缩写表示，有重复编码时可以用数字替换；

(2)阶段代码：1个字符，如规划阶段、可行性研究阶段、初步设计阶段、施工图设计阶段、运营维护阶段可分别用不同的代码代替；

(3)区间代码：2个字符，依据实际线路进行站与站之间的区间划分和编码；

(4)工点代码：2个字符，依据具体线路，具体区间进行工点划分和编码；

(5)专业代码：2个字符，如线路、路基、桥梁、隧道、地质等；

(6)细部结构代码：6个字符，每2个字符代表一个层级，合计3个层级，字符由26个大写英文字母、10个阿拉伯数字组成。细部结构代码由专业内部确定，专业代码应分层分级定义，除了能反应结构的隶属或层次关系，还应反应结构的空间关系，例如里程从小到大、高程从搞到低、结构从外到内等规律；

(7)流水编码：用于区分在不同里程上的相同区间相同部件，递升编号；

(8)类型代码：2个字符，区分文件用途类型，如骨架-SK、二维图-2D、三维模型-3D等。

(9)版次：1个字符，表示修改的次数，当然这部可以改为直接将整个模型所在文件夹直接拷贝重名民。

依据方便数据查询与管理的命名原则，模型命名的规则可根据实际项目进行相应的简化，并不要求严格按照规范命名，如图2所示。

2.2 数据结构划分结构剖析

传统设计方法所得到的成果，往往是散碎的、独立的。一个项目做下来会有很多独立的文件，这些独立文件难以形成一个有规则的系统，因此不能进行很好地管理和查询。有了严格的数据命名规则，为更好的设计，还需要清晰的数据结构划分。而这些结构的逻辑规则可以在模型特征树上得到反映。因此可以轻松地在结构树上进行管理和查询。从桥梁的角度讲，结构化分是按照专业或者具体结构划分，如大桥包含了地质、桥台、桥墩、梁、基础、承台、桥面系等。一般的数据划分格式如图3所示，各部位结构展示如图4、图5、图6所示。

图2 结构树命名案例示范

图3 数据结构搭建示意及案例示范

图4 桥台结构组成爆炸视图

图5 桥墩结构组成

图6 桥墩、桥梁剖面展示

图7 骨架创建示范

2.3 骨架搭建

对于制造行业，其零部件的装配设计包括对产品中各零部件模型的形状特征信息和工程特征信息的表达，特征及其属性的创建和管理。在骨架模型的基础和参照基础上应用参数化特征造型完成各零部件的具体设计[3]。这样的思想同样可以应用在桥梁、隧道等工程行业中。

CATIA骨架设计是指对设计产品进行充分理解和分解后，结合产品设计流程运用主要线框控制元素对整个产品结构进行有效地总体控制，形成类似树干状的控制结构，并建立有效的参数信息传递框架及设计方法，将已建立的骨架模型中的草图、设计基准、几何特征、相关参考等参考发布并复制到各零部件的设计中，这样就可以将骨架模型中的信息共享到零部件中，从而实现各零部件设计所需的设计基准等参考信息均来自同一个骨架模型[3]。通过三维协同工具，管理人员可以将不同的骨架信息分配给不同的设计人员，各设计人员则可以在不同电脑上根据所分配到的骨架信息完成自己专业的设计。最后，将各个专业汇总，即可得到项目的整体模型。

在设计工作当中，我们经常需要绘制一些不规则的方程曲线。传统的二维设计在绘制方程曲线时，往往是应用方程求得一系列的控制点，然后将这些点连接成为样条曲线，或者是运用二次开发来求得方程曲线。对于多元方程组就更加复杂了。这次我们选用的项目是一座铁路用桥梁，故可以将铁路的空间左线作为该桥梁的总体骨架。而空间左线是由一系列的直线和曲线(例如：缓和曲线)构成，所以总体桥梁线路骨架的搭建就需要应用方程曲线制作总体线路骨架。这里的缓和曲线就需要用三元方程组求得。与传统设计工具不同的是，CATIA中自带方程曲线的设计代码包，所以我们无需编写复杂的程序代码，直接输入方程式就可以得到方程曲线。对于这样的复杂方程曲线，我们可以很方便地在CATIA中直接求得，并且非常精确。下面介绍如何应用CATIA绘制复杂的方程曲线。

我国《标准》规定缓和曲线采用回旋线曲线，不同精度要求有不同计算公式，现以此项目的缓和曲线来展示CATIA函数化方程曲线功能处理线路缓和曲线。缓和曲线公式如下所示的公式(1)、(2)[4]。

(1)

(2)

其中，R为圆曲线半径；ls为缓和曲线长度；l为曲线上某一点的测地距离。

运用缓和曲线公式，分别创建x、y关于l的方程曲线，用混合曲线功能将两条方程曲线拟合为一条关于x、y、l的三元方程曲线，将其投影到xy平面即可得到所求的缓和曲线。将所有创建好的空间曲线及平面曲线接合为一条曲线，再结合高程沿里程变化曲线运用CATIA得到空间曲线，将其放大1 000倍即为实际空间曲线。并依此空间左线，按照里程及高程创建对应的骨架定位信息，如图7所示。

2.4 参数化、函数化、模板化设计

在传统的二维设计中，零件的表达和它的有关设计参数无法完全放在一起，当然也没有直接的关系，以至于这些技术资料的保存和更新都十分的麻烦[5]。如传统的设计方式不能由约束值来驱动模型，因此在设计更改或者绘制相类似的图形时，必须将原有元素删除再重新绘制，十分费时、费力。CATIA可以由参数来驱动模型，在遇到设计变更时，只需修改改变的参数即可得到新的模型。在绘制相类似的模型时，我们可以将设计知识和流程集成到用户特征、超级副本、文档模板中，参照一定的参考元素并修改某些需要改动的参数，就可以得到新的模型。针对本项目，搭建好结构、创建好各专业骨架后，则开始具体的建模工作，为了保证模型设计变更、参数查询等能得以快速实现，就需要在对图纸升入理解的基础上，应用参数化、函数化功能对模型进行设计。对于简支T型桥梁，桥体由多段墩梁组成，其中包括桥墩、桥梁、桥台、桩基、承台等。桥墩又有空心墩与实体墩两种，梁有简支梁和连续钢构梁。对模型结构进行综合考虑后，可制作一些模板，后期直接调用模板，避免同一类型模型重复设计，节省设计时间，提高设计效率。桥墩模板如图8所示，简支T梁模板如图9所示，连续梁如图10所示。

完成各模板创建后，就可根据模板快速创建各部位模型。创建好模型后可根据模型快速查询相关工程量、尺寸等信息，如图11所示。

图8 桥墩模板

图9 简支T梁模板

图10 连续钢构梁(连续钢构梁只有一段，故无需制作模板)

2.5 工程图

传统二维设计在设计时每一个视图都需要手动绘制，相类似的剖面也需要复制已有的二维图进行修改，造成工作量大、重复和效率低下。CATIA的工程图可以满足多种出图要求，它可以根据三维模型得到任意截面的剖视图CATIA的工程图是与三维模型相关联的，只要三维模型发生变更，工程图即随之改变。并且相同类型的模型一旦做成模板调用后可直接投影工程图。这大大降低了工作量，提高了效率，节省了成本。在CATIA中可以针对实际工程定制图纸尺寸、字体、符号等标准。

3 结语

应用参数化骨架设计思想，可保证设计的快速调整和修改。当有设计变更时，只需修改变更的参数即可更新得到变更后的模型。应用知识工程模板

功能(用户特征、超级副本、文档模板)可以快速地实现知识重用，避免手动创建相同类型模型。应用CATIA本身强大的测量功能可以快速查询模型的工程量及其它BIM信息。

[1]张学生. BIM-推动无限延续的行业创新[J].中国建筑金属结构，2013(19)：35-36.

[2]李斌，宗志坚，郑会春. 水利水电工程三维设计方法引进与研究[J].人民黄河，2011，33(5)：136-137.

[3]张志清.道路勘测设计[M]. 北京：科学出版社，2005.

[4]王进丰，李小帅，傅尤主. CATIA软件在水电工程三维协同设计中的应用[J]. 人民长江，2009，40(4)：68-70.

[5]王凯，李柏林，陈黎丽，何朝明，刘光帅. 基于知识的自顶向下参数化设计与应用[J]. 制造业自动化，2009，31(9)：163-178.

Application of CATIA-based BIM for Simply-supported T-type Bridge

Feng Chuan1, Liao Yong1,2

(1.ChengduSimu-TechTechnologyDevelopmentCo.,Ltd.,Chengdu610041,China; 2.KeyLaboratoryofAerocraftTrackingTelemetering&CommandandCommunication,MinistryofEducation,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)

In this paper, we put forward application solutions using CATIA-based BIM in the simply supported bridge by discussing the methods and results of CATIA applied in the simply-supported T-type bridge. With the combination of practical engineering and CATIA, we put forward a basic process-“data naming rule definition—> data structure division—> skeleton structures—> parameter, function, modular design—> quantity statistics—> engineering drawing”-of establishing a model which improves the design efficiency greatly and provides convenience for query and management of model data in the later stage.

CATIA; Simply-supported T Bridge; Super Copy; Template; Three-dimensional

冯川 (1989-)，男，工程师。主要从事CATIA/DELMIA在工程中的实施应用; 廖勇 (1982-)，男，博士，讲师。主要从事虚拟现实与软件仿真、无线通信网络的研究。

U448·21+7

A

1674-7461(2015)02-0014-06