深茂铁路潭江特大桥BIM设计研究

■ 傅萌萌 曾敏 黄卫 刘振标

深茂铁路潭江特大桥BIM设计研究

■ 傅萌萌 曾敏 黄卫 刘振标

在BIM技术已经成熟运用于制造业、建筑业等行业并取得颇丰成果后，将BIM技术引入铁路桥梁工程的设计、施工中势在必行。铁路桥梁设计具有地质情况复杂、与线路自适应较差以及二维CAD出图量大等特点，使BIM技术在铁路桥梁中的应用、推广更为艰难。以深茂铁路潭江特大桥为工程背景，根据不同结构设计的侧重点不同，采用达索平台多种设计软件分项建立、交互整合全桥BIM模型，将BIM技术因地制宜地应用在铁路桥梁的正向设计中。

铁路；桥梁工程；BIM；正向设计；碰撞检查

随着现代工程技术日新月异的发展，传统计算数据输出和二维图形表达方式已经不能满足业主对工程设计、施工等环节的高效性要求，更不能满足工程项目中上下游各专业、各环节顺畅传递数字信息及统一管理的要求。BIM技术以建筑物的各项信息数据作为模型的基础，进行建筑模型的建立，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息［1］。因此，将BIM技术引入铁路工程中，是现代信息化铁路设计的一项重大尝试。以深茂铁路潭江特大桥为项目依托，考虑到一般桥梁结构和特殊桥梁结构设计侧重点的不同，选用不同BIM软件更能发挥出各自设计优势，创新性提出多软件分模块设计的思想，取得了一定的阶段性研究成果。

1 工程概况

深茂铁路潭江特大桥桥址左岸位于江门市新会区会城街道南庚村，桥址右岸位于小冈镇龙蟠里村附近，主桥采用（31.85+57+130+256+63.9）m独塔混合梁斜拉桥，主梁全长540.55 m。主桥平面位于直线上，线间距4.4 m，主桥处纵断面为平坡［2］。

基于本项目桥梁工点设计的特殊性，潭江桥引桥部分为常规简支梁、中小跨度连续梁，采用Catia软件设计，应用知识工程生成桥墩、梁部等主体结构，并在线路变动的情况下自适应调整，实现桥梁的自动化正向设计。潭江桥主桥部分则采用（32+57+130+256+64）m独塔混合梁斜拉桥，边跨为混凝土箱梁，中跨采用钢箱梁。主跨256 m为潭江通航孔，钢-混结合面设置于10#墩顶处。考虑主桥部分构件繁多且均为非常规构件，构件间的空间逻辑关系复杂等特点，选用善于精细化表达的Solidworks软件进行主桥的正向设计。

依据不同桥梁结构设计需求及构造特点的不同，在同一个工点设计下，分别应用不同BIM软件进行三维正向设计并最终整合，实现施工图出图、数据交互，后期指导施工及运维，在铁路桥梁BIM设计中是一次创新性的挑战。

2 Catia设计潭江特大桥引桥

针对潭江特大桥自身结构特点，搭建参数化的构件模板库，利用知识工程将几何变形、逻辑关系和外部输入条件封装在模板中，引进先进的骨架式建模思想，搭建全桥模型骨架，通过模板实例化现实构件在三维空间的精准定位和自适用变形设计，并利用知识工程的黑盒功能对模板进行封装，有效保护了设计人员的知识产权［3-4］。三维参数化建模成果见图1。

Catia设计常规结构引桥成功解决了桥梁对线路适应性差、工作量繁重等设计技术难题。

图1 潭江特大桥引桥模型

3 Solidworks设计潭江特大桥主桥

3.1 正向设计的参数化建模

由于桥梁复杂异性结构多，“族”构件库基本空白，导致在设计过程中模型可重复利用性差，只有通过参数化建模才能实现设计方案的快速变更，提高生产效率。

Solidworks参数化建模功能，即通过修改预设待变参数值，由骨架式草图驱动整体模型，在极短时间内生成多个比选方案模型，再在BIM模型计算分析的基础上选择出最优方案，大大减少传统设计过程中由于比选方案的改动造成模型整体重建及图纸大量变更所产生的重复性劳动，真正达到解放设计思想的目的。

骨架式草图中参数设置应综合考虑桥梁结构形式、设计特点、施工过程及预设变量等因素。潭江特大桥为独塔混合梁斜拉桥，钢结构构造复杂，钢混结合段方案不稳定，在设计过程中需要多方案比选，参数化建模保障了潭江特大桥BIM设计的高效性。该模型设置了桥梁净空、桥面横坡、钢梁板厚、拉索方向、施工流程等可变参数组，通过改变草图中的参数驱动三维BIM模型变动，实现了设计方案的快速变更。

3.2 结构仿真分析

BIM技术使得结构精细化应力分析变得简单高效。将三维BIM模型导入ANSYS、FEA等大型通用有限元分析软件，省去在计算软件中建模的繁琐工作，并完全考虑加劲肋、过焊孔、拉索锚管开孔等细部构造，真实反应实际情况，大大节省局部应力分析时间，结构方案的优化也更有效率。

本项目采用BIM三维模型直接对接大型有限元计算软件，完成了桥塔锚固区应力分析、混凝土梁段应力分析、钢箱梁细部构造应力及方案优化研究等，体现了应用BIM平台正向设计铁路桥梁的优势。潭江桥钢箱梁模型导入FEA计算应力示意见图2。

3.3 碰撞检查

由于三维模型中的构件形状、位置均与施工现场中的真实构件一一对应，可通过BIM三维模型发现项目在施工现场中可能出现的错、漏、碰、缺等设计错误。大规模的自动化碰撞检查可以优化工程设计，减少在实际施工阶段可能存在的错误损失和返工的可能性，达到降低项目成本的目的。

在潭江特大桥中应用软件的碰撞检查功能（见图3），检查钢混结构段中钢板剪力钉冲突及附属结构爬梯嵌入桥塔实体的情况。

3.4 施工图出图

图2 钢箱梁FEA计算应力示意图

铁路工程设计通常以交付二维图纸来展示桥梁结构的空间布置及构件大样（见图4），这种传统意义上二维工程图实际上是工程师通过空间想象将脑海中的三维模型投影、剖切到二维平面上的产物，相应得到的二维图纸表现能力及校核纠错功能相比实际三维模型大打折扣。由BIM模型直接生成的图纸则表现形式更为丰富，三维布置图、预拼装图能精准无误地表示各细部结构的空间位置，二维剖面图及大样图是由三维模型经过计算机程序自动投影、剖切得到，比由人脑加工转换得到的二维图纸更加高效、精准，更便于其他人员再次复核。因此，不仅在空间构造表现方面，三维图纸有其绝对优势，而且在剖切示意及大样展示方面，由自动生成的二维图纸更能保证精确度。三维模型关联工程图纸的方式，在改善了出图效能的同时也将工程师的工作重心真正意义地转移到了设计上面。

图3 干涉及碰撞检查示意图

图4 潭江特大桥主桥段工程图

3.5 材料信息赋予及工程数量统计

潭江特大桥BIM模型不仅包含几何实体信息，更重要的是承载着材料属性、拼装序号等相关信息，达索平台系列软件的数据继承性可将模型所有信息传递给下游专业，也能作为交付内容提供给施工单位指导施工。潭江特大桥桥面板横梁腹板属性界面包含了几何信息、材料信息、设计人员信息等（见图5）。

在正向设计过程中，工程数量汇总作为串行设计流程的最后一道环节，由于其专业下游性，前面方案选定、结构计算等环节稍有变动都会造成工程数量的改变。

由中铁第四勘察设计院集团有限公司桥梁院自主研发的Solidworks规格计算插件能智能测量构件几何信息，在预定义三维模型构件材料属性的前提下，能一次性计算并存储所有构件规格信息，自动生成工程数量总表，解决了人为算量的劳动力重复性、错误主观性等问题。

3.6 指导施工工序

桥梁三维BIM模型除了能直观展示各构件空间位置及组装形式，还可以引入时间因子，将BIM模型拓展为4D模型，即按现场实际施工工序模拟桥梁桩基、墩台、梁部及桥面附属等结构的逐步施工过程。在潭江特大桥BIM设计中，应用Solidworks软件的爆炸功能模块清晰直观地展示了钢混结合段、钢梁段中各钢板构件的拼装、焊接及混凝土浇筑顺序，在模拟施工方案、优化施工工序方面体现出显著优势。潭江特大桥某钢箱梁节段爆炸状态图见图6，动态回溯可演示该梁段的完整拼装流程，并且拼装视频能用于指导工人施工操作、安全培训等。

图5 钢桥面板横梁腹板属性

图6 钢箱梁节段爆炸状态图

4 结论

在深茂铁路潭江特大桥BIM试点项目中，应用基于达索平台的Catia及Solidworks软件配合设计并指导施工，实现了不同软件正向设计，从该项目的常规结构及特殊结构的混合设计中总结得出：

为充分发挥BIM软件在桥梁正向设计上的应用优势，采用2种侧重点不同的软件分别设计不同桥梁结构，本项目选用同一达索平台软件，避免了BIM模型在整合中可能遇到的数据割裂、信息丢失等问题。

三维参数化设计在适应桥梁设计多方案比选中起着至关重要的作用，不同于建筑BIM软件平台自带成熟模块库的优势，桥梁专业推进BIM设计最大困难在于库构件的空白，而三维参数化设计使得常规构件及可通用特殊构件的重复利用变得可行，极大程度上改善了多方案比选的设计效率。

BIM设计不是单纯的3D建模，虽然直观空间模型可以表达出二维图纸不善描述的构造细节，也能通过干涉碰撞检查发现设计中的错、漏、碰、缺，优化设计细节，但BIM设计最突出的贡献应为信息交互，比如直接用于仿真设计计算、交付数据用于后期指导施工等［5］，这些特点在潭江特大桥中都得到了成功应用。

［1］ 黄强. 论BIM［M］. 北京：中国建筑工业出版社，2016.

［2］ 曾敏. 潭江特大桥设计专题研究报告［R］. 武汉：中铁第四勘察设计院集团有限公司，2015.

［3］ 张云杰. CATIA V5 R20高级应用［M］. 北京：清华大学出版社，2011.

［4］ 杨咏漪，徐勇，陈列. 沪昆客专北盘江特大桥BIM应用研究［J］. 铁路技术创新，2014（5）：54-58.

［5］ 刘延宏. EBS在铁路工程建设管理中的应用探讨［J］.中国铁路，2015（7）：62-65.

傅萌萌：中铁第四勘察设计院集团有限公司，工程师，湖北 武汉，430063
曾 敏：中铁第四勘察设计院集团有限公司，工程师，湖北 武汉，430063
黄 卫：中铁第四勘察设计院集团有限公司，高级工程师，湖北 武汉，430063
刘振标：中铁第四勘察设计院集团有限公司，教授级高级工程师，湖北 武汉，430063

责任编辑 苑晓蒙

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1672-061X（2016）03-0058-04