基于BIM(建筑信息模型)技术的桥墩模块化设计软件

余兴胜

(中铁第四勘察设计院集团有限公司, 430063, 武汉//高级工程师)

传统桥墩多采用矩形、圆形、圆端型等规则截面。其设计研发思路主要是一种墩型研究一种算法，并配套开发专用软件[1-2]。这样做不仅计算逻辑简单、易于开发，而且输入参数少、使用方便。

随着时代的发展，项目对景观的要求越来越高，桥墩墩身造型复杂多变，截面越来越不规则[3]。如直接采用传统规则截面桥墩设计计算方法，则需引入许多近似处理，难以保证计算精度。如继续沿用传统思路，则研发及维护工作重复繁重，难以适应复杂多变的桥墩设计工作。因此，需基于模块化设计理念，借助BIM(建筑信息模型)技术，研究出一种能适应任意截面形状、截面间多曲线变化的通用桥墩设计计算方法，尤其要适用于常用的混凝土或钢筋混凝土桥墩检算，进而开发通用软件实现任意桥墩的模块化建模及设计[4]。

1 核心技术路线图

开发基于BIM技术的通用桥墩模块化设计软件(以下简为“桥墩BIM软件”)，首先要确定核心技术路线图。基于模块化设计理念，参照铁路BIM分类标准将桥墩从构造上划分为垫石、顶帽、托盘、墩身和墩脚等节段[5]。节段为支持直线、凸弧、凹弧过渡的多曲线参数化渐变锲性体，采用控制截面及渐变参数定义。控制截面可在各节段间共享，由多条封闭的内外轮廓边界组成。轮廓边界线采用直线段、圆(椭圆)弧段拟合，支持任意形状。截面轮廓以各顶点的凸度坐标或矢高坐标定义。钢筋以各钢筋束的坐标、直径及成束根数定义。将上述分析过程倒置，便形成通用桥墩模块化设计的核心技术路线图(如图1所示)。

通用桥墩模块化设计核心技术路线图利用BIM三维参数化技术，提供统一、灵活、简洁、可视化的数据组织和输入方式，可模块化构建桥墩BIM模型，能实现任意形式的通用桥墩模块化设计。

注：X、Y分别为轮廓顶点或钢筋束的纵横坐标；F为圆弧凸度或矢高；E为椭圆离心率；D为钢筋直径；N为钢筋束成束根数

2 关键环节

2.1 桥墩的模块化组装

BIM是未来勘察设计软件发展的方向。我国坚持走自主BIM道路。在自主的有限元建模软件基础上，利用梁单元构建桥墩节段，墩顶超高、检查槽、排水坡、倒角等作为几何特征附着于墩顶节段。这样不仅解决了桥墩各部件三维实体建模和显示问题，而且各构件在系统内部即为有限元单元，使三维真实设计与后期有限元分析紧密结合起来[4]。

桥墩的模块化组装首先要解决垫石、顶帽、托盘、墩身、墩脚等节段及其截面的数据组织及拼装逻辑问题。通常桥墩可能没有顶帽、托盘或者墩脚节段，墩身节段也可能为单柱、双柱、三柱、四柱等形式；建模时需设置操作空间、墩顶超高、多柱墩的墩柱数和柱间距，以及截面列表，垫石、顶帽、托盘、墩身和墩脚尺寸。图2为八角形桥墩的模块化定义界面及其BIM模型。

桥墩作为整体模块也需被组装进全桥模型中。上文定义的标准墩是全参数化的模型。在全桥设计时需提供项目标准墩定制表，以指定各种梁跨及地震分区情况下各墩高范围内的墩身具体参数。桥墩软件会根据工点位置自动确定墩高，实例化各工点桥墩尺寸，自动进行BIM建模及设计检算。桥墩软件设计时充分考虑了铁路IFC(铁路工程数据交换)标准，融入了铁路BIM标准中关于桥墩的分类和编码，并挂接桥墩的设计、施工及工程量信息，并将之都组装进全桥模型[5]。

2.2 三维参数化节段

顶帽、托盘、墩身及墩脚等桥墩节段都可视为曲线渐变的锲形体，可分别在顺桥向和横桥向的外边缘处、倒角处及开槽处设置渐变曲线。曲线渐变方式均可支持凸弧、凹弧或直线方式(如图3所示)。节段模块共享桥墩的截面，具备计算任意位置的截面尺寸及配筋，截面以上部分的体积、纵横向风力及其弯矩等功能，是桥墩整体计算的基础。

墩身及墩脚节段多随工点地形调节高度，采用顶部控制截面、渐变方式和参数控制。过渡方式为凸弧及凹弧时，需指定渐变圆半径参数，过渡方式为线性时指定渐变坡率参数。墩身及墩脚节段的参数设定界面如图4所示。

图2 某标准墩模块化定义界面及其BIM模型

一般顶帽及托盘节段高度固定，采用顶部及底部的控制截面和渐变方式进行控制。渐变参数通过顶部及底部的控制截面尺寸自动计算。顶帽及托盘节段的参数设定界面如图5所示。

桥墩节段截面的内部数据组织采用轮廓边界点坐标集，但直接输入轮廓边界点坐标集的方式较为繁琐且容易出错。基于对矩形轮廓的任意切割，桥墩BIM软件设计了简洁的参数化轮廓构造器，其操作界面见图6。通过对矩形四角分别设置倒角(斜角、圆角或内直角)及四边分别设置开槽，即可实现绝大多数常见轮廓形式。通过设置圆倒角的位置和半径，即可实现圆形、圆端形(圆倒角等于顺桥向长一半)、弧端形(圆倒角大于顺桥向长一半)及圆角矩形等桥墩截面形状。通过设置斜倒角的位置和长度、宽度，即可实现八角形、菱形、梯形、平行四边形等桥墩截面形状。通过设置内直倒角的位置和长度、宽度，即可实现T形、L形、哑铃形等桥墩截面形状。在轮廓构造器操作界面中，取消规则截面复选框，即可自动生成轮廓边界点坐标集[4]。

a) 凹弧b) 凸弧c) 直线

图3 曲线渐变效果

图4 墩身及墩脚节段的参数设定界面

图5 顶帽及托盘节段的参数设定界面

2.3 通用任意截面检算

桥墩设计的主要工作是计算各控制截面在墩顶荷载、风力及自重等荷载作用下产生的混凝土应力及钢筋应力，并检算其是否满足设计要求。通用任意截面检算功能是通用模块化桥墩设计的基础。任意截面采用多条封闭的内外轮廓边界组成，适用于实体或空心、整体式或分离式、单一材料式或组合材料式的截面。封闭的内外轮廓边界采用顶点的凸度坐标或矢高坐标的方式组织，以直线段、圆弧段或椭圆弧段拟合轮廓边界线。以钢筋混凝土截面为例，桥墩BIM软件详细定义了截面抗剪箍筋的层距及肢距，纵向受力钢筋的坐标、直径及类型等信息；提供了自动配筋功能，以解决钢筋信息输入问题；通过数学算法，将轮廓边界线偏移保护层厚度，从而生成布筋中线轮廓，再根据钢筋的间距、直径及成束根数等参数自动生成配筋信息。

图6 轮廓构造器操作界面

通用截面检算基于精确的数值积分算法，主要面向铁路容许应力法，稍加修正也可用于极限状态法。基于平截面假定(即截面在内力作用下产生变形后仍然保持平面)，变形后截面上任意点的应变可用统一的平面方程表示为：

ε=ax+by+c

(1)

式中：

ε——应变；

a、b、c——应变平面参数。

由应力应变关系σ=Eε，其中E为弹性模量，则应力σ为：

σ=Eax+Eby+Ec

σ=aEx+bEy+cE

(2)

式中：

αE、bE、cE——应力平面参数。

对于组合材料式截面(如钢筋混凝土截面、钢管混凝土截面)，需将所有材料以弹性模量系数的形式表达为统一材料。

截面的轴力N、y向弯矩My和x向弯矩Mx同应力σ有如下关系[7]：

(3)

式中：

Ω——桥墩截面面积。

将式(2)代入式(3)，并转化成矩阵形式，可得：

(4)

其中

式中：

A——截面面积；

Sx、Sy——静距；

Ix、Iy——惯性矩；

Ixy——惯性积。

可见，根据截面特性值，即可计算出aE、bE、cE，进而确定截面上任一点的应力及应变[6]，实现各项截面检算功能。

钢筋混凝土截面中，由于混凝土为不承拉材料，故截面特性的计算不考虑受拉区混凝土，采用容许应力法求解时必须通过迭代试算找到中性轴的位置。一般可初始假定全截面受压，设定收敛标准(比如受压区面积比限值)，采用直接迭代法达到线性收敛。

截面特性的计算涉及对面域的二重积分，可利用格林公式将面积积分转换为对截面边界曲线的积分。即

(5)

但格林公式右端的曲线积分是含有x，y两个参数的二元函数积分，依然不好求解。可以利用直线段、圆(椭圆)弧段的参数方程将其转化为一元函数积分，继而可利用牛顿-莱布尼兹公式精确求解[8]。即：

(6)

3 应用情况及存在问题

桥墩BIM软件可适用于任意截面桥墩，可利用精确的数值算法直接进行截面检算，且不存在任何假定或模拟。其计算结果精确可靠，具有快捷、灵活、可视、适用面广的特点。该软件可大大提高桥墩设计建模的效率，已全面应用在中铁第四勘察设计院集团有限公司的铁路及轨道交通桥梁设计项目中[4]。

目前，该软件仍在不断完善，以期实现真正的通用桥墩模块化设计。

[1] 铁道部第三勘测设计院．桥梁设计通用资料[M]．北京：中国铁道出版社，1994．

[2] 童森林. 桥梁设计算法新解[M]．北京：中国铁道出版社，1998.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部．GB 50157—2013地铁设计规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2013．

[4] 余兴胜. 轨道交通桥梁协同设计系统成果报告[R]. 武汉：中铁第四勘察设计院集团有限公司, 2015.

[5] 余兴胜，文望青，金福海. 铁路桥涵EBS分解体系研究[J]. 铁路技术创新，2015,3(3)：27.

[6] LI B，YU X S，et al. Stress & strain analysis of speciall shaped RC column in elastic-plastic stage[C]//Proceedings of the Twelfth Interna-tional symposium on Structural Engineering. Beijing: Science Press，2013.

[7] 孙训方，方孝淑，关来泰. 材料力学[M]. 3版. 北京：高等教育出版社，1994.

[8] 同济大学数学教研室. 高等数学[M]. 3版. 北京：高等教育出版社，1988.