BIM技术在铁路40 m简支梁设计中的应用

潘永杰，苏永华，魏乾坤，贾王育，郭 维

(中国铁道科学研究院集团有限公司，铁道建筑研究所,北京 100081)

目前我国高速铁路桥梁以预制架设的32m预应力混凝土简支箱梁为主，箱梁设计的标准化、预制的工厂化、运架的机械化等技术为高速铁路规模化建设提供了保证。随着高速铁路建设的纵深发展，中西部地区高速铁路建设逐年增多，为降低高墩桥梁以及软基沉陷地区深基础桥梁的工程造价，在既有成果积累的基础上，我国开展了40m大跨度预制简支梁成套技术研究和应用推广工作[1]。

本文开展了BIM技术在40m简支梁设计中的研究和应用工作，涉及模型结构[5]分解、精细化BIM模型构建和BIM设计交底系统研发3个方面，以期为全生命周期BIM模型使用和信息流转奠定基础。

1 面向装配化的模型结构分解

高速铁路40 m简支梁具有跨度大、技术含量高等特点，反映到BIM模型上则表现出模型体量大、构成单元多、层级结构复杂的特性，因此制定一套完整、规范的模型结构至关重要。借鉴制造业产品生产管理方式，采用“基于BOM(Bill of Material)”模式对40 m简支梁进行模型结构分解，一方面依据设计固有表达方式，体现详细的构造细节，准确反映设计意图；另一方面考虑简支梁制造、运输、架设乃至运营一体化管理和模型精细度的对应要求，实现设计、制造环节数据传递和信息集成的渠道贯通，并为后期运营提供数据信息接口，统筹全生命周期的应用需求。

为此，将40 m简支梁视为装配化的综合平台，实现不同构件层级的装配化：①充分考虑简支梁制造需求，提供如预应力自动张拉[6]、管道智能压浆[7]等施工数据匹配的对象实体，将简支梁主体结构合理拆分，形成面向装配化的主梁结构；②考虑铁路不同结构形式的常用跨度简支梁应用模式，搭载附属设施(包括线路结构)产品库，对简支梁主体结构与附属设施进行一体化BIM设计，实现两者的标准化设计和模块化的灵活组装。

模型结构分解的具体原则如下：①涵盖40 m简支梁综合平台的所有组成单元，并赋予唯一编码标识；②清晰地划分层级结构和逻辑关系，为不同业务子系统数据共享、集成和追溯提供实体；③作为制造阶段计划编制、物料领用、成本核算等过程管控对象的最小划分粒度，为精细化管理提供条件。

按照上述原则，将40 m简支梁分为主梁、支座和附属设施3大类。根据具体工程项目采用不同的通用图灵活组合装配，输出40 m简支梁不同结构形式的整体BIM设计模型。主梁信息模型结构分解如图1所示。

属性信息的定义和赋加是设计阶段BIM应用的重要环节，直接关系到后续信息流转和应用效率。基于确定的模型结构划分，梳理简支梁构成单元的设计信息，如表1所示。

图1 40 m简支梁主梁信息模型结构分解

构成单元名称设计信息基本信息技术参数工程数量梁体混凝土单元名称、单元编号、IFD(International Framework for Dictionaries)编码、梁体长度、桥面宽度、底板宽度、梁体高度材料、强度等级、设计弹性模量梁端防水层单元名称、单元编号、IFD编码、防水层厚度材料、设置位置、设计抗拉强度预应力钢绞线单元名称、单元编号、IFD编码、根数、设计长度、公称直径材料、对应二期恒载分级、规格、公称直径、下料长度、工作长度、伸长值、不同张拉阶段标识、不同张拉阶段顺序号、不同阶段锚外控制应力、不同阶段锚外张拉力设计工程量、单位管道压浆单元名称、单元编号、IFD编码、设计长度材料、强度等级支座预埋件单元名称、单元编号、IFD编码、长度、宽度、厚度、材料、防腐措施钢筋单元名称、单元编号、IFD编码、直径、根数、长度材料、规格支座单元名称、单元编号、IFD编码、支座板几何尺寸、支座高度材料、规格型号、适用动峰值加速度、支座设计竖向承载力、支座设计转角、支座设计位移(顺桥向、横桥向)

IFD编码[8]是构成单元的基本信息之一，在分类、统计中发挥重要作用。桥梁构件模型结构分解一般基于《铁路工程信息模型分类和编码标准》(1.0版)中的53表，按照功能特征对构件进行分类，但对单独的箱梁梁体不完全适用。考虑到梁体结构由多种铁路工程产品构成，结合53表及扩展补充58表的分类，编制完成每一类构成单元的编码。

2 BIM模型构建

受BIM技术成熟度和管理交付模式所限，BIM正向设计还处于探索阶段，目前仍以翻模为主。40 m简支梁BIM模型构建也是采取此种模式。本文基于CATIA软件进行建模，涉及模型精度[9]和衍生的产品库,具体要求为：①按照LOD3.5模型精度[1]对混凝土梁体、普通钢筋、预应力筋、轻质桥面、近轨矮屏障、无砟轨道等构成单元进行精细化建模，建模过程中开展信息集成、碰撞检查、方案优化、工程量统计等辅助设计工作；②立足装配化思想，对标准化产品开展参数化建模，逐渐积累铁路简支梁的配套产品库。

2.1 基于BIM的设计优化

通过图纸审核和模型碰撞实现基于BIM的设计优化。首先根据设计图纸进行BIM建模，基本原则是保持与二维设计图纸的一致性，建模过程完成图纸的校核；然后通过BIM技术进行碰撞检测，输出分析报告，反馈至专业设计人员，由其确定修改方案，进而更新BIM模型，优化二维设计图纸。重复上述过程，直至二维设计图纸差错漏碰问题基本解决，误差在允许范围内；最后进行设计钢筋大样图输出及分类工程量统计，形成交付成果。设计流程如图2所示。

图2 基于 BIM 的40 m简支梁辅助优化设计流程

基于BIM的设计优化包括以下工作重点：

1)图纸审核

模型创建过程中对图纸的数量、标注、空间关系等内容进行校核，实质是二维设计成果的过程审查。

2)碰撞检查

在二维设计图纸中，预应力筋与梁体配筋是分开布置的，对于空间出现的碰撞问题无法避免，只能通过施工人员自行调整，这不仅给施工过程带来困扰，也给设计质量带来一定的不确定性。

为了避免施工过程中的无序修改，借助BIM技术进行几何体的碰撞检查，可深度分析基于二维设计成果中钢筋、预应力筋与其他零件的空间关系。直观反馈其中的不合理之处，实现问题前置化，进而提前调整相应单元的空间布置，减少变更及现场返工。

碰撞检查内容主要包括普通钢筋与预应力筋管道的碰撞(如图3所示)、普通钢筋与梁体的碰撞、预埋件与预应力筋管道的碰撞。

图3 普通钢筋与预应力筋管道的碰撞

3)信息精准输出

40 m简支梁BIM模型承载了混凝土数量、预应力筋长度、管道压浆体积等详细工程信息，可精准分类、输出工程量信息，辅助二维设计成果的完善。

以钢筋为例，结合规范规定的弯钩长度要求对带肋钢筋进行准确放样，自动输出二维钢筋大样图(如图4所示，标注需后期调整)，可直接指导现场应用。

图4 钢筋大样输出图(单位：mm)

2.2 参数化建模及产品库

参数化是BIM技术的显著特点之一，考虑40 m简支梁具有不同的结构类型以及配套的附属设施，可通过控制多类型参数调整模型中数据关系，实现模型属性信息对应改变，提高建模效率。

1)梁体及钢筋

将梁体各项指标(包括长、宽、高等各种几何尺寸，共计53个)设置为参数，通过BIM建模软件以.xls格式导出各项指标，基于.xls格式改变参数输入量值，基于参数驱动实现不同跨度梁体模型的快速调整。

根据钢筋弯折角度(135°，90°)绘制模板，将几何信息(如长度、直径等)进行参数化设置，实现模型批量实例化。针对长度随梁体造型变化的部分钢筋，根据其渐变规律在CATIA中自动计算弯折点后进行钢筋实例化。

2)铁路标准产品库

铁路简支梁设计中应用了多种产品，如锚垫板、锚具、支座、防落梁装置等，这些产品标准化程度高[10]、重复使用率高。因此，可根据标准产品的几何尺寸、属性信息，搭建简支梁常用配套标准产品库，方便在不同类型简支梁设计中调用，从而提高设计效率，实现标准产品的累积和继承。

通过获取并存储相关产品的设计参数，建立铁路常用跨度简支梁所配套的产品模型，借助目录编辑器模块逐渐形成标准产品库。流程如图5所示。

图5 标准产品库的建立流程

3 BIM设计交底系统研究

BIM技术不仅在设计优化中发挥了重要价值，而且为设计交底提供了丰富的展现方式。。考虑简支梁设计交底内容形式的通用性，泛化了设计交底系统定位：不局限于40 m梁，而是立足不同铁路等级(高速铁路、城际铁路、客货共线铁路以及重载铁路)、结构形式、设计时速、跨度、线路类型形成的标准简支梁和常用跨度连续梁，支持不同BIM设计软件的三维模型导入、多方式的设计交底与信息传递。目的是实现铁路常用跨度混凝土梁模型可视化，设计信息综合展示和一致性传递，拓展设计方与建设、施工及监理方的交流手段，提升设计单位的服务水平。

基于40 m简支梁全生命周期BIM技术应用规划及模型成果，确定了BIM设计交底系统架构，包括展示层、应用层和数据层，如图6所示。

图6 系统架构

为丰富设计交底内容和形式，设计了梁体模型、附属设施模型、图纸查看、三维设计交底、资料管理、模型装配、模型上传等功能模块，如图7所示。

图7 设计交底系统主要功能模块

简支梁BIM模型包含单元种类多，关系错综复杂，通过整体BIM模型很难查看特定元素之间的相互关系。为此，对梁体模型和附属设施模型模块的展示内容进行开放式设计，通过灵活定义不同单元的组装，实现简支梁不同装配单元的对应、查看和对比，满足不同人员对设计模型的使用需求。

以梁体模型装配为例，通过模型上传完成梁体混凝土、普通钢筋、预埋钢筋、加强钢筋、预应力钢筋、锚垫板、支座预埋钢板等单元轻量化格式的分类存储，根据不同需求形成了桥面布置、翼缘板构造、接触网加强构造、综合接地、电缆上桥等多个固定组合单元。还可以选择不同装配模型结构树中的子类，实现具体元素组合(如图8所示)，其组合内容包括空间相对关系及参数信息。

图8 不同元素的自由组合设计

4 结语

1)开展了40 m简支梁信息模型结构分解和设计基本信息定义，为制造、运输、架设及运营维护关键信息的创建、管理和共享奠定了基础。

2)构建了面向全生命周期的40 m简支梁设计BIM模型，通过图纸审核和碰撞检查辅助二维设计图纸优化，对梁体、普通钢筋进行了参数化建模，实现钢筋大样图输出，构建了锚垫板、支座等简支梁标准产品库，提升了铁路40 m简支梁二维设计精度和效率。

3)秉承装配化管理理念，开展了BIM设计交底系统原型设计及研发，通过对不同装配单元的自由组合，实现模型的灵活查看及相对空间位置的准确展示，丰富了设计交底表达方式。