桥梁工程施工BIM技术建模方法研究

张宏敏

【摘 要】BIM技术涵盖了在建筑工程的设计、施工、安装、操作乃至整个生命周期与服务项目相关的大量信息。通过建立BIM模型的数字化设计，可以在提高生产方面发挥巨大作用，有着保证生产质量、节约成本、缩短工期及其他优点。在桥梁工程背景的基础上，本文介绍了CATIA软件的特点和优点，讨论了三维的基本思想桥梁工程施工阶段模型，分析了建模过程中的关键和难点问题并提出解决方案。通过BIM三维建模，该项目在施工方面更清楚地掌握了具体情况，而且建立BIM模型将直接满足施工管理的需要。

【关键词】桥梁施工；BIM；CATIA；三维建模

中图分类号：O319.56 文献标志码：A

一、引言

建筑信息模型（BIM）被用作创新工具和生产方法已引发欧美等发达国家的巨大变化，是针对性的作为包括建设项目在内的相关信息和基于三维的数据模型，是对建筑结构的整个生命周期进行全方位的管理和协同工作，是建构的物理特征、功能特征、数字轴承和视觉表达。[1]随着经济蓬勃发展，大型桥梁建设项目发展不断增加，人们对项目的经济性、安全性、施工效率以及桥梁质量、预期寿命、景观效应的要求也逐渐提高。依靠传统的二维设计方法和传统的施工方法已不能满足人们对目前桥梁高标准要求和期望，信息技术的应用已经日益迫切且必要。[2]

过去，主要探讨BIM技术在桥梁工程项目中的应用，和在理论层面上将BIM技术与桥梁工程项目的各个阶段相结合，还有利用BIM软件在工程建设阶段进行实际建模研究以减少预算。

本文以桥梁工程为工程背景，探讨桥梁工程在应用CATIA软件对桥梁的施工阶段进行三维建模的具体过程，并提出建立合理有效的三维模型的方法和建议。合理有效的三维模型是BIM的应用技术在建设过程中各方面的科学指导，建立合理有效的三维模型可以确保施工质量和施工效率，合理分析工程质量和安全并有助于施工监控，合理有效的三维模型已成为如何建立最大经济效益的前提。

二、CATIA软件介绍

CATIA软件是DassaultSystèmes的先驱，并在产品设计方面处于世界领先地位。CATIA软件拥有统一的用户界面、数据管理与兼容、数据库与应用程序接口、以及创新解决方案的一众优点。由于它具有丰富的智能知识、机械产品设计、有限元分析、NC编程、数字虚拟原型及可以在其他领域广泛使用的强大功能模块，它受到来自航空、汽车和其他诸多领域的用户的青睐。

目前，大多数CAD/CAM软件都具有参数化建模的功能，但有些需要通过软件接口编程实现，这需要开发人员具有很高的编程水平；其中一些不能通过可视化的操作，就需要用户掌握好软件和操作。而CATIA能让用户通过树的视觉特性，使用各种视觉工具来有效地进行三维参数化建模。[3，4]

本文基于桥梁工程施工阶段的建模实践，重点介绍适用于桥梁工程的CATIA软件的三维建模方法。

三、项目的建模方案

合理的桥梁工程三维模型是桥梁工程的基础和前提，其将应用于BIM技术指导、数字信息化建设、建设计划、施工方法与进度的优化及桥梁施工过程中资源的动态管理。合理的桥梁工程三维模型的建立需要以下步骤。

（一）地形地质建模

地形地质模型是基于地形点云，通过处理与优化地形点云，生成三维网络结构，再通过处理三维网络结构后形成地形实体模型。得到地形实体模型后，不同角度之间的切换可以清楚地显示地面波动[5]。这一步的难点在于如何实现AutoCAD信息数据和CATIA数据的交换。为了解决这个问题，该项目开发了一个CATIA软件数据接口，并开发了一个数据转换插件以实现AutoCAD和CATIA的数据交换。立体的地形地质模型将适用于BIM应用的后期，可满足获取地质开挖面、切割地质开挖体、计算开挖和开挖挖掘侧的数据，及切割地质剖面的垂直和水平部分的需要。

（二）橋梁模型的总体设计

CATIA不仅具有系统定义的参数，还具有用户定义的参数。设计师可以通过以下方式轻松自定义如荷载、约束等各种参数和公式，也可以自定义用户定义的参数和公式。其中，用户定义的公式是建立在联系系统参数和CATIA中的用户参数之间的。在定义用户参数之后，设计人员可以为相应的特征参数设置相应的公式的3D模型，以便通过用户参数驱动系统参数，然后控制图的实际大小[4]。通过该方案可以很容易地解决使用CAD软件建立偏斜30°T梁难的桥梁设计问题。为了确定模型建模基础的正确，需要通过真正的桥梁结构准确地对接坐标，确保模型信息和施工现场数据准确无误。也可以使用CAD软件的三维曲面建模功能，以实现曲线外缘的边缘光束宽度随边缘线的变化而变化。根据以上设计原则来建立模型，一方面可以提高模型的准确性，另一方面可以由用户直接查询模型坐标来指导施工。

（三）组件设计

桥梁工程中的主要构件一般包括有主梁、连接构件、支撑、基础、连接节点、桥面板、及辅助设备等。因此，在BIM建模之前，桥梁的主要结构需要与桥梁施工方法相结合，桥梁的主要组成部分都要根据设计组件的图纸进行建模。虽然CATIA软件有汇编功能，但它以现有汇编功能对桥梁组件之间的相对位置关系定位还是非常不方便的。对桥梁组件之间的相对位置关系进行定位，首先需要对该项目设计桥梁线的控制信息及空间的控制点进行确定，然后参考这个信息进行建模，最后直接组合成整个结构。

在深入熟悉设计图纸后，本文重点介绍具有简单支撑的倾斜梁的T梁的结构的建模。在桥梁工程中超级副本的高效快速建模过程中，大多数组件都是结构构件，而且大多数构件也都不是标准组件。所以，在特定的桥梁项目中，通常会出现较大的差异并且还具有一定子元素的变化。[5]因此，在建模项目中，进行分析组件的类似结构特征，提前将零件嵌入这些组件中，然后通过提取相关装配信息，在装配过程中使用相同类型的组件时，就可以通过创建模板进行超级复制，并选择instantiation命令，用于创建相同类型的其他组件，以实现装配关系重复定义，这样可以确保建模准确性并提高建模效率。

四、结语

本文重点研究了基于CATIA软件进行构建三维模型的一般思路，和探究了在CATIA软件中知识工程模块中可使用的可视化工具及方法。其中，划分和建立BIM的组件的方法決定了它的便利性，同时也取决于项目相关数据的准确性。所建模型要与后续施工阶段的进展一致，对质量和安全问题需要更加准确的跟踪。只有一个符合施工过程的合理模型，才能对施工阶段的后续进展，和质量安全问题进行更加合理的跟踪和准确的监控，所以通过正确的建模方法，结合相关理论进行建模对于BIM的实际应用及扩展研发都意义重大。

【参考文献】

[1] Gao Jing-jing， Zou Jun-zhen， Zhang Jin-yue. Application of BIM Technology in Bridge Construction[J]. Western China Communications Science & Technology， 2016（1）.

[2] Wang Bin. Research On The Application Of Building Information Modeling In Bridge Engineering[D]. Nanjing， Southeast University， 2015.

[3] Huang Jun-xuan， Zhang Lei， Ye Yi. 3D Modeling Method of Large Bridge based on CATIA[J].Journal of Information Technology in Civil Engineering and Architecture， 2012（4）：51-55.

[4] Chen Jing-xin，Xu Jing，Lu Guo-min， et al. Three dimensional parametric modeling method based on CATIA and its application[J]. Journal of Machine Design， 2003， 20（8）：48-50.

[5] Du Xiao， Ren You-feng， Shang Anfan. Application of 3D CATIA in Design of Cable-stayed Bridge with Unequal Span[J].Northwest Hydropower， 2016（3）