基于BIM技术的整孔预制简支箱梁精准架设模拟

（河北科技学院 汽车工程学院,河北 保定 071000）

0 引言

目前，国内的施工现场在整孔预制简支箱梁的架设施工阶段，通常会采用现场量测的方法得到每座桥梁所有成品梁的实际长度，然后再与其相对应的设计长度作比较得出偏差值，由此计算出每个梁缝的实际宽度。对于实际宽度与设计宽度偏差超过规范允许误差值的梁缝，可以通过调整前一跨或多跨成品梁的纵向位置，或调取其它孔跨符合要求的相同类型成品梁来消除预制长度偏差，从而避免梁缝大小不均或超出规范允许值的情况出现。但此种方法忽略了支承垫石上锚栓孔的相对位置关系，导致在成品梁实际架设过程中，经常会出现落梁时才发现支座锚栓无法顺利进入锚栓孔的情况，此时需要重新提梁对锚栓孔进行人工扩凿后再重新落梁，消耗了大量的人力、物力和财力。因此如何提高架梁精度、加快架梁速度、减少在架梁过程中因锚栓孔与支座上的锚栓对接不上而重新落梁的问题，是目前困扰铁路桥梁架设的一个难题[1-3]。为解决上述问题，本文利用BIM技术对整孔预制简支箱梁精准架设数据进行了事先模拟，预先得出所有待架梁体的最优架设顺序，提前处理施工阶段可能出现的梁缝不均、落梁困难、锚栓孔位置不准确等各种问题，提高架梁施工的工作效率[4]。

1 基于BIM技术的整孔预制简支箱梁精准架设模拟

1.1 BIM模型建立

为了验证本文中整孔预制简支箱梁精准架设系统的可行性和实用性，针对某高速铁路客运线路中简支箱梁桥具有里程长、桥墩类型不唯一且部分桥墩构造较为复杂的特点，本文应用BIM技术建立了简支箱梁桥BIM模型，为后续应用Navisworks软件进行桥梁碰撞检测提供BIM模型。

1.1.1 Revit软件介绍

Autodesk Revit软件是美国Autodesk公司旗下的BIM核心建模软件，主要应用于建筑工程领域，用户可以用其强大的参数化建模功能构建工程项目的BIM模型，而且还可以极为便捷地生成二维的平面施工图[5-6]。正是由于其强大的参数化建模功能，使它成为目前为止国内施工最广泛的三维参数化建筑设计软件，成为各设计企业提高设计效率的首选。故本文选用Revit软件进行桥梁BIM模型构建，应用的软件版本是Autodesk Revit 2017版本。

1.1.2 BIM模型建立流程

在Revit软件中创建BIM模型时，要遵循“由整体到局部”的原则，由整体出发，逐步细化。在利用Revit软件构建桥梁模型的过程中，需要添加构件参数，并建立参数间相互制约关系。做到改动一个参数，全局相关参数相应改变，这就是参数化建模方式。Revit软件具有独立性和相关性兼备的特性，即对建筑物中的某个单元构建的属性参数进行修改时，BIM模型就会根据修改内容对建筑构件进行更新以满足新的需求[7]。

本文因篇幅有限，仅以简支箱梁模型的建造过程为例，简要概述利用Revit软件构建BIM模型的步骤，如下所述：

（1）绘制族轮廓。Autodesk Revit 2017提供了6个样板用于创建轮廓族。轮廓族是可用来生成几何图形的二维的闭合形状，可以单独或者组合使用，也可以同时应用于项目环境或标准族编辑器中。本文中的简支箱梁的模型轮廓选择的样板是公制轮廓，该样板用于创建在项目文件中进行主体放样的所有轮廓族。在参照标高平面按照截面的尺寸布置好参照平面，将箱梁的截面轮廓按照参照线绘制成形（如图1），选择“轮廓用途”为常规。

图1 绘制族轮廓

（2）梁截面的参数设置。利用BIM软件构建三维模型的一大优势就是可以对模型进行参数驱动。通过对参照平面的约束添加相应的参数，并将模型线锁定在参照平面上，设置好轮廓族的各个参数。参数对于族来说非常重要，正是有了参数来传递信息，族才有了强大的生命力。所以，设置的参数数量越多，所建模型的适应性也越好，可调空间也越大，但是考虑到所用计算机的硬件水平、各个构件之间复杂的约束关系以及工作量，参数的选取要具有代表性和通用性。本文中对简支箱梁构建的过程中选取的参数主要有箱梁顶板宽度、厚度、宽度；箱梁底板宽度、厚度、宽度；梁高、梁长等，如图2所示。

图2 梁截面的参数设置（单位：mm）

确定好相关参数后，接下来需要建立各参数间的逻辑关系，用以实现三维模型的参数化设计。在族编辑器中编写“族语言”，即通过编写公式和条件语句的方式，将之前定义的控制单元体的各参数关联起来，使单元体随某一方参数的改变，与之相对应的其他参数也随之发生改变，从而实现通过参数的变化驱动轮廓族的变化。最后将轮廓族保存并且载入到新建的公制结构框架-梁和支承族样板中。

（3）选择族样板。Autodesk Revit软件提供的族样板从分类、功能、使用角度提供给用户丰富的选择。但是，如果选取了不恰当的样板，也会出现使构建步骤变复杂、功能受限等问题。选择族样板最重要的一个原则就是族类别的确定，而简支箱梁属于族类别中的结构框架，且构建的简支箱梁模型加载到项目中的放置方式属于间接使用式的特殊放置，即可以通过指定起始点和终止点来定义的线性族，所以，要构建简支箱梁模型最终选择的族样板是公制结构框架-梁和支承族样板（如图3）。

图3 选择族样板

（4）构建简支箱梁三维模型。Autodesk Revit提供了五种三维建模方法，分别是拉伸，放样，旋转，融合以及放样融合。考虑到已有简支箱梁轮廓族，故采用放样命令进行三维模型的构建，即先绘制放样路径，再将步骤2中载入的族轮廓添加到放样路径中，完成放样，生成简支箱梁的三维模型（如图4）。

图4 构建简支箱梁三维模型（单位：mm）

（5）关联参数。由于轮廓与梁主体不是在同一个族环境绘制的，两者的参数无法直接关联。所以，需要通过族的嵌套将轮廓的参数关联到三维模型中，从而实现修改简支箱梁的参数来驱动轮廓的参数变化（如图5）。

图5 关联参数（单位：mm）

通过上述步骤，最终构建桥梁模型如图6所示。

图6 整孔预制简支箱梁桥BIM三维模型

1.2 应用Navisworks软件进行分析和检测

为了验证简支箱梁架设优化分析结果，本文在其结果数据的基础上，利用Revit软件对某高速铁路客运线路中简支箱梁桥部分构建了BIM模型，并在Autodesk Navisworks软件里对锚栓孔的实际位置和简支箱梁的架设顺序进行了碰撞检查，以BIM技术提高架梁施工的工作效率。

1.2.1 Autodesk Navisworks简介

Autodesk Navisworks软件是美国Autodesk公司旗下的一款BIM仿真软件。此款软件可以使工程项目的各参与方对设计模型都有一个清楚、详细的掌握，加强了各参与方对项目成果的控制。Autodesk Navisworks系列软件共包含Autodesk Navisworks Manage、Autodesk Navisworks Simulate、Autodesk Navisworks Review、Autodesk Navisworks Freedom 四款软件[8-10]。Autodesk Navisworks Manage软件主要用于工程项目中BIM模型的分析、施工仿真和对建筑信息的全面审阅。故本文主要应用Autodesk Navisworks Manage软件进行桥梁碰撞检查，以BIM技术提高架梁施工的工作效率。

1.2.2 Navisworks碰撞检查

应用Navisworks软件对某高速铁路客运线路中简支箱梁桥部分的BIM模型进行碰撞检查需要以下几个步骤：

（1）导入模型。将整合好的三维模型导入Navisworks软件中，并建立集合，包括箱梁集合、支座集合以及桥墩集合，如图7所示。在Navisworks中进行冲突检测，必须要先创建测试条目，指定参加冲突检测的两组图元，然后再设定冲突检测条件，进行下一步的检测。

图7 导入模型并创建集合

（2）硬碰撞。在冲突检测模块工具窗口中，添加冲突检测项目“锚栓VS锚栓孔”。任何一个冲突检测项目都必须指定两组参与检测的图元选择集。如图8所示，在窗口中显示的“选择A”和“选择B”两个选择树的显示方式由默认的标准方式改成集合方式，并分别在其对应的下拉菜单中选择桥墩集合和支座集合。然后选择检测类型为“硬碰撞”，此类型的碰撞检测是将空间上完全相交的两组图元作为碰撞条件。设置“公差”为0.001 m，表示当两个图元碰撞的距离小于该值时，Navisworks将忽略该碰撞，而此时设置它的意义在于忽略掉两个图元相邻面的相交情况。

图8 锚栓与锚栓孔的碰撞检测

（3）软碰撞。在冲突检测模块工具窗口中，新添冲突检测项目“梁缝VS梁缝”。如图9所示，在窗口中显示的“选择A”和“选择B”两个选择树的显示方式中选择集合方式，并分别在其对应的下拉菜单中都选择箱梁集合。然后选择检测类型为“间隙碰撞”，并设置公差为0.2m，完成后单击“运行测试”进行冲突检测运算。

图9 梁缝的碰撞检测

（4）碰撞结果。通过上述步骤以后，得到了上述两次碰撞检查的结果，如图10所示。结果显示，两次检测结果均不存在碰撞的情况，预先得出所有待架梁体的最优架设顺序，提前处理了施工阶段可能出现的梁缝不均、落梁困难、锚栓孔位置不准确等各种问题，提高了架梁施工的工作效率。

图10 冲突检测的结果

2 总结

传统的架梁方式一般是通过人工测量的方法减少成品梁因预制误差产生的梁缝不均问题，但此种方法忽略了支承垫石上锚栓孔的相对位置关系，导致在成品梁实际架设过程中，经常会出现落梁时才发现支座锚栓无法顺利进入锚栓孔的情况，此时必须要重新提梁对锚栓孔进行人工扩凿后再重新落梁，消耗了大量的人力、物力和财力。针对此种问题，本文提出了基于BIM技术的整孔预制简支箱梁精准架设模拟，结合架梁数据，利用BIM技术进行了三维建模，并利用Autodesk Navisworks软件的碰撞检测模块对架梁数据进行了模拟及校验。实现了在简支箱梁和桥跨进行匹配的同时，也完成了锚栓孔的位置检测，节省了重新提梁过程，缩短了施工工期。