基于 CATIA 的桥梁 BIM 参数化建模技术研究及应用

廖 林，周应华，瞿 浩，景 磊

（中铁二局集团勘测设计院有限责任公司，四川成都 610031）

目前建筑信息模型（BIM）技术已广泛应用于建设工程的设计、施工和运维各个阶段，尤以轨道交通应用为热点。广州市轨道交通建设单位已对所有在建项目进行了BIM应用要求，对模型的细度也进行了统一规定，不仅满足建造阶段的要求，更为运维阶段的数字化管理做好基础准备。在轨道交通工程建设过程中，针对桥梁工程中大量出现箱梁节段集中预制、现场拼装的施工模式，如何结合该类工程标准化程度高、部件可参数化的特点进行高效的建模具有重要的现实意义。

BIM应用的基础在于模型的创建，要提升建模速度和质量，参数化和程序化是有效的途径。根据桥梁工程特点及当前行业情况，应用较广泛的有欧特克公司的revit和达索公司的CATIA 2套软件体系。revit解决方案是创建参数化族，通过节点开发插件dynamo编写桥梁路径程序及参数化族参变控制程序，将可参变族放置在路径中，同时对可参变族进行参数化控制。该技术在盾构管片、连续钢构、装配式建筑预制构件、建筑幕墙等工程中得到了应用，可解决有一定相似性和重复性的建模工作，但在模型创建方面需要基于revit的模型创建规则，存在revit关联参变难度大等问题，此外，对于有些特殊结构，无法创建满足要求的族文件；在程序开发方面，revit受限于dynamo已有节点限制，无法快速创建需要的节点程序[1-8]。CATIA一直以基于参数化的空间点、曲线、曲面等要素建模能力而闻名，其功能模块全面，已广泛应用于特大桥、框架结构、拱桥、简支T型梁等工程设计中[8-16]，可较好解决大型复杂异形结构划分、构件参数化建模、模型组装等问题。

通过上述分析，本文认为CATIA更适合线性工程下复杂曲线的建模，对基于CATIA的桥梁参数化建模技术进行了研究，制定了“工程模板和工程骨架”的装配式快速建模方案，其快速高效的建模特点在工程实例应用中得到证明。

1 CATIA 参数化建模特点

CATIA V5是法国达索系统公司提供CAD/CAE/CAM的一体化软件，提供产品从概念设计到最终产品成型的全套技术解决方案；具有强大的三维设计和参数化建模能力，可实现部件模型全尺寸约束，全参数设计修改，全数据驱动和更新。应用其参数化能力可对部件模型进行反复设计、编辑和修改，其参数化特点如下。

（1）自定义参数：用户可根据需求自定义建立各种类型参数。

（2）全尺寸约束：在模型绘图中，对每个单元图形尺寸进行约束标注，不能遗漏标注；通过对图形的全尺寸约束实现控制几何图形的变化。

（3）参数驱动尺寸修改：参数化建模以图形进行完全约束为基础，将参数与标注尺寸进行关联，实现参数驱动标注尺寸进行图形变化。

（4）数据关联：图形在全尺寸约束状态下，修改参数可实现其他与之相关约束尺寸进行自动更新。

（5）结构树：自上而下的设计理念，对参数设置和修改的绘图过程在结构树上均有记录，便于修改绘图过程中的模型参数。

（6）参数化模板：知识工程模块提供了标准化程度高、复用性强的零件进行参数化、模板化设计。

2 基于 CATIA 桥梁参数化建模方案

在CATIA V5中利用其强大的参数能力，通过工程模板和参数化模型创建相结合的方式，实现桥梁工程建模的快速应用。在CATIA V5中工程模板分3种，分别为知识工程模块中的“超级副本”“用户特征”和“文档模板”。其特点为调用专业的、标准的参数化构件模板进行复用，通过控制输入构件（输入构件是选定构件的画图基准）和输出构件（要复制的模板）之间关系，调整模板内部尺寸参数，实现桥梁工程参数化模板的装配式三维建模。后期利用模板与宏代码及二次开发相结合，实现专业自动化建模的目的。其建模方案如图1所示。

图1 参数化建模方案

2.1 桥梁结构建模方法

利用CATIA零件设计、创成式外形设计模块中的草图设计功能完成不同种桥墩、桥梁类型的草图轮廓设计，设计人员在绘制轮廓的过程中建立相应轮廓的尺寸控制参数，实现参数关联图形并驱动。桥梁按用途可分为公路桥、铁路桥、公铁两用桥等。桥墩结构从下而上可分为桩基、承台、墩身、盖梁等细部构件，不同种类型的桥墩细部结构有所不同。在绘制桥梁工程模型前，应结合道路桥梁专业知识及特点对桥梁工程结构进行分析，首先制定符合项目BIM三维模型设计过程的实施方案，再制定各专业构件模型的建模实施标准，确保参数化三维模型输出成果能够在项目中形成数据传递、引用和数据联动。

2.2 参数化模型创建

以铁路高架桥墩、箱梁为例，基于CATIA零件设计模块或者创成式外形设计模块展开桥墩、箱梁二维草图设计，草图绘制完成后对轮廓进行尺寸约束使草图轮廓处于完全约束状态，并退出草图绘制图形界面回到三维模型创建图形界面，进行桩基、承台、墩身、梁体等结构的草图轮廓拉伸、旋转、复制、偏移等基础建模操作，生成三维实体模型，如图2、图3所示。

图2 桥墩实体模型

图3 箱梁实体模型

2.2.1 模型参数和公式创建（参数化母版模型）

在基础模型设计过程中需通过f（x）公式编辑器创建桥墩、箱梁实体模型的长、宽、高、桩基半径等尺寸参数，将模型的尺寸参数以用户自定义参数的形式表达，如图4所示，通过尺寸公式编辑将模型参数与草图轮廓、三维模型尺寸进行参数关联，实现用户通过参数驱动控制模型的尺寸变化。

2.2.2 参数化曲线要素（骨架设计）

在CATIA中新建一个零件（Part），利用草图设计界面绘图功能结合道路桥梁专业知识进行道路桥梁平曲线要素的参数化骨架设计，包含曲线半径（R）、缓和曲线长（LS）、圆曲线长（L）、切线长（TL）、外距（EL）、直缓点（ZH）、缓直点（HZ）、圆缓点（YH）、缓圆点（HY）等主要技术参数。

骨架设计为工程模型装配的重要基础，在骨架设计过程中先将平曲线进行特征输出和发布，再基于发布元素进行桥墩中心控制点坐标设计，为各专业参数化模型布置提供尺寸、坐标定位、骨架引用的设计框架。实现设计人员以参数化骨架模型为基础，快速、直观、准确的开展桥梁各专业模型装配、协同、变更设计。参数化骨架模型如图5所示。

2.3 模板定义

基于以上参数化建模过程，图形尺寸与构件模型具有对应的用户参数，因此可通过修改用户参数实现图形的变化。形成参数化模板所需的母版模型后，需要进行模板设计，具体操作是点击“开始”→“知识工程模板”→“产品知识模板”；利用产品知识模板中的“超级副本”“用户特征”和“文档模板”3种方式将创建的参数化母版模型输出为标准化模板模型。

3种模板输出方式应结合BIM项目技术方案、成果应用需求和工程结构特点等进行选择。在桥梁工程中主体分上部结构和下部结构，适用于选用结构并列关系的方式进行模板输出和结构管理。3种模板输出方式的区别如下。

（1）“超级副本”和“用户特征”2种模板定义方式及使用方法相同，都能在一个产品（Product）里和Part里（Product/Part都可以双击选中）进行参数化模板调用，生成的模型可以是并列关系，也可以是父子级关系。其中“超级副本”显示的是整个模板模型，包含辅助的平面和设计草图；“用户特征”显示的只是模型成果，不含设计过程，没有其他辅助平面和设计草图。

（2）“文档模板”区别于前2种方式，只能在Product（双击选中）环境下导入单独的Part；生成的模型只能是并列关系，不能是父子级关系。以文档模板方式调用模板生成的模型包含母版模型整个设计过程。

图4 模型参数定义

图5 参数化骨架模型

以箱梁为例，“超级副本”“用户特征”和“文档模板”定义流程如下：选定模型（要复制的模板）和输入条件（定位），模板与输入条件之间存在因果关系，输入条件是选定模型的画图基准。超级副本参数化模板创建用户定义如图6所示，用户特征模板定义如图7所示，文档模板用户定义如图8所示。

图6 超级副本用户定义

图7 用户特征模板定义

图8 文档模板用户定义

2.4 模板调用快速建模

在CATIA装配设计模块中结合项目设计方案建立完善的Product目录结构树，鼠标选中Product结构树并右键选择“部件”→“具有定位的现有部件”的方式导入参数化平曲线骨架模型文件。导入骨架模型文件后将工作界面切换到“知识工程模块”→“产品知识模板”中，运用“从文档实例化”功能从模板库中调用桥墩、箱梁等专业参数化模板进行三维模型装配式快速建模，如图9、图10所示。

3 应用实例

广州市轨道交通14号线一期工程Ⅱ标（钟落潭站（含）～神岗站（不含））全部为高架，线路全长17.788 km，施工起讫里程 为Y（Z）DK 32+972 ～ Y（Z）DK50+760。该工程桥墩布置多为30 m、40 m等标准跨距，桥梁采用2.4 m节段箱梁预制生产，现场进行预应力安装施工，具有模板化、标准化程度高的工程特点，且全线桥墩、箱梁等专业模型数量大，在BIM技术应用之初，拟定运用参数化快速建模技术完成该工程模型创建工作。首先创建包含桩基、承台、桥墩、盖梁、箱梁、附属设施等多种构件的桥梁参数化项目模板库，通过模板库的应用，成功完成了全线17.788 km桥梁专业模型参数化创建、装配式组装，在各阶段应用如下。

图9 桥墩参数化模板快速建模

图10 箱梁参数化模板快速建模

（1）设计阶段根据图纸分类创建桥梁上下部参数化模板，在平曲线骨架上进行装配式建模。通过设计图纸分析，对桥梁下部结构、上部结构可参数化的几何信息进行分类整理：下部结构按承台下桩的根数构建3类参数化模板，每类中分别对桩基的间距、长度、直径，承台的长宽高，墩身的上下截面尺寸等几何信息参数化；上部结构主要依据箱梁节段断面尺寸创建参数化模板，如图11～图15所示。

（2）施工阶段根据设计阶段的参数化三维模型成果，结合工程施工工艺、施工参数资料信息对桥墩和箱梁模型进行拆分细化，以便符合工程施工管理和验收的要求。桥梁、桥墩施工阶段模板拆分如图16、图17所示。

（3）运维阶段以施工模型为基础，基于BIM管理平台集成的施工阶段施工信息（包含进度、安全质量等过程信息和最终实测实量竣工数据），在运营期间开展基于可视化三维模型的空间管理、设备检修等运维应用。运维阶段成果应用如图18所示。

图11 双线预制节段梁I型桥墩

图12 大跨度梁段中墩

图13 车站段M型桥墩

图14 单线预制节段箱梁参数化模板

图15 双线预制节段箱梁参数化模板

图16 桥墩施工阶段模板拆分

图17 桥梁施工阶段模型拆分

图18 运维阶段成果应用

4 结语

本文通过梳理桥梁工程在设计、施工、运维各阶段的数据资料和桥梁布置规则，建立了基于CATIA的桥梁参数化建模技术方案，并成功将该技术方案应用于广州市轨道交通14号线一期轨道工程Ⅱ标，在工程设计、施工、运维各阶段快速生成工程模型，使桥梁工程建模周期缩短至原来的25%，极大地提高了项目BIM工作效率。下一步作者将继续开展基于参数化模板模型与专业知识相结合的正向三维设计研究，同时希望本论文成果可为类似工程提供参考。