滬昆客專北盤江特大橋BIM應用研究

■ 楊詠漪 徐勇 陳列

滬昆客專北盤江特大橋BIM應用研究

■ 楊詠漪 徐勇 陳列

橋梁業與建筑業相比，具有與地形地質結合緊密和二維出圖更為復雜等特點，BIM技術在橋梁領域的應用國內外尚處于起步階段。以滬昆客專北盤江特大橋為工程背景，采用達索平臺建立全橋BIM模型，并對BIM技術在設計、施工和運營方面的應用進行了探索性研究。

橋梁工程；建筑信息模型；全壽命管理

信息技術已經為制造業、電子業等行業帶來了革新性的變化，而BIM技術作為建筑業信息革命的核心，已經領導建筑業開始一場繼CAD技術革命后的又一場技術革命[1]。不久的將來，建筑業的生產效率必將在BIM技術的帶領與支持下得到極大提高，建筑生產方式也將隨著BIM技術的應用及普及發生革命性的變化[2]。以主跨445 m的滬昆客專北盤江特大橋為工程背景，對BIM技術在設計、施工和運營方面的應用進行探索性研究。

1 工程概況

北盤江特大橋是滬昆客專的控制性工程，建成后將成為世界上最大跨度的鋼筋混凝土拱橋之一。該橋在貴州省關嶺縣和晴隆縣之間跨越北盤江，主橋為445 m上承式鋼筋混凝土拱橋，梁部孔跨布置為1-32 m+2-65 m T構+8-42 m連續梁+2-65 m T構+2-37 m連續梁[3]。北盤江特大橋效果圖見圖1。

2 BIM在設計中的應用

北盤江特大橋造型復雜，拱圈為變高、變寬和空間扭曲的外包混凝土勁性骨架箱形結構，其中拱軸線為懸鏈線，拱軸系數為1.6。拱圈中心跨度為445.00 m，矢高100.00 m。拱圈為單箱三室、等高度、變寬度箱體，高度9.00 m，拱頂315 m段為18.00 m等寬，拱腳65 m段為18.00～28.00 m變寬，拱圈變寬由左右兩個邊室的寬度變化來實現。拱箱中間箱室為9.80 m，左右兩個邊箱室為3.50～8.50 m變寬。

2.1 構建三維協同設計平臺

圖1 北盤江特大橋效果圖

北盤江特大橋涉及測繪、線路、地質、橋梁、隧道、軌道和路基等多個專業，需要建立統一的設計環境，并能對三維模型和零件進行有效管理。因此，利用ENOVIA

VPM構建三維協同設計平臺（見圖2），實現了項目數據可視化管理、完整變化的設計上下文環境、支持參考已有的設計數據、設計知識模板重用、關聯設計關聯、系統即時通知、設計任務轉移、CATIA應用性能提升、離線設計和數據共享安全等目的。

2.2 地形、地質建模

地形和地質建模是一個復雜的問題，開發了AutoCAD轉換插件，生成了CATIA能識別的點云文件，利用CATIA的逆向功能模塊構建了復雜地形、地質和水文實體。圖3是在3DVia Composer中采用爆炸視圖方式輕量化展現的地形、地質和水文實體。

2.3 三維參數化建模

針對北盤江特大橋的結構特點，構建參數化模板庫，利用知識工程將幾何變形、邏輯關系和外部輸入條件封裝在模板中，采用先進的骨架式建模思想，建立全橋模型骨架，通過模板實例化實現構件在三維空間的精準定位和自適用變形設計，并利用知識工程的黑盒功能對模板進行封裝，從而有效保護了設計人員的知識產權[4]。三維參數化建模見圖4—圖6。

2.4 二維出圖

將指定的三維模型在二維工程圖上投影、剖切并添加特定標注構建出二維工程圖模板，再使其與三維模型相關聯，從而快速生成二維工程圖。

2.5 工程量統計

圖2 三維協同設計平臺

圖3 地形、地質和水文輕量化展示

圖4 部分三維參數化模型及模板

圖5 節段勁性骨架輕量化展示

圖6 最大施工階段模型

CATIA的BOM表統計功能只能對零件級別進行工程量統計，針對這種情況，采用CAA[5]開發了CATIA工程量統計插件，該插件對產品樹下的零件和實體進行遍歷統計，并定制了工程量輸出表格。

2.6 干涉及碰撞檢查通過碰撞檢查功能，可以檢測構件的接觸和碰撞問題（見圖7），從而實現結構的數字化預拼裝。

2.7 橋墩實體分析

利用CATIA的分析模塊，實現CAD與CAE的一體化。以交接墩為例，進行背索優化分析（見圖8），計算結果表明根部背索可以優化。

2.8 海量數據管理

北盤江特大橋的BIM模型數據量超過4G，模型文件總量超過1萬個，利用VPM（見圖9）采用如下方式減少了計算機資源消耗，可以使全橋模型在筆記本電腦上運行：（1）高速緩存模式后臺實現模型輕量化；（2）上下文追加方式快速構建設計環境；（3）實時數據卸載減輕計算機負擔。

2.9 數據命名規則

通過北盤江特大橋三維設計BIM應用，初步制定了橋梁專業結構樹、模板和文件命名規則。圖10為18位橋梁專業結構樹命名規則，表1為文件后綴命名規則。

圖7 節段勁性骨架的干涉及碰撞檢查

圖8 交界墩背索優化分析

3 BIM在施工中的應用

3.1 制造一體化

利用NC加工模塊在BIM三維設計模型上添加加工制造信息，可以生成數控加工程序，并直接被數控加工設備識別使用。具體可以分為7個布置，制造一體化流程見圖11。

圖10 結構樹命名規則

表1 文件后綴命名規則

圖11 制造一體化流程

（1）建立三維數模：數控加工技術一般都是從零件模型開始，因此零件三維模型是整個數控加工的基礎。

（2）加工工藝分析：主要分析零件加工工序、使用刀具、切削速度、主軸轉速等。

（3）工藝模型檢查。

（4）添加加工參數：加工參數主要包括加工對象、機床參數、加工操作、加工刀具、進退刀路徑、刀具路徑等。

（5）生成加工刀路：設置生成加工的刀路。

（6）刀路仿真：刀路仿真可以模擬刀具切削過程，在刀路仿真中，可以檢查出切削情況，是否有過切或加工不到位，還可以對加工余量進行分析。

（7）生成數控程序：CATIA V5提供強大的數控編程模塊，可以將刀路輸出為標準格式數控程序，這些數據可以直接輸入到數控設備中進行數控加工。3.2 施工模擬

北盤江特大橋施工步驟特別多，全橋共211個施工階段，采用DELMIA和Composer對龍門吊預拼裝桿件、吊裝輔助定位、焊接、勁性骨架節段吊裝、拱圈外包混凝土和T構掛籃施工等進行模擬，并通過DELMIA實時仿真，檢查施工工序中不合理的地方。

4 BIM在運維中的應用

基于物聯網技術初步構建了橋梁工程管理系統，該系統以橋梁BIM模型為核心，將遠程訪問控制、模型管理、信息查詢、文檔管理、傳感器數據傳輸、施工控制、運營維護集為一體。系統整體架構流程見圖12，主要采用如下架構方式：

圖12 系統整體架構流程

（1）整個系統主要基于微軟.NET架構進行開發，通過.NET架構實現后臺數據服務及系統前端的應用，以實現適用于Windows平臺的大型工程三維展示及BIM信息管理功能。系統基于C/S架構，對大型三維場景應用會有更好地支持并對BIM信息數據進行更有效地展示。

（2）系統主要使用Microsoft SQL Server作為數據庫，該數據庫除了能夠對大量數據進行處理外，對Windows平臺下的應用也具有更好地支持。系統的設計同樣支持Oracle等大型數據庫。

（3）對于三維模型的顯示，系統主要選用了能夠支持精確化的CAD三維模型顯示控件，能夠支撐從大型工程場景到精確化零部件展示的各個顯示級別。該顯示平臺本身也支持從CATIA三維BIM模型的直接導入，導入后的模型也包含了BIM模型本身的三維輪廓信息等重要數據。

系統客戶端設計主要采用模塊插件式的開發，每個功能作為一個獨立應用模塊，結構權限模塊的管理，實現分用戶角色、用戶權限加載應用模塊。后續新功能的開發也可以通過插件式架構方式接入到系統中。圖13是橋梁工程管理系統的程序界面。

圖13 橋梁工程管理系統程序界面

5 結論

通過BIM技術在北盤江特大橋設計、施工和運營中的應用，實現了該橋的全生命周期管理，可以得出以下結論：

（1）三維參數化設計與傳統二維設計相比，可以更為快速地構建全橋勁性骨架模型；

（2）采用ENOVIA VPM可以有效管理海量設計數據，并實現不同專業間的協同設計；

（3）通過干涉碰撞檢查可以即時發現設計中不合理的地方；

（4）基于.NET開發的橋梁工程管理系統可以有效進行橋梁模型信息查詢、施工控制及運維管理。

[1] 陳訓.建筑工程全壽命信息管理（BLM）思想和應用的研究[D].上海：同濟大學，2006.

[2] 洪磊.BIM技術在橋梁工程中的應用研究[D].成都：西南交通大學，2012.

[3] 謝海清.北盤江特大橋鋼管混凝土勁性骨架設計專題研究報告[R].成都：中國中鐵二院工程集團有限責任公司，2012.

[4] 張云杰.CATIA V5 R20高級應用[M].北京：清華大學出版社，2011.

[5] CAA V5 Encyclopedia.Dassault Systems[S]，2011.

楊詠漪：中國中鐵二院工程集團有限責任公司，高級工程師，四川 成都，610031

徐 勇：中國中鐵二院工程集團有限責任公司，教授級高級工程師，四川 成都，610031

陳 列：中國中鐵二院工程集團有限責任公司，教授級高級工程師，四川 成都，610031

責任編輯高紅義

U24

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1672-061X（2014）05-0054-05