地鐵高架橋梁BIM應(yīng)用研究

■ 楊詠漪 劉發(fā)明 孫大力

地鐵高架橋梁往往在城市內(nèi)穿越，結(jié)構(gòu)物與市政道路、地下管網(wǎng)和周邊建筑物的關(guān)系非常復(fù)雜，在三維空間內(nèi)建立地鐵高架橋BIM模型進(jìn)行碰撞檢查、環(huán)境評價(jià)及后期運(yùn)維管理有很大意義。

目前，二維圖紙是橋梁專業(yè)的習(xí)慣交付成果，二維出圖方式與建筑業(yè)相比更為復(fù)雜，加之橋梁設(shè)計(jì)與線路、地形和地質(zhì)結(jié)合緊密，很多地方二維圖紙表達(dá)方式更為明晰。如何利用二維和三維程序的優(yōu)勢并將二者有機(jī)結(jié)合在一起是一個(gè)值得探索的問題。以深圳地鐵6號線高架橋梁為背景，針對橋梁梁片曲線布置的特點(diǎn)，分別以AutoCAD和CATIA為平臺編寫二次開發(fā)程序，實(shí)現(xiàn)了快速的二維設(shè)計(jì)和三維建模功能，程序之間通過共享數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

1 線路平曲線

地鐵中心線是一條空間線，其在平面上的投影稱為平面線。平面線通常由三部分組成：直線、緩和曲線、圓曲線。圓曲線是具有一定曲率半徑的圓??；緩和曲線是在直線與圓曲線之間設(shè)置的曲率連續(xù)變化的曲線。在我國地鐵中一般采用三次拋物線來設(shè)置緩和曲線（見圖1）。

圖1中，JD為線路交點(diǎn)；HZ、ZH、HY、QZ、YH、HZ為曲線主點(diǎn)。JD即為鐵路兩直線相交的點(diǎn)；ZH是直緩點(diǎn)，是按線路前進(jìn)方向由直線進(jìn)入緩和曲線的分界點(diǎn)；HY是緩圓點(diǎn)，是按線路前進(jìn)方向由緩和曲線進(jìn)入圓曲線的分界點(diǎn)；QZ是曲中點(diǎn)；YH是圓緩點(diǎn)，是按線路前進(jìn)方向由圓曲線進(jìn)入緩和曲線的分界點(diǎn)；HZ是緩直點(diǎn)，是按線路前進(jìn)方向由緩和曲線進(jìn)入直線的分界點(diǎn)。

1.1 直線段坐標(biāo)計(jì)算

直線段中樁坐標(biāo)計(jì)算公式如下：

圖1 線路平曲線要素

式中：Ai-1，i為路線導(dǎo)線JDi-1至JDi的坐標(biāo)方位角；Di為樁點(diǎn)至HZi-1點(diǎn)的距離，即樁點(diǎn)里程與HZi-1點(diǎn)里程之差；XHZi-1、YHZi-1為HZi-1點(diǎn)的坐標(biāo)；XJDi-1、YJDi-1為JDi-1點(diǎn)的坐標(biāo)；THi-1為切線長。

1.2 緩和曲線段坐標(biāo)計(jì)算

帶對稱緩和曲線段（見圖2）中樁坐標(biāo)計(jì)算如下。

曲線測設(shè)元素算式[1]：

緩和曲線段切線支距坐標(biāo)算式（兩段緩和曲線分別以ZH、HZ點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)）[2]：

緩和曲線段統(tǒng)一坐標(biāo)算式：

1.3 圓曲線段坐標(biāo)計(jì)算

圓曲線段切線支距坐標(biāo)算式[3]：

圓曲線段統(tǒng)一坐標(biāo)算式：

2 線路豎曲線

沿著線路中線豎直剖切得到的剖面即為縱斷面?？v斷面設(shè)計(jì)線主要由直線和豎曲線組成（見圖3）。

2.1 直線段高程計(jì)算

直線段高程計(jì)算公式比較簡單，可以通過坡度和里程之間的關(guān)系來計(jì)算。

2.2 豎曲線段高程計(jì)算

圖3中，坡度轉(zhuǎn)折角ω1=i1-i2，ω1為正時(shí)表示凸形豎曲線，ω1為負(fù)時(shí)表示凹形豎曲線。像平面曲線一樣，豎曲線測設(shè)元素（見圖4）計(jì)算公式如下。

（1）豎曲線幾何要素計(jì)算：

圖2 帶對稱緩和曲線的圓曲線

圖3 豎曲線示意

圖4 豎曲線幾何要素

ω=i1-i2，L=Rω，

（3）豎曲線上任意點(diǎn)設(shè)計(jì)標(biāo)高的計(jì)算。

①計(jì)算切線高程：H1。

②計(jì)算設(shè)計(jì)標(biāo)高：H=H1±y。

3 基于AutoCAD的二次開發(fā)程序

地鐵高架橋梁片平面布置與大鐵梁片平面布置原則有較大區(qū)別。首先以曲線里程確定梁縫中心里程，并且相鄰梁片保持等梁縫，這樣《橋梁設(shè)計(jì)通用資料》上的梁片曲線布置方法不再適用?；谧鴺?biāo)法推導(dǎo)了地鐵高架橋梁布置算法，算法基于以下原則：（1）梁片工作線平分曲線中矢（采用二分法確定）；（2）同一橋墩上兩孔梁梁端偏距E取大值；（3）橋墩中心線向曲線外側(cè)偏移E值。

A u t o C A D在二維繪圖方面有很強(qiáng)優(yōu)勢，以AutoCAD 2012為平臺，采用C#語言在VS2010環(huán)境下編寫了二次開發(fā)程序。該程序直接讀取中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司線路數(shù)據(jù)庫，根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)原則，利用數(shù)據(jù)庫自動(dòng)確定梁型、墩形、墩高及基礎(chǔ)形式。二維設(shè)計(jì)流程見圖5。

3.1 程序界面

程序基于Framework.net 4.0框架編寫，界面友好便于輸入和查看各種橋墩和梁片幾何信息（見圖6）。

3.2 程序成果

程序主要用于繪制施工圖必不可少的橋梁總體布置圖、梁片平面布置圖、樁位坐標(biāo)表和梁片平面布置表。

4 基于CATIA的二次開發(fā)程序

由于梁體、橋墩都需要空間定位，手工創(chuàng)建高架橋的三維模型工作非常繁瑣，鑒于二維程序已經(jīng)生成了高架橋梁各種參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，嘗試通過三維程序的二次開發(fā)讀取數(shù)據(jù)庫資料快速建立三維模型。

4.1 建立各種構(gòu)件模板庫

CATIA產(chǎn)品知識樣板系統(tǒng)為用戶提供了一種快速建模工具，可以將已經(jīng)定義好的、不管是簡單還是復(fù)雜的模型特征通過交互的方法按新條件重新再現(xiàn)出來。定義的模板不僅包含幾何信息，還將相關(guān)參數(shù)、關(guān)系、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和知識庫包含進(jìn)去[4]。根據(jù)高架橋的特點(diǎn)創(chuàng)建了U形梁、橋墩和基礎(chǔ)模板（見圖7）。

圖5 二維設(shè)計(jì)流程

圖6 二維設(shè)計(jì)程序界面

圖7 高架橋構(gòu)件模板

4.2 CAA二次開發(fā)

Component Application Architecture（CAA）組件應(yīng)用架構(gòu)是Dassault Systemes產(chǎn)品擴(kuò)展和客戶進(jìn)行二次開發(fā)的強(qiáng)力工具。CAA采用組件對象模型（COM）和對象的連接與嵌入（OLE）技術(shù)。COM作為一種軟件架構(gòu)具備了更好的模塊獨(dú)立性、可擴(kuò)展性，使CAA的程序設(shè)計(jì)更加容易且趨于標(biāo)準(zhǔn)化，而且程序的代碼更加簡潔明了。在CAA架構(gòu)的支撐下，Dassault Systemes系統(tǒng)可以像搭積木一樣建立起來，非常有利于系統(tǒng)的壯大和發(fā)展[5]。

地鐵高架橋三維建模程序與二維程序共享數(shù)據(jù)庫，程序讀取二維設(shè)計(jì)成果，數(shù)據(jù)庫自動(dòng)在三維空間內(nèi)進(jìn)行模板的實(shí)例化并通過發(fā)布的參數(shù)在構(gòu)件間建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。用戶可以在三維空間內(nèi)方便地調(diào)整橋墩尺寸、基礎(chǔ)布置形式和進(jìn)行工程量統(tǒng)計(jì)，并將新的模型反饋到成果數(shù)據(jù)庫中供二維設(shè)計(jì)程序使用，從而實(shí)現(xiàn)二維和三維的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)。三維建模流程、三維程序界面和成果見圖8、圖9。

圖8 三維建模流程

圖9 三維程序界面和成果

5 結(jié)論

針對地鐵高架橋的特點(diǎn)，分別基于AutoCAD和CATIA編寫了二次開發(fā)程序，采用共享數(shù)據(jù)庫的方式實(shí)現(xiàn)了地鐵高架橋梁的二維和三維關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，得出以下結(jié)論：（1）傳統(tǒng)二維圖紙對橋梁結(jié)構(gòu)的幾何尺寸表達(dá)更為直接明了，是必不可少的，通過AutoCAD二次開發(fā)可以極大提高設(shè)計(jì)效率；（2）三維模型是BIM應(yīng)用的基礎(chǔ)，通過CATIA二次開發(fā)可以快速構(gòu)建三維模型；（3）二維和三維程序各有優(yōu)勢，必須相結(jié)合才能更好地滿足設(shè)計(jì)需要。

[1] 李遠(yuǎn)富．線路勘測設(shè)計(jì)[M]．北京：高等教育出版社，2004．

[2] 何景華．公路勘測設(shè)計(jì)[M]．北京：人民交通出版社，1985．

[3] 張志清．道路勘測設(shè)計(jì)[M]．北京：科學(xué)出版社，2005．

[4] 張?jiān)平埽瓹ATIA V5 R20高級應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2011．

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