BIM技術(shù)在鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁零號節(jié)段深化設(shè)計中的應(yīng)用

苗永抗

(中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司,天津 300308)

1 概述

近年來，鐵路混凝土連續(xù)梁施工過程中，出現(xiàn)部分質(zhì)量問題，尤其是預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁支座附近出現(xiàn)的混凝土不密實(shí)、蜂窩麻面等問題，一定程度上影響了連續(xù)梁的質(zhì)量，主要表現(xiàn)在以下3個方面[1]：

(1)支座鋼板上方及周邊存在空洞或較大范圍的混凝土松散體；

(2)支座周邊存在局部蜂窩體；

(3)兩側(cè)缺陷，零號塊或邊支段腹板側(cè)面出現(xiàn)明顯的空洞或蜂窩體。

對此，原中國鐵路總公司工程管理中心下發(fā)了《關(guān)于推廣應(yīng)用懸臂澆筑連續(xù)梁相關(guān)施工工藝的指導(dǎo)意見》，明確提出利用BIM技術(shù)，優(yōu)化鋼筋及預(yù)應(yīng)力管道間距，形成由梁面直達(dá)底板的豎向振搗通道，必要時輔以側(cè)模開孔振搗、中隔板過人孔天窗振搗等多孔振搗工藝，保證混凝土振搗密實(shí)。

結(jié)合文件要求，以BIM技術(shù)為依托，研究了如何快速建立預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁零號節(jié)段數(shù)據(jù)模型[2-7]，并在該模型的基礎(chǔ)上，添加預(yù)應(yīng)力、普通鋼筋以及支座預(yù)埋件數(shù)據(jù)，滿足開展深化設(shè)計工作精度要求。深化設(shè)計完成后，直接生成與BIM模型匹配的2D圖紙，滿足施工要求。

研究結(jié)果表明，基于BIM技術(shù)開展連續(xù)梁零號節(jié)段深化設(shè)計工作，能夠更加清晰、便捷的發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的不足，提升設(shè)計質(zhì)量；同時，基于深化完成的BIM模型直接生成2D施工圖、統(tǒng)計工程數(shù)量，實(shí)現(xiàn)BIM正向設(shè)計，提升了設(shè)計效率。研究成果對BIM技術(shù)在同類型橋梁深化設(shè)計中的應(yīng)用起到一定借鑒作用。

2 深化設(shè)計平臺選擇

開展基于BIM技術(shù)的連續(xù)梁零號節(jié)段深化設(shè)計工作，需要建立具備施工圖精度的BIM模型，普通鋼筋作為混凝土單元的一個子集，其建模的便捷性以及對龐大鋼筋數(shù)據(jù)的簡化處理方式是考驗(yàn)BIM軟件的一項(xiàng)重要指標(biāo)，因此，首先通過調(diào)研，對比了幾款常見的BIM平臺，如表1所示。

表1 幾款常見BIM平臺優(yōu)點(diǎn)及不足

綜合考慮以上幾款BIM平臺的優(yōu)點(diǎn)及不足，Tekla以其鋼筋建模的開放性、便捷性以及結(jié)構(gòu)深化設(shè)計上的優(yōu)勢，是目前較為適合開展鐵路連續(xù)梁零號節(jié)段深化設(shè)計的BIM平臺之一。

3 構(gòu)建鐵路連續(xù)梁零號段信息模型

鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁零號節(jié)段通過支座直接與橋墩相連，受力復(fù)雜。為了增加截面的橫向剛度和整體剛度，限制畸變變形并承受部分支撐反力，通常在零號節(jié)段腔室內(nèi)設(shè)置一定厚度的橫隔板。另外，由于中支點(diǎn)位置大噸位支座及支座墊板尺寸要求，通常在零號節(jié)段梁體兩側(cè)設(shè)置混凝土加靴。因此，鐵路連續(xù)梁零號節(jié)段混凝土信息模型應(yīng)由梁體、橫隔板以及加靴3部分組成。如圖1所示。

圖1 鐵路連續(xù)梁零號節(jié)段混凝土單元組合

研究結(jié)合Tekla API接口技術(shù)，對上述3個部分進(jìn)行參數(shù)化建模層面的開發(fā)，其中梁體截面參數(shù)如圖2所示。

圖2 梁體截面參數(shù)示意

隔板與加靴參數(shù)與梁體類似，不再贅述。建模流程如圖3所示。

圖3 梁體建模流程

針對普通鋼筋，結(jié)合圖2所示參數(shù)化斷面，分別精確計算各單元關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)空間坐標(biāo)，以橫向坐標(biāo)節(jié)點(diǎn)連線控制鋼筋大樣，以縱向坐標(biāo)節(jié)點(diǎn)連線控制鋼筋分布范圍，進(jìn)而實(shí)例化生成普通鋼筋BIM模型。

預(yù)應(yīng)力鋼束在BIM環(huán)境中為空間曲線，較平面曲線描述難度程度大為增加，由于目前缺乏成熟的空間曲線插值算法[8]，采用分別在兩個垂直斷面內(nèi)描述平面曲線的方法，以插值算法擬合出空間曲線導(dǎo)線節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，從而在BIM平臺下建立預(yù)應(yīng)力束空間曲線模型。如圖4所示。

圖4 預(yù)應(yīng)力曲線空間導(dǎo)線點(diǎn)擬合

最后，研究采用C#語言為開發(fā)工具[9-16]，對鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁零號節(jié)段分模塊建模，程序界面如圖5所示，建立的BIM模型如圖6所示。

圖5 連續(xù)梁零號節(jié)段建模程序界面

圖6 鐵路連續(xù)梁零號節(jié)段整體BIM模型

圖6所示模型包含信息齊全，具備深化設(shè)計條件。可見，通過合理拆解鐵路連續(xù)梁零號節(jié)段混凝土單元，并借助程序語言分別建立拆解單元模型，能夠較快較好地完成整體BIM建模工作，滿足開展深化設(shè)計要求。

4 深化設(shè)計及應(yīng)用

依托BIM技術(shù)提供的碰撞校核、可視化、參數(shù)化等功能，對鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁零號節(jié)段開展深化設(shè)計及應(yīng)用。

4.1 預(yù)應(yīng)力束深化設(shè)計

借助BIM技術(shù)的碰撞檢查功能，對全模型進(jìn)行碰撞校核檢查，重點(diǎn)查找預(yù)應(yīng)力束之間、預(yù)應(yīng)力束與腹板箍筋之間的碰撞問題，并調(diào)整設(shè)計。如圖7所示，腹板箍筋與預(yù)應(yīng)力干擾，調(diào)整預(yù)應(yīng)力布置。

圖7 預(yù)應(yīng)力束與腹板箍筋干擾

4.2 梁體普通鋼筋深化設(shè)計

與二維施工圖不同，在BIM環(huán)境下，普通鋼筋體現(xiàn)帶有真實(shí)彎鉤、直徑的對象，因此，二維圖紙中往往發(fā)現(xiàn)不了的問題在BIM環(huán)境下就突顯出來。其中一個是彎鉤超出保護(hù)層的問題，如圖8所示，按照規(guī)范要求設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)直角彎鉤，彎鉤末端超出保護(hù)層。深化設(shè)計調(diào)整其彎鉤角度，滿足彎鉤大小及保護(hù)層要求。

圖8 彎鉤末端超出保護(hù)層厚度

另一個問題是普通鋼筋與預(yù)埋件干擾，由于支座預(yù)埋螺栓、套筒與支座加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)集中在一個BIM模型中，設(shè)計者可以清晰地查看各子部件間的空間關(guān)系，進(jìn)而開展深化設(shè)計，在滿足預(yù)埋件精確定位的前提下調(diào)整普通鋼筋位置。

4.3 深化應(yīng)用

通過與施工單位溝通，借助BIM模型的可視化功能，在模型中精確模擬混凝土下料孔、振搗孔分布，進(jìn)而指導(dǎo)現(xiàn)場施工，圖9所示為下料孔模擬位置。

圖9 混凝土下料孔空間示意

另外，通過獲取不同橫斷面位置預(yù)應(yīng)力束數(shù)據(jù)，可進(jìn)一步完成基于BIM模型的預(yù)應(yīng)力孔道空間定位數(shù)據(jù)，為預(yù)應(yīng)力孔道精確定位提供指導(dǎo)。

5 成果輸出

BIM技術(shù)的一項(xiàng)優(yōu)勢就是能夠?qū)崿F(xiàn)三維模型和二維圖紙的關(guān)聯(lián)[17-20]，但是在實(shí)踐過程中，發(fā)現(xiàn)兩者之間關(guān)聯(lián)存在較多的問題，主要集中在圖形表達(dá)及數(shù)量統(tǒng)計均難以滿足現(xiàn)鐵路橋梁施工圖要求。為此，開展以下兩個方面內(nèi)容的研究。

一是按照圖10所示流程，創(chuàng)建鐵路連續(xù)梁零號段各剖視圖。

圖10 創(chuàng)建鐵路連續(xù)梁零號段各剖視圖流程

其中，“創(chuàng)建視圖”是指根據(jù)圖紙中的某一剖視圖，在BIM模型中定位剖視位置，并根據(jù)視圖內(nèi)需要顯示的鋼筋組，定義剖視深度。主要問題是對BIM模型中鋼筋數(shù)據(jù)的解析。如圖11所示，BIM數(shù)據(jù)庫按組存儲鋼筋，每個鋼筋組能夠解析出其包含的根數(shù)以及每根鋼筋的空間坐標(biāo)，在此基礎(chǔ)上利用空間向量計算，創(chuàng)建二維圖紙。

圖11 單個鋼筋組解析示意

二是按照圖12所示流程統(tǒng)計鐵路連續(xù)梁零號節(jié)段鋼筋數(shù)量。

圖12 鋼筋數(shù)量統(tǒng)計流程

其中，“按模板統(tǒng)計數(shù)量”是指統(tǒng)計運(yùn)行前在軟件平臺中定義模板。該模板主要由“行”來組成，每“行”內(nèi)由特定的幾組數(shù)據(jù)組成，分別代表統(tǒng)計內(nèi)容。同時“行”內(nèi)繪制有鋼筋大樣，如圖13所示。當(dāng)識別到某一編號的鋼筋組時，程序自動匹配該鋼筋組的形狀編號，調(diào)用對應(yīng)的行來統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

圖13 某大樣統(tǒng)計模板示意

上述研究內(nèi)容，一定程度上實(shí)現(xiàn)了BIM模型到2D施工圖的正向設(shè)計，圖紙圖面表述清晰，統(tǒng)計鋼筋數(shù)量與人工繪圖鋼筋數(shù)量相差0.22%，數(shù)量統(tǒng)計準(zhǔn)確。

6 結(jié)論

(1)通過合理分解鐵路連續(xù)梁零號節(jié)段單元，分別建立分解單元模型再進(jìn)行布爾運(yùn)算，能夠較快較好的完成整體BIM建模工作，滿足深化設(shè)計需要。

(2)基于BIM技術(shù)開展連續(xù)梁零號節(jié)段深化設(shè)計工作，能夠更加清晰、便捷地發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的不足，提升設(shè)計質(zhì)量。

(3)基于深化完成的BIM模型直接生成2D施工圖、統(tǒng)計工程數(shù)量，實(shí)現(xiàn)BIM正向設(shè)計，能夠一定程度上提高設(shè)計效率。

(4)研究成果已在京雄城際、浦梅鐵路等鐵路項(xiàng)目中得到實(shí)踐應(yīng)用，對同類型橋梁深化設(shè)計工作起到一定的借鑒作用。