基于BIM 的橋梁施工模型集成與安全分析

凱爾薩爾·吐爾迪

(新疆維吾爾自治區交通運輸工程質量監督局，烏魯木齊 830000)

1 引言

建筑信息建模(BIM)因其在信息集成和共享方面的優勢， 一直是建筑、 工程和施工行業關注的焦點。 由于BIM 對建筑生命周期的各個階段都有很強的實用性，因此在建筑項目參與者之間的有效協作中， 其使用越來越普遍。然而，由于在設計和施工階段合作者之間使用不同的軟件，因此出現了各種問題。 隨著BIM 的不斷改進，通過集成系統開發項目所涉及的各種監管實踐需要通過模型來幫助它們簡化多學科集成相關的問題[1-3]。

本研究旨在解決建筑模型與結構分析模型之間的整合難題，首先，討論了建筑模型和結構分析模型之間的區別；其次，提出了基于BIM 的方法及其組成部分，包括基于BIM 的統一信息模型、基于區域的特征點匹配算法實現模型集成、 實際監測數據與理論計算結果的動態集成機制；再次，闡述了該方法的實現過程，包括客戶服務器平臺和集成應用的工作流程；最后，通過在一個復雜的大型實際項目中的應用來說明集成的作用[4]。

2 建筑模型與結構分析模型的比較

建筑模型主要用于描述建筑物的幾何和外觀， 而結構分析模型由結構工程師指定用于垂直和橫向荷載傳遞的結構元素組成，添加不同的荷載工況和幾何邊界條件。如圖1 所示，Tekla 模型主要包含幾何和零件信息以及軸和截面信息， 而Midas 土木結構分析模型主要包含結構信息，包括接頭、構件、材料、截面、荷載、約束條件等，這些信息大多是從建筑模型中提取的由結構工程師定義。主要支持的文件格式分別是*.ifc 和*.mct。 Tekla 建筑模型模型對施工模擬、 工程量計算和自動繪圖具有重要意義， 而Midas 土木結構分析模型對保證施工安全具有重要意義。因此，將這兩個模型結合起來創建重要的值是下面幾節討論的關鍵問題。

圖1 建筑模型與結構分析模型的比較

3 信息建模與數據集成方法

3.1 基于BIM 的統一信息模型

基于BIM 的統一信息模型是一種數據模型，用于彌補建筑模型與結構分析模型之間的差距， 并將施工過程中應變儀和全站儀采集的數據進行集成。 該模型組織數據元素， 并將數據元素的表示方式以及它們之間的關系進行標準化。

每個架構組件都是一個“建筑構件”，將每個建筑構件的網格表示劃分為幾個三角形。 組件的擴展屬性也存儲在統一信息模型中。 結構元素包括基本節點信息及其屬性，如材料和截面信息。結構單元還包含由結構分析軟件計算的機構計算結果， 這些計算結果與不同的施工實例相關聯； 結構元素通過建筑構件的ID 與建筑組件關聯。在施工過程中，將構件應力等監測數據和沉降變形等實測數據動態集成到統一的信息模型中。 這些數據被分配給監測點，監測點通過“建筑構件的ID”與建筑構件相連，通過構件上監測點的精確位置獲得。該模型克服了建筑和結構分析模型之間的語義和信息表示， 動態地集成了項目數據，為后續的應用奠定了基礎。

3.2 實際監測數據與理論計算結果的動態集成

施工過程中產生了大量的監測和理論資料， 必須正確利用這些數據，并將其集成到基于BIM 的統一信息模型中。 對于監測數據，它們通過“北斗”集成到與Tekla 模型相關聯的監測點中， 通過確定監測點坐標與Tekla 組件的邊界框之間的空間關系，可以獲得這些數據。理論數據，特別是單元應力結果，通過“元素ID”集成到Midas 模型中。我們可以從不同的實例導入計算結果，這些實例與具有相同“元素ID”的相應元素相關聯。 基于前面提出的模型集成，可以實現數據集成和轉換(圖2)。 并且具有以下優點：(a)可以方便地將實際數據與理論數據進行比較，從而有助于通過對比分析進行決策；(b)提供了收集、管理和查看復雜施工數據的便捷方法；(c) 通過Tekla 模型與進度計劃的關系， 根據施工實例實現模型同步更新和數據可視化；(d)實現了實際監測與理論分析的數據轉換，從而將監測數據自動添加到結構分析中， 這將在下一節中詳細描述。

4 開發的集成系統

在上述方法和算法的基礎上， 研究開發了一個新的模型和鏈接數據集成平臺4D-BIM 信息集成系統。 基于BIM 的統一信息模型作為中心數據服務器實現， 集成應用程序的工作流如圖3 所示。 本研究采用Tekla 軟件建立建筑設計模型，Midas 土木軟件建立結構分析模型。 這些模型通過適當的接口(ifc 和*.mct 文件格式)和建議的算法集成到平臺中， 施工期監測數據采用應變儀或全站儀采集，這些施工數據被動態集成到平臺中，然后連接到Tekla 模型的監測點，考慮到Tekla 模型已經與進度計劃相關聯，可以根據案例時間推導出合適的Tekla 模型。 由于Tekla 模型和Midas Civil 模型的集成， 相應的結構分析模型可以從不同的施工案例中導出。 此外，與Tekla 模型相關聯的監測數據也可以轉換為結構分析模型的荷載或約束信息，從而自動生成修改后的實例模型，供結構工程師進行分析和評估。從而實現了模型集成和信息轉換，從而顯著地消除了重復勞動，提高了效率。

5 案例研究

本研究在廣西省南寧市的某大橋工程中進行了試驗。 大橋采用剛性懸索加固三主桁梁(六車道公路、雙線鐵路橋梁)的大跨度鐵路公路鋼橋。 該橋全長798.3 m，重36249 t，采用三鋼桁梁結構，建筑設計模型采用Tekla 軟件，結構分析模型采用Midas Civil 軟件?；谒岢龅姆椒ê推脚_，2 種不同的模型可以成功地集成并應用于各個方面，從而為項目帶來明顯的效益。

圖2 監測數據與計算結果的動態集成

圖3 集成應用工作流程

第一步是信息集成。 基于集成模型(圖4)不僅可以從Tekla 模型中查看關鍵信息，如幾何、零件和進度信息，還可以從Midas Civil 模型中獲取相應的結構信息， 如同一窗口中的節點、材料、截面和應力。 成功導入了不同殼體模型單元的應力結果， 并在開發的平臺上顯示了相應的應力云圖。

第二步是同步模型更新和數據可視化。考慮到Tekla模型與時間表相關，它會隨著時間不斷更新?；谀Ｐ图珊玩溄訑祿?， 支持更新和可視化集成模型以及施工案例，包括Tekla 模型、相關監測點和相應的Midas Civil 模型(見圖5)。 因此，可以方便地查看和分析案例模型和案例數據，從而為案例管理的后續應用奠定基礎。

圖4 信息集成的應用

圖5 集成模型與數據信息的同步更新

第三步是案例管理。 結構工程師必須通過重復的建模工作和手工添加約束信息， 對不同的施工實例進行模型分析?；谇懊婕蓱玫墓ぷ髁?，可以自動生成不同的案例模型(如圖6 中的案例19-1)。 對于一個具體的施工案例，通過施工模擬可以得到合適的Tekla 模型。 可以獲得相應的相關元素，從而生成分析模型的基本幾何、材料和剖面信息。然后，將三個主桁架在不同情況下測得的高差，連接到Tekla 模型的監測點，轉化為約束和強迫位移信息，自動加入到結構分析模型中。 這樣，工程師可以根據施工情況得到相應的結構分析模型， 節省大量的時間和人力。

圖6 自動導出分析模型的應用

6 結論

針對模型整合與資訊轉換所面臨的挑戰， 為施工管理與評估帶來顯著效益， 本研究初步比較架構模型與結構分析模型的差異，以完成整合的挑戰。 在此基礎上，提出了一種基于BIM 的統一信息模型，形成了模型和數據集成的中心信息層。所提出的模型將這種集成所需的模型實體和關系標準化。 在此基礎上，提出了實際監測數據與理論計算結果動態集成的機制，實現了Tekla 模型與Midas-Civil 模型的模型集成，包括關聯數據信息。 所提出的解決方案在我們自己的平臺上原型化，以實現集成應用。

以某跨河大橋為工程實例， 對該方法和平臺進行了試驗研究。盡管實際項目的規模和復雜性很大，但測試的場景還是成功地執行了。 一方面，在集成模型的基礎上，可以看到各種信息，包括Tekla 信息、Midas 信息、應力云圖信息等。 另一方面，集成模型可以隨進度進行更新，實現了根據不同施工情況自動導出結構分析模型， 減少了重復建模工作，提高了效率。