基于BIM的鐵路橋墩參數化設計方法研究及應用

張少朋

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

鐵路建設行業中BIM(Building Information Model，建筑信息模型)是以三維(3D)技術為基礎，集成了鐵路建設工程各種相關信息的工程數據模型，是對工程項目設施實體與功能特性的數字化表達。基于BIM技術，可對鐵路建設項目進行虛擬設計、建造、維護及管理，實現動態、集成和可視化的4D施工管理[1]。自2014年鐵路BIM聯盟成立以來，BIM技術在鐵路行業的應用取得了跨越式的發展，由最初的側重于方案展示應用到如今的設計、計算、出圖等不同方面。

中國鐵路設計集團有限公司以達索軟件為主平臺，已成功研發鐵路工程BIM協同設計平臺，率先實現全專業協同BIM設計和鐵路BIM技術標準的落地應用。橋梁作為鐵路工程重要的站前專業，BIM設計流程包括設計準備、BIM模板設計、骨架設計、BIM模型組裝及BIM設計應用等。以鐵路橋墩BIM設計為例，主要是按照“骨架-模板-實例化”建模思路(如圖1所示)開展，基于鐵路空間線位可快速形成空間坐標系，所有的橋墩都是通過若干個坐標系進行定位，這些起到定位功能的坐標系群，就是“骨架”；將不同鐵路橋墩模型集成于一個模型中，同時將相關設計參數開放，這就是“模板”，本文重點闡述橋墩模板的設計過程及相關應用。

圖1 鐵路橋墩BIM設計思路

1 橋墩參數化設計

鐵路橋墩大多數為圓端實體流線型橋墩，根據設計構想，橋墩墩身各結構面為空間曲面，橋墩墩身設計線條簡潔、流暢，空間定位精度要求很高，二維表達及施工難度大，一般BIM 建模軟件很難精確設計墩身各曲面[2]。達索系統軟件是世界領先的3D 設計軟件，廣泛應用于機械航空領域，在解決復雜建筑結構空間建模方面有自己的優勢[3],借助其強大的空間造型建模能力及參數能力，可實現橋墩參數化模板的設計。

1.1 橋墩BIM設計標準

鐵路橋墩模型精度等級滿足《鐵路工程信息模型交付精度標準》(1.0版)中LOD3.5級的要求，與二維圖紙施工圖階段保持一致，創建橋墩精細化BIM模型，包括墊石、頂帽、托盤及墩身，同時應準確反映泄水坡、倒角、開槽等細節構造。《交付標準》中對于鐵路橋墩的幾何信息和非幾何信息有明確的要求，簡支梁橋墩模型的基本信息見表1。其中IFD編碼為針對構件不同空間位置、專業需求進行的編碼，構件以被賦予的這一串編碼作為自己的“身份標識”，其目的是為了使程序通過檢索IFD編碼，找到目標構件，使整套模型更易于使用、管理。

表1 鐵路橋墩基本信息

BIM中的Information可以說是BIM的靈魂，脫離了信息的三維模型不能稱之為BIM模型[4-5]。橋墩模型的信息包含幾何信息和非幾何信息，幾何信息等可通過BIM模型直觀地表達出來，非幾何信息如混凝土強度等級、環境等級、IFD編碼等無法通過模型直觀表達，需要將這些附加信息以IFC屬性賦在模型上，橋墩BIM模型信息見圖2。

圖2 橋墩BIM模型信息

1.2 橋墩參數化設計過程

BIM參數化設計得到的不是一系列的結果，而是生成結果的工具，參數就是大量的數據，規則即參數之間的邏輯架構，而設計結果只不過是這種狀態下涌現出的一種最優解[6]。某鐵路橋墩參數化設計過程如圖3所示。參數化建模技術是一種幾何和智能工程混合的建模技術[7]，達索以其強大的參數化功能，能夠實現基于相關開放參數的幾何表達。基于EKL語言(Enterprise Knowledge Language，達索內部企業知識語言)進行開發，可以實現橋墩結構的參數化集成，并將相應參數開放，即可實現橋墩的參數化設計。

根據B780CF鋼的特性，選擇了2種不同廠家的進口焊條進行焊接試驗，焊接材料的化學成分典型值見表3，力學性能典型值見表4。

傳統的后期制作技術通過錄音來實現影視動畫的有聲化，很少體現流派風格和美學原則。隨著時代需求的變化，對白制作技術逐漸成熟。一方面，后期制作要體現對白的距離感，通過遠近不同的聲音感覺，呈現差異化的藝術效果；另一方面，后期制作要體現對白的空間感，增強觀眾的立體感受。對白制作技術包括控制直達聲反射聲比例、營造混響效果、合理調控音量與音色。

圖3 橋墩參數化設計過程

else

else if dsg<=22 and dsg>17 {qdzc=2.4 qdhc=5.6 lscsd=0.212}

if `地震加速度(g)`<=0.1 and dsg<=11

ifdsg<=11 {qdzc=2 qdhc=5.6 lscsd=0.251}

{qdzc=1.8 qdhc=5.6 lscsd=0.276}

例如橋墩墩全高發生變化時，按照一定設計規則，橋墩結構尺寸將發生相應調整。參數化設計代碼摘選如下：

{

從業人員包含單位在崗職工，再就業離退休人員，聘用的外籍人員和港澳臺人員，領取補貼的兼職人員，直接支付工資的勞務工以及個體從業人員，農村從業人員和非正規從業人員。隨著社會的發展，更多新的就業形式不斷出現，使得從業人員種類也會不斷增加和改變。那么工傷保險只有按各種從業人員情況制定不同的參保方式和費率，實行行業費率與人員費率相結合的參保方式才有可能在未來實現所有勞動者都有工傷保險保駕護航。

else if dsg<=17 and dsg>11 {qdzc=2.2 qdhc=5.6 lscsd=0.234}

/*根據墩高調整墩截面尺寸，qdzc橋墩縱長,qdhc橋墩橫長,lscsd托盤頂流水槽深度*/

else {qdzc=2.8 qdhc=5.6 lscsd=0.17}

對上述項目之外，現階段無法預料的其他費用，按不包括固定資產折舊和利息凈支出之外的其他各項費用之和的5%計算，按除折舊和利息凈支出。

}

通過基于BIM的橋墩參數化集成設計，形成了中國鐵設內部通用橋墩設計模板，能夠總結提煉出適用于鐵路橋墩的建模標準、建模方法、模型分級及快速建模方法，為后續項目開展提供有效解決方案及可復用模板。

2 基于BIM的規范檢查

現階段是通過達索內置EKL實現部分BIM幾何模型的規范檢查，但需要手動編制，效率低且覆蓋面不全。后期應實現基于鐵路規范的自動化規范檢查，將鐵路規范轉換為計算語言，自動從BIM模型提取幾何屬性信息，進行合規檢查。

基于常用鐵路規范，通過EKL編程實現橋墩結構尺寸檢查，其技術路線如圖4所示。在Engineering Rule Capture工作臺下，可以通過知識工程語言為模型制定特殊的規則(Rule)或檢查(Check)，使創建的模型能夠滿足特定的要求。例如按照《高速鐵路設計規范》規定，順橋方向的支承墊石邊緣距頂帽邊緣距離不應小于0.20 m，利用EKL實現基于BIM模型的結構尺寸檢查，具體代碼如圖5所示。

以TMT-B、TMT-A為因變量，其他因素為自變量，行Pearson相關性分析，結果顯示，TMT-B、TMT-A與FPG、TG、TC、HDL-C、LDL-C無相關性（r=0.082、0.081、0.102、-0.026、0.029/0.078、0.083、0.103、-0.032、0.031，P ＞ 0.05）， 與BMI、HOMA-IR呈正相關（r=0.198、0.218，0.235、0.312，P＜0.05）。

圖4 基于BIM開展規范檢查技術路線

圖5 基于EKL實現橋墩規范檢查

鐵路橋墩參數模板設計完成后，有必要基于BIM開展規范檢查。利用Revit軟件實現基于結構設計規范的自動化審查，即通過Revit進行二次開發，提取結構相關參數，根據規范轉譯功能，執行檢查驗證。具體工作流程一般包含四步：①規則解釋；②提取屬性參數；③檢查執行；④檢查報告[8-10]。

3 基于BIM的設計應用

串聯BIM設計是以翻模為主的設計模式，其特征是BIM建模工程位于勘察設計流程結束之后，翻模后的模型主要起到輔助設計作用，BIM未能融入到設計流程中。并聯BIM設計是以正向建模為主的設計模式，其特征是伴隨勘察設計開展BIM正向建模，發揮BIM參數化、可視化、可協同的優勢為設計各環節賦能，實現提質增效，在完成BIM模型創建的同時完成出圖算量。

要想實現BIM的正向設計，需要將將設計模式從串聯改為并聯，正向建模與設計工作同步開展是方向。從串聯模式改為并聯模式，一方面避免了BIM翻模作為設計終點線，另一方面將方案設計、結構設計、詳細設計、有限元分析與BIM正向建模等有機地結合，形成統一設計流程，最終實現工程數量統計和設計出圖等功能，才能煥發BIM在設計階段的生命力，以BIM為核心的橋墩設計流程見圖6。

圖6 以BIM為核心的橋墩設計流程

3.1 基于BIM的有限元分析

達索軟件同時將建模Caita模塊和有限元分析Simula模塊部署在3DE平臺上，能夠實現從BIM建模到有限元分析計算的無縫銜接。基于Python語言，可以實現部分塑性材料參數及本構模型的添加，同時能夠建立旨在提高計算效率的整體計算流程，實現鐵路結構工程從BIM設計到數值分析的無縫銜接。橋墩有限元分析技術路線及結果如圖7、圖8所示。

圖7 橋墩有限元分析技術路線

圖8 基于BIM的橋墩有限分析結果

3.2 基于BIM的結構出圖

在不久的將來，參與建設的各個締約方或將更廣泛地采用BIM技術，不需要圖紙而直接基于模型開展工作，推動工程建設朝著無紙化方向開展[11]。現階段由于法律問題，最后交付成果肯定要輸出二維圖紙。達索在實現輸出二維圖紙的同時，達到三維BIM模型驅動二維圖紙，只要BIM模型發生改變，二維圖紙相應調整。基于BIM的結構出圖如圖9所示。

圖9 基于BIM的結構出圖(單位：mm)

基于BIM的結構出圖，在細節表達上比較復雜，同時效率較低，無法滿足項目生產中的實際需要。但是通過基于BIM的橋梁二維出圖的研究，使得BIM研發人員對基于BIM模型的二維出圖有了更加深刻的了解，結合專業需求，總結適合本專業的出圖形式及方法，可進一步明確基于BIM模型的二維出圖的研究方向。

This manuscript deals with questionnaire survey on super-extended lymphnode dissection in patients with AGC. The conclusion of this manuscript seems to agree with the general consensus of current Japanese surgical oncologists,and could be acceptable for publication.

3.3 基于BIM的工程算量

基于達索平臺能夠實現工程數量導出和自動計算，利用IFC(Industry Foundation Class，工業基礎類)擴展形式標記工程數量，在達索平臺導出包含工程數量信息的XML文件，最終由統一匯總程序進行工程算量報表的自動生成[12]。

對于鐵路橋墩結構而言，混凝土結構包含墩身、頂帽及墊石，定義相應工程數量IFC屬性為ifcCREACEQR_ConcreteQuantity，以便后續檢索數據，橋墩IFC屬性如圖10所示。利用EKL編制相應規則，可以實現根據實體模型自動計算相關結構工程數量，隨著每次實例化模型的不同，這些屬性值也隨之自動變化。利用該BIM算量方法與傳統方法計算得到的工程數量對比，頂帽工程數量差值百分率為5%左右，主要是頂帽為異形結構，常規計算為分層擬合計算，計算結果存在一定的偏差，對比結果如表2所示。

圖10 達索內IFC屬性

表2 工程數量計算結果對比

4 結論與展望

(1)不同的設計人員基于協同設計平臺可以同時開展設計，參數化模板為并行設計提供了可能，橋墩設計人員與梁部設計人員可同步開展設計，可以依據項目設計特點，先自己假定輸入條件建立參數化模板，等實際輸入數據完成后進行模型更新即可，縮短了整個項目的設計周期。

與對照組比較，BV模型組小鼠子宮組織中TLR4蛋白表達量顯著增加（P＜0.01），各劑量黃柏堿與加替沙星可減少小鼠子宮組織中TLR4表達。黃柏堿（20、40 mg/kg）與加替沙星均可有效降低小鼠子宮組織中TLR4表達量，與模型組比較差異顯著（P＜0.05、0.01）。結果見圖2。

(2)BIM模型重要的部分是Information(信息)，開展基于BIM的自動規范檢查和設計應用，能夠解決BIM模型的“無用論”，提升BIM設計的廣度和深度。

十九大報告中明確提出“培養造就一支懂農業、愛農村、愛農民的‘三農’工作隊伍”［1］。基層農技人員隊伍是“三農”工作隊伍的重要組成部分，他們長期扎根基層、切實服務“三農”，是培育造就有文化、懂技術、會經營的新型職業農民，發展現代農業、實施鄉村振興戰略的重要力量。臺州科技職業學院作為浙江省九大現代農業技術培訓基地之一，承擔浙江省基層農技人員知識更新培訓任務。基于往年培訓中發現有基層農技人員在培訓課間流露對自身職業存在倦怠感的情況，而開始關注我省基層農技人員的職業狀態，并著手開展調研，探究其真實職業現狀、挖掘倦怠原因、有針對性地提出相關建議。

結合國鐵集團對鐵路信息化的總體要求，設計院作為鐵路行業上游單位，應積極探索基于BIM模型的設計應用。基于BIM技術實現橋墩參數化設計及合規檢查、有限元計算、結構出圖、工程數量計算等功能，現階段都取得了一定的成果，但還不能滿足廣大設計人員的需求，通過系統梳理各個功能的優缺點，為BIM研發人員的工作開展明確了方向。