基于3DEXPERIENCE平臺的鋼橋主梁的BIM快速建模方法應用實踐

王寧

（北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京市 100082）

0 引 言

隨著三維技術的快速地發展以及應用需求的不斷提高，建筑信息模型（BIM）技術近些年開始廣泛應用于工程領域之中。BIM（Building Information Modeling）是一種應用于工程設計建造管理的數據化手段，通過建立可視化的三維模型，整合工程項目相關信息，實現信息在項目的設計、施工和運維的全生命周期過程中的共享、傳遞和應用，提高工程項目的管理水平。尤其對于大型復雜的工程項目，僅僅憑借二維形式的設計很難描述復雜構件的形狀以及各個構件之間的相對關系，需要通過BIM技術建立三維數據模型完成相應的設計表達。BIM技術在實現協同設計、三維建模、仿真模擬等方面具有不可替代的優勢[1-3]。

3DEXPERIENCE平臺是達索公司在以往產品基礎上推出的一款包含了設計、仿真、管理等一系列軟件協同環境，其核心技術特點就是平臺內軟件與軟件之間的信息交互流動無縫銜接。其中的基礎建模模塊能夠實現空間線形復雜結構的建模，相比其他的BIM軟件，可較好解決大型復雜異形結構劃分、構件參數化建模、模型組裝等問題[4]。配合平臺中的其他功能模塊，可以對橋梁模型進行的仿真模擬與運維管理[5]。

1 工程概況

京雄高速跨永定河大橋由主橋、東引橋、西引橋組成，橋梁全長1 620 m。主橋為飛燕式中承系桿拱橋，與永定河河道中線斜交角90°，主跨300 m，兩側邊拱跨徑50 m，輔助孔跨徑60 m，主橋全長520 m。京雄高速上跨永定河特大橋作為京雄高速控制性的節點工程。其方案目前采用主跨300 m的中承式系桿拱橋，由于景觀的需求使其拱肋變截面扭曲，加大了設計、加工制造和施工建造的難度。同時大橋項目構件節點連接數量多且構造復雜，BIM設計工作量大。

2 大橋鋼主梁建模方法

大橋鋼主梁鋼構件組成，涉及到的鋼構件種類多，數量大。同時，大橋鋼主梁的結構具有重復性，如隔板橫梁等結構在鋼主梁中是交替重復出現的。根據以上提到的特點，本文采用“骨架+模板”建模方法，通過骨架條件的定位，利用模板可重復生成模型的特點，實現鋼主梁模型的快速創建，該方法已經在多個文章中提出并使用[6-7]。

骨架的作用是通過點、線、面、軸系等空間幾何元素對模型構件進行定位，確保構件之間位置關系的正確。模板作用是以骨架提供的定位要素作為輸入條件，在模型空間中快速生成對應結構的實體模型。該方法的難點在于根據構件的結構特點確定模板的制作邏輯。因為不同的建模思路，會對模板的輸入條件造成影響，從而導致骨架形式的千差萬別。圖1為鋼主梁使用“骨架+模板”建模方法建立大橋鋼主梁模型的總體技術路線圖。

圖1 鋼主梁建模技術路線圖

3 鋼主梁構件的組織與分類

3DExpierence平臺中目前主流的結構組織形式是零件到產品，通過對最終產品逐層的劃分，在不同的級別建立對應的產品或零件，從最底層的零件向上聚合為產品，再由同級別的產品聚合成上一級別的產品，最后聚合形成最終的產品。這種方式建立了構件的層次概念，明確了構件之間的邏輯關系，使得模型在后期的使用過程更為便捷。因此，在建模之前如何對鋼梁中的各個構件進行組織十分重要。

本文沒有按照施工中對鋼主梁的分段方式直接對結構進行劃分，而是在施工分段的基礎上，根據鋼梁的結構所具的特點，向下一級進行了劃分。這里將鋼主梁劃分成縱向構件、橫向構件、風嘴內部構件和其他構件四大類。縱向構件主要為順橋向結構尺寸跟隨路線變化的構件，如鋼梁的頂板、壁板、縱向加勁肋，橫向構件則為與路線方向正交的相關構件，主要為橫隔板及橫隔板上的構件。風嘴內部構件由于包含錨箱使得與鋼梁橫向構件的變化不統一所以單獨列出，其他構件則由各種附屬的構件組成。對鋼主梁劃分后所得到的結構樹如圖2所示。

圖2 鋼主梁產品結構樹

這樣對結構劃分在保證施工分段的前提下，將沿線路變化不一致的縱向結構與橫向結構進行了區分，使得在設計發生調整時，模型修改更為簡單便捷，不必牽一發而動全身。

4 鋼主梁構件模板的創建

3DEXPERIENCE平臺根據模板實例化的位置，可將模板分為兩類：特征模板和工程模板。特征模板是對于零件內部各種要素進行實例化的模板，分為超級副本和用戶特征。用戶特征模板可以將建模過程封裝起來，只提供了可調控的參數內容，在簡化了模板內容顯示的同時，也避免了其他使用者對模板的無意修改，保證了模板的穩定性。超級副本則完整地保留了模板中的所有內容，便于使用者查看其中的邏輯。工程模板則是用于零件和物理產品實例化的模板。

因此，將模板分為上下兩個層次，基本的形狀通過用戶特征模板創建，然后零件中實例化用戶特征模板創建具體的工程模板，最后再通過工程模板實例化創建主梁模型。鋼主梁中雖然有各種不同的鋼構件，但在建模時可以根據各構件的形狀特征分類為幾種形狀，如與路線相關的縱向構件，只需建立一種用戶特征模板即可，在創建具體的構件時，只需調整輸入條件即可。相對于直接創建工程模板而言，雖然在過程中多了一個層次，但也省去了在創建多個類似構件時重復的操作，從而實現了建模效率的提升。具體過程如圖3所示。

圖3 用戶特征模板到工程模板流程圖

此外，在創建模板時需要采用參數化設計的方式，通過為模型構件添加可調的控制參數，實現參數化目的。當模型的特征造型使用參數化時，它不僅可以隨時調整產品形狀和尺寸，而且可以隨時調整產品的結構和特征，同時實現尺寸驅動和特征驅動[8]。圖4展示了參數化模板的制作流程。

圖4 參數化模板制作流程圖

可添加的參數有多種類型，如尺寸、字符串、布爾類型等，還可創建公式，增加各個參數之間的關聯，可以通過知識工程模塊中的規則檢查等命令，創建邏輯判斷等更為復雜的邏輯關系。這樣通過模板生成的構件將會帶有控制參數，在設計發生大小尺寸等方面的發生改動時，模型能夠快速的通過參數進行調整。圖5中的右側結構樹的參數集節點展示了頂板U肋構件中的控制參數。

圖5 創建完成的頂板U肋模板

5 建立模板庫

由于鋼主梁涉及的構件類型眾多，而且需要根據模型的分類與組織創建特征模板和工程模板，導致需要建立的模板數量龐大。而且3DEXPERIENCE平臺是基于服務器的，所有創建的文件都位于數據庫中，查找文件時需要手動進行搜索，給使用與修改模板造成了極大的不便。因此需要建立模板的庫文件，以方便各類模板的使用和管理。

3DEXPERIENCE平臺中所提供了的目錄應用程序來對模型和模板進行歸類與管理。圖6展示了目錄文件對模板文件的管理形式。

圖6 目錄應用程序對模板文件的管理

通過目錄應用程序中左側的結構樹，可在目錄根節點下插入新的章節，還可在已有的章節中創建新的章節，而在右側展示窗口中會以文件夾的形式進行顯示。可以根據需求創建不同的章節目錄，再將創建好的模板按類別添加到對應章節下，在以后使用模板時，只需打開創建目錄應用程序，找到對應的模板使用即可。

6 編寫自動化腳本

知識工程語言（EKL），是在知識工程模塊的核心語言。通過EKL語言，以編寫代碼的方式，可以在3DEXPERIENCE平臺中，自動化地實現一些繁雜的操作[9]。對于大橋的鋼主梁，除了兩端的構造需要與其他結構進行銜接而較為不同，其余部分都是相同構件的重復，但要逐個創建生成這些重復的構建，需要大量的精力和時間。所以這里通過編寫ELK語言腳本的方式，以骨架要素和工程模板為輸入條件，自動化的生成鋼橋主梁標準段部分的模型。

知識工程模塊所包含的“知識工程陣列”、“操作”等命令都可編寫自動化生成腳本，而操作命令提供了人機交互的功能，在創建模板實例化時更為靈活，所以這里選擇“操作”命令，使用EKL語言進行自動化腳本的編寫。如圖7所示，在隔板節點下建立了知識工程規范檢查，工作指令中為EKL語言編寫的腳本程序，資源表中包含了實例化過程中要用到各種資源模板。

執行工作指令，選擇生成的位置、定位要素和模板資源，即可自動的生成構件，圖8展示了通過工作指令根據定位軸系自動化所生成的中橫梁隔板A。

圖8 由工作指令在骨架上自動化生成的中橫梁隔板A

自動化腳本可以提高效率，減輕工作量。隨著模板復雜度的增加，實例化的時間也會隨之增長，相對于手動實例化，自動化腳本將每個構件實例化所需的時間聚合在了一起自動完成，避免了個人精力的無效浪費。同時也避免了在每次實例化模板時，手動選擇模板輸入條件的過程。

將大橋鋼主梁的各個構件模板在骨架上分別進行實例化，再根據鋼主梁與拱肋的接觸關系，對模型進行切割，形成的最終模型如圖9、圖10所示。

圖9 大橋鋼主梁BIM模型（俯視）

圖10 大橋鋼主梁BIM模型（仰視）

7 結 語

在永定河大橋項目上運用BIM技術的建模實踐，驗證了“骨架+模板”方法創建橋梁BIM模型的可行性。同時，進一步根據鋼主梁構件的特點，對模型進行組織和分類，明確了模板的制作邏輯，降低了各個構件之間的相互影響。通過建立兩個層次的模板，大大減少了中間建模的重復步驟。運用EKL語言編寫腳本，使大量模板自動化生成。以上對于建模時的處理方法可以應用到相似的工程項目中，優化建模流程，從而實現建模效率的提高。此外，對于大量的構件模板，建立模板庫文件，將不同類型的模板集中起來進行分類與管理，有效避免了在數據庫中搜索模板的時間問題。