bim技术在桥梁设计中的应用模式探究

bim技术在桥梁设计中的应用模式探究

0桥梁bim应用现状该项目的三维技术为土木工程施工过程提供资源共享，为从概念到整个运营周期的所有决策提供依据。整个过程信息的流动被称为主要价值流动，各种无形的工程信息以有形的可视化模型为载体进行传递，而无形的价值流动（69%）又是有形价值流动（31%）的两倍多近年来我国路桥建设行业取得了突飞猛进的进展，其设计领域对新技术、新产品的研发与应用也层出不穷，但在设计阶段的BIM应用还处在探索阶段本文将以文献研究为基础，论述两种BIM应用于梁桥设计阶段的应用模式特点，并以某互通式立交桥为例，结合软件的二次开发实现模型的参数化应用，对桥梁设计阶段中的BIM正向设计思路及方法进行初步探究。1基于云计算的设计阶段的应用1.1基于三维协同应用模式就目前研究状况而言，多数应用模式为初期依据设计院交付的二维图纸搭建相应三维模型，在此基础上进行可视化碰撞检查、信息化工程量核算等应用以达到优化设计方案的目的，此类应用模式的交付成果为二维图纸，三维模型是二维图纸的附属产品。暂且称之为“一类应用模式”。模式流程图如图1所示。另一类应用模式，称之为“正向应用模式”，顾名思义，正向设计应用模式以设计人员的角度，借助BIM软件，在无交付图纸的情况下，根据原有的设计理念依据设计规范直接进行三维模型的搭建，并由模型生成可以交付的施工图1.2辅助二维纸条修改两种应用模式分别从不同角度出发。“一类应用模式”，主要将BIM作为辅助、完善传统设计的工具。操作由BIM工作者完成，之后与设计师协调优化设计方案，辅助二维图纸修改并交付。近年来，我国设计相关人员对此类模式的应用较为广泛，依据图纸所建的三维实体模型作为载体，直观地将设计理念、设计效果传递给项目决策者，利用BIM的可视化、协调性等优势，快速发现并解决设计方案存在的问题，提高设计质量与设计效率“正向应用模式”在建筑行业应用较广泛，我国学者借助软件开发研究了实现BIM正向设计的关键技术，包括基于Revit快速建模、BIM模型与有限元模型互通从而实现结构计算以及基于BIM出图等2基于物流正设计的概念2.1数值模型的关键参数化为实现BIM目标，克服目前正向设计应用的难点，软件选择应遵循以下原则：1）首先三维模型在搭建完成后应携带几何、数据、空间等信息，保证信息输入的完整性。2）为使正向设计有序进行，应保证模型参数化以提高建模效率。3）为桥梁构件准确定位，应保证标高、坐标系统等定位信息的准确性。4）模型应符合参数化，以保证随着项目的推进，不断完善构件族库。提高类似项目对构件的复用率。5）软件使用成本合理。鉴于以上原则，本研究采用BIM参数化设计，参数化设计是通过调节预先设定的参数，实现模型自动调整的设计方法。工程设计中出现方案变动时，只需通过有限的参数修改，就可联动各模型对象实现大量修改工作2.2基于参数化构件模型搭建及定位验证鉴于现阶段正向设计应用过程中的难点，本文将针对各难点借助相应软件，以正向设计的理念进行初步探索。首先借助Civil3D2018将路线组提供的二维路线数据转化为三维路线模型，导入Revit2018创建自适应族，通过dynamo2.0开发其沿路线按距离、高程定位放置构件的功能，结合Revit软件内部参数化功能制作参数化轮廓族，最后完成对桥梁上部结构可视化模型的快速搭建。对于下部结构，同样利用Revit内部参数化功能建立常规模型，结合dynamo快速且批量对下部结构的构件放置功能，最终完成下部结构的构件模型及准确定位。不仅实现在Revit中快速建模，还能提取构件的定位系统等信息。最后将构件定位系统与传统设计导出的定位系统进行对比分析，验证正向设计定位的可行性。如图3为实施路线。3以某新机场项目为例应用概况该互通式主线立交桥全场354米，上跨两条主路，隶属于北京新机场一期工程，以该工程为例，遵循原有设计理念，以BIM正向设计的方式进行初步探索。3.1cilit的应用基于桥梁工程线状分布的特点，三维路线在建模过程当中，起到导向作用。由于AutoCAD是20世纪80年代设计开发的计算机辅助设计软件，当时环境下并没考虑三维设计的需求，且数据结构老旧繁杂，而在CAD基础上升级开发的Civil3D则具有能够储存更多数据信息且更为简洁明了的数据体系图4为由信息集成的路线平面与纵断面，图5为整个项目路线走向，本例互通式立交仅为其中一段。Civil3D生成的三维路线模型见图5。路线需借助CAD分解为多段线对象，才可被建模软件识别，路线对象中所携带的高程、方向等信息也会传递到建模软件Revit中。对Revit进行二次开发实现快速建模的程序逻辑，充分利用了路线所携带的信息。实现了快速搭建参数化模型，也保证了信息的有效传递及高效利用。3.2下部结构确定根据以往设计经验，通过对地质、外业勘察等条件的分析，并结合生成的三维路线，首先确定桥梁位置及桥长，接着确定上部结构采用现浇混凝土连续箱梁；下部结构桥墩均采用盖梁柱式墩，墩柱均采用方柱接承台桩基础。桥台采用肋板台，基础采用承台桩基础；以及确定各个部分所采用的混凝土型号。随后利用BIM软件直接搭建模型，模型搭建顺序先易后难。3.2.1基于数学公式和revit软件的参数化设计下部结构为独立的点状分布结构，因此选用Revit公制常规族类型。为尽量减少变量的数量，借助数学公式及Revit软件自带的参数化工具，实现参数化、数字化模型。如图6为下部结构墩柱模型及参数。根据设计经验及命名规则，此项目参数化部分构件族目录如图7所示。3.2.2轮廓嵌套族模型上部结构混凝土现浇连续梁沿路线呈带状分布，鉴于此特点，建模时采用Revit自适应公制模型制作各个参数化轮廓族。再借助dynamo对Revit二次开发，将轮廓族按指定桩号载入另一自适应族形成嵌套族，在嵌套族中，将轮廓沿路线放样，形成箱梁模型。图8为上部结构参数化轮廓族。借助二次开发将轮廓按路线指定桩号放置，开发原理为利用dynamo可视化编程节点并结合python脚本以路线为基准，根据桥长识别轮廓定位点，实现自动且批量放置轮廓族，之后根据箱梁模型特点，轮廓受可见性与参数的控制，利用实体和空心融合功能，最终完成上部结构构件族的制作以及在项目中准确定位的放置。图9为完成的线框模式下的一联箱梁模型。3.2.3下部结构放置组件桩基、墩柱的位置就平面坐标而言，以路线为基准，分布于两侧。就高程而言，根据地质勘查条件，依据设计规范确定。因此下部结构放置插件的开发原理为在上部构件放置轮廓的基础上添加横向东西坐标以及竖向高程坐标两个变量。如图10为二次开发所用的可视化编程工具及程序。图11为完成的下部结构模型和整体模型。3.2.4快速建模开发功能作为目前流传度较广的建模软件，Revit具有功能强大、操作简单且Revit模型信息携带率高等优点。但因内置功能更偏向于建筑结构类工程，对于桥梁工程建模，就专业度和准确性而言对口程度不高。因此为满足使用需求，需根据具体需求对其进行二次开发，提高专业性和准确度。本研究的快速建模开发功能就精确度而言，不仅用于可视化和模拟性，更为全生命周期各阶段的应用实现了一定突破。就建模效率而言，根据实践调查，至少提升三至四倍，基本实现快速建模。3.3纤维定位合理性验证实现快速建模二次开发原理的坐标系中，以三维路线为基础维度，此类坐标系与传统大地坐标系差别较大，因此需验证其构件三维定位在普通坐标下的可行性。由于各个项目相对坐标系不同。因而选择项目中某一墩柱的定位点为基准，借助dynamo程序语言，计算其他定位点的相对增量，并与传统设计出图坐标进行对比，验证直接快速建模的构件定位可行性。3.3.1模型建立与分析平面坐标分析方法，借助可视化编程工具dynamo，将revit所需定位坐标连成模型线，并转化为dynamo几何形体，提取其南北（Y）及东西（X）平面坐标，并选择一个相对定位点，各个桩基定位坐标与定位点做相对差量分析，将差量结果导出excel表。同理将传统二维出图的坐标选取同一个定位点，做同样的相对差量分析，作为参照数据源。最后比较两个差量分析结果验证模型平面定位的可行性。图12为坐标提取分析并导出exce表的可视化编程语言。将导出Excel设计坐标差量与参照坐标差量对比分析见图13。3.3.2项目定位标高验证标高系统在桥梁工程中看似简单却意义非凡，各处的精确标高定位保证了桥梁各构件拼装时的顺利衔接。因此有必要对项目中定位标高进行可行性验证。利用上文对平面坐标系统进行差量分析的dynamo程序可提取各个定位点的Z坐标，从而与参照标高进行可行性对比分析。但由于标高仅为垂直于大地的一维度数据，因而可直接借助revit中的标注选定点高程的命令直接进行对比。图14为以一号桩左幅为例，模型标高与传统设计标高表对比。3.3.3．平面坐标系统共意由以上分析可得，以原设计数据为参照，就平面坐标而言，量差值基本控制在百分之二以内，路线与坐标轴角度越小，量差百分比越小。考虑到软件本身由于精确度存在的偶然误差，基本可认定为此平面坐标系统可行性较高。就高程系统而言，一维系统，以米为单位，精确到小数点后三位即毫米级别，同样被认定可行性较高。4基于模型的检查及验证本研究基于桥梁工程正向设计的初步探索，借助软件形成三维路线模型，大大提高了软件的专业化程度，并实现沿路线搭建结构模型，因此大大提高了模型准确性。借助对建模软件的二次开发，解决了正向设计中一直存在的建模效率低等问题。最后通过提取模型坐标信息验证其坐标的可行性。通过对软件的二次