东平水道特大桥BIM设计及应用

1、东平水道特大桥BIM设计及应用 东平水道特大桥位于佛山市南海区，为新型公共交通跨越东平水道而设，主桥范围内新交通和公路同层布置，引桥采用分幅桥与主桥顺接。主桥采用独塔双索面钢–混混合梁斜拉桥，跨径组成为35.0+260.0+51.5+66.0+62.5m，主桥长475.0m；桥面布置包括：双向6车道公路，2线轨道交通及两侧人行道，总桥面宽46.5m。钢主梁采用别离式流线形扁平钢箱梁，混凝土主梁采用别离式预应力混凝土箱梁。索塔横桥向采用"A"字形混凝土塔。为了提升该桥的设计水平和成品质量，对其开展BIM设计，从而使该桥成为国内第一座采用BIM设计的公轨两用

2、斜拉桥。本桥在进行BIM设计时，采用了达索和TEKLA2种软件，而达索作为一个平台型软件，又包括SIMULIA、ENOVIA、CATIA等多个专业化的分支软件。文章从BIM设计和应用两方面对该桥进行介绍。BIM设计模型精细度在设计过程中，模型精度等级符合?铁路工程信息模型交付精度标准?中LOD3.5级的要求，与施工图设计阶段相对应，创立全桥精细化BIM模型，包括主桥、引桥、桥塔、钢箱梁、普通钢筋、预应力筋等构件。BIM协同设计达索软件所具备的公有效劳器存储模式，使得本工程在BIM设计过程中，充分发挥其协同设计的优势成为可能。具体包括专业间协同、专业内协同和软件之间的协同。专业间协同方面，测绘专

3、业、线路专业分别完成地形曲面、空间线位的BIM设计，桥梁专业以此为根底进行桥梁专业BIM设计，轨道专业在桥梁专业成果根底上开展桥面设施的BIM设计。专业内协同方面。桥梁专业BIM参与人员分为骨架设计师、模板设计师、钢结构设计师等多个不同角色，这些不同角色的参与人员在同一软件平台上对同一工程对象开展工作，分工明确，最终完成全桥从初步设计到详细设计不同阶段的工作。软件协同方面。达索作为一个以公有效劳器为存储模式、且源于机械航空领域的综合软件平台，包含多个不同功能的模块，在模型管理、协同设计及空间几何造型上独具优势；TEKLA软件擅长处理钢结构的复杂节点构造，在钢筋混凝土结构的二维出图和钢筋数量统计

4、方面也很有优势。本工程以达索软件作为根底平台，取各软件之长，以CATIA软件为核心建模工具，分别使用TEKLA软件和SIMULIA软件进行钢筋设计和有限元计算，使用ENOVIA软件进行人员工作安排，从而实时掌握工作任务完成情况，把握设计进度。骨架设计采用"骨架–模板"的方法创立全桥模型，在这种方法中，"骨架"既是模型构件的定位基准，也作为其几何组成，在本工程中，骨架以空间坐标系群的方式存在。全桥定位骨架和钢箱梁定位骨架的创立方法有所不同，后者是骨架设计的难点。在全桥骨架设计过程中，同时发挥了专业间和专业内协同的优势，线路专业成功创立空

5、间线位后，桥梁骨架工程师以此为根底，在CATIA软件上借助EKL脚本语言，使用其KnowledgePattern功能，依次循环读取表格中存储的桥梁构件定位数据，批量生成空间坐标系，完成骨架模型的创立。桥梁工程师将以此骨架为输入条件实例化各类桥梁构件的模板，完成全桥BIM建模。钢箱梁骨架设计是全桥骨架设计的难点。由于本桥所在空间线位具有竖曲线，对于具有竖弯线型的钢结构，为了保证钢板厚度顺畅过渡，相邻节段的分界面不是竖直的，而是相邻节段顶缘面的角平分面，这样才能保证相同厚度钢板被此面分隔后的交界尺寸相等，也就不会出现板件相错的情况。钢箱梁骨架坐标系的yz平面即是相邻钢箱节段的分界面，为了使钢箱梁骨

6、架坐标系符合上述相邻节段分界面的空间位置要求，使用空间解析几何的方法，以V1，V2，V3向量为输入条件，研究出下式所描述的钢箱梁骨架坐标系转换矩阵：WLl=VL1x,VL1y,VL1z=(V1+V2)xV3x(V1+V2),(V1+V2)xV3,V1+V2由于V1、V2向量是通过节段顶点连线生成，V3是的水平向量，因此，能够使用节段端点空间坐标数据，借助骨架坐标系转换矩阵，生成足以保证相邻钢板厚度均匀过渡的骨架定位坐标系。EKL脚本程序根据上述规那么批量生成的钢箱骨架坐标系。钢箱梁骨架设计引桥BIM设计作为钢筋混凝土结构，在BIM设计过程中，针对引桥各类构件的几何特点，分别创立了梁体、桥墩、桥

7、台、根底的通用性模板。在CATIA软件上借助EKL脚本语言，使用其action功能，依次循环读取设计表格中存储的桥梁构件定位数据及模板参数数据，在引桥骨架上批量实例化各类构件的模板，从而完成引桥BIM建模。引桥BIM模型钢箱梁设计主桥钢箱梁BIM设计采用CATIA软件钢结构模块完成。对于每一个钢箱节段，遵循从初步设计到详细设计的原那么，两个设计阶段分别在结构功能设计SFD和结构详细设计SDD模块下完成。钢箱梁SFD模型对于通过SFD模块创立的初步设计模型，每一个钢结构构件以特征形式存储，板件不显示厚度，梁体或加紧肋仅显示简化截面，并省略其他一些细节处理操作，占用内存较小，能够适应初步设计阶段频

8、繁变更的情况。对于通过SDD模块创立的详细设计模型，每一个钢结构构件以零件形式存储，模型完整表现其设计细节，占用较大内存，适用于局部范围内存在变更的详细设计阶段。根据几何特点及重用性，将全桥钢箱梁节段分为标准节段、钢混结合段等8种类型。模板工程师依次使用SFD、SDD模块创立这8种类型的节段模板并存储于模板库后，桥梁工程师在CATIA软件上借助EKL脚本语言使用其Action功能，读取设计表格的内容，从模板库选择不同类型的钢箱节段模板实例化到相应的骨架位置，完成全桥钢箱梁BIM设计。钢箱梁SDD模型模板工程师创立梁、墩、台、根底等桥梁构件模板，桥梁工程师将这些模板在骨架上实例化，与已经成功实例

9、化的钢箱梁模型一起，组成了全桥BIM模型。全桥BIM模型钢束BIM设计综合运用用户定义特征UDF和KnowledgePattern功能，使用达索内嵌EKL语言通过二次开发建立单根钢束BIM模板，将全桥钢束平弯及竖弯尺寸信息存储于数据表格。使用其Action功能，编制EKL语言程序循环读取设计表格内的钢束尺寸和定位信息，调用并实例化钢束BIM模板，最终建立全桥三维钢束模型。主桥局部钢束BIM模型采用此模板生成的钢束BIM模型能够适应桥梁所在空间线位在平面和纵断面内的弯曲。钢筋BIM协同设计使用TEKLA软件创立索塔上塔柱钢筋模型并输出工业根底类IFC格式的文件，达索作为支持IFC标准的BIM软件

10、，读入TEKLA模型输出的IFC文件后，在达索软件同时存储了混凝土主体结构和钢筋模型。这样就充分利用两种BIM平台的各自优势，实现了基于软件间协同的钢筋BIM设计。BIM应用用钢量统计SDD模块下的钢结构模型中，每一种钢结构构件都包含有材料信息及几何信息，与面向对象程序开发语言中类和属性的关系相似，每一种构件作为一个类，材料和几何信息是这个类的属性，每一个具体的钢结构构件就是类实例化出来的对象。达索软件向用户提供了个性化编制钢结构工程数量报表的方法，用户可以选择需要统计的钢结构构件类型以及其属性，同时，用户还能自定义输出报表的格式，从而实现用钢量统计。统计结果以Excel表格的形式输出，表格中

11、包含钢板厚度、结构材料及钢材重量等内容。同一个钢结构工程数量报表模板可用于输出不同BIM模型的钢材用量，因此，当钢结构设计结果发生变化时，使用相同的工程数量报表模板，能自动输出不同设计阶段的工程数量表。钢结构出图在SDD模块下生成了钢结构详细BIM模型，借助达索软件出图功能以这些详细BIM模型为根底，创立，钢箱梁二维图纸，包括断面图、大样图及其尺寸标注。传统设计手段下，设计变更导致的出图工作量是非常巨大的。在东平水道特大桥BIM设计过程中，三维模型发生变化时，二维图纸内容随之同步更新。标准验证铁路BIM联盟于2021年初启动了铁路工程数据存储标准制定工作，在IFC4标准根底上，遵循固有模式，通

12、过动态和静态扩展相结合的方式，增加铁路工程领域概念的表达能力。由于东平水道特大桥包含的构件类型非常丰富，因此，依托东平水道特大桥BIM设计，对桥梁工程信息模型实体类扩展进行了研究。铁路IFC标准中，桥梁实体类(IfcBridge)既可以表示桥梁工程的一个同时包含多座特殊结构桥梁和普通简支梁桥、连续梁桥的桥梁工点，也可以表示单一特殊结构桥梁，二者通过CompositionType属性的取值进行区分。前者使用属性值COMPLEX，后者使用属性值ELEMENT。以东平水道特大桥为例，主桥、引桥共同构成一个桥梁工点，可以用"CompositionType属性值=COMPLEX"的I

13、fcBridge对象表示。独塔钢混斜拉桥主桥作为一个单一特殊结构，可以用"CompositionType属性值=ELEMENT"的IfcBridge对象表示。桥梁结构组成实体类IfcBridgePart，指的是桥梁实体类IfCBridge包含的主梁、桥墩、根底、桥台等组成局部，IfcBridgePart通过预定义类型属性进一步细分。桥梁空间结构单元之间的继承层次关系如下。桥梁空间结构单元Express-G图以下列图为东平水道特大桥主桥空间结构分解示意，此图表达了桥梁实体类和桥梁结构组成实体类之间的相互关系。桥梁空间结构分解示意图有限元分析作为达索软件的两个分支，SIMULI

14、A和CATIA分别具有有限元计算和三维建模的功能，本工程借助这两个模块，实现了BIM设计和有限元计算的一体化应用。有限元计算通过SIMULIA实现，结构分析人员将BIM模型从SFD模块切换至SIMULIA后，为结构材料指定容重、弹性模量、热膨胀系数等力学特性值。划分网格、施加边界条件及外荷载，即可开展有限元计算。从SIMULIA切换至CATIA后，修改BIM设计模型，再切换至SIMULIA，有限元计算模型可随设计模型自动更新，用户再根据最新计算模型重新进行力学分析，实现了建模、分析的一体化操作。钢筋二维出图使用C#对TEKLA软件进行二次开发，使其具备输出符合行业特定要求钢筋图的功能，利用二次开发成果，读取TEKLA中的钢筋BIM模型，自动输出二维钢筋图，该图纸包括钢筋尺寸标注及其数量表。三维BIM模型修改后，二维钢筋图及其数量表可随之更新，不需手动修改，从而提高了设计效率，实现了建模、出图的一体化操作。在BIM设计过程中，主要采用"骨架–模板"的建模方法，利用达索软件的多模块数据库共用特性、借助IFC通用数据格式，实现了专业内协同、专业间协同及软件协同设计。经过空间解析几何的研究并结合EKL脚本程序开发