苗永抗
(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300308)
近年來(lái),鐵路混凝土連續(xù)梁施工過(guò)程中,出現(xiàn)部分質(zhì)量問(wèn)題,尤其是預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁支座附近出現(xiàn)的混凝土不密實(shí)、蜂窩麻面等問(wèn)題,一定程度上影響了連續(xù)梁的質(zhì)量,主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面[1]:
(1)支座鋼板上方及周邊存在空洞或較大范圍的混凝土松散體;
(2)支座周邊存在局部蜂窩體;
(3)兩側(cè)缺陷,零號(hào)塊或邊支段腹板側(cè)面出現(xiàn)明顯的空洞或蜂窩體。
對(duì)此,原中國(guó)鐵路總公司工程管理中心下發(fā)了《關(guān)于推廣應(yīng)用懸臂澆筑連續(xù)梁相關(guān)施工工藝的指導(dǎo)意見(jiàn)》,明確提出利用BIM技術(shù),優(yōu)化鋼筋及預(yù)應(yīng)力管道間距,形成由梁面直達(dá)底板的豎向振搗通道,必要時(shí)輔以側(cè)模開(kāi)孔振搗、中隔板過(guò)人孔天窗振搗等多孔振搗工藝,保證混凝土振搗密實(shí)。
結(jié)合文件要求,以BIM技術(shù)為依托,研究了如何快速建立預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁零號(hào)節(jié)段數(shù)據(jù)模型[2-7],并在該模型的基礎(chǔ)上,添加預(yù)應(yīng)力、普通鋼筋以及支座預(yù)埋件數(shù)據(jù),滿足開(kāi)展深化設(shè)計(jì)工作精度要求。深化設(shè)計(jì)完成后,直接生成與BIM模型匹配的2D圖紙,滿足施工要求。
研究結(jié)果表明,基于BIM技術(shù)開(kāi)展連續(xù)梁零號(hào)節(jié)段深化設(shè)計(jì)工作,能夠更加清晰、便捷的發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的不足,提升設(shè)計(jì)質(zhì)量;同時(shí),基于深化完成的BIM模型直接生成2D施工圖、統(tǒng)計(jì)工程數(shù)量,實(shí)現(xiàn)BIM正向設(shè)計(jì),提升了設(shè)計(jì)效率。研究成果對(duì)BIM技術(shù)在同類型橋梁深化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用起到一定借鑒作用。
開(kāi)展基于BIM技術(shù)的連續(xù)梁零號(hào)節(jié)段深化設(shè)計(jì)工作,需要建立具備施工圖精度的BIM模型,普通鋼筋作為混凝土單元的一個(gè)子集,其建模的便捷性以及對(duì)龐大鋼筋數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)化處理方式是考驗(yàn)BIM軟件的一項(xiàng)重要指標(biāo),因此,首先通過(guò)調(diào)研,對(duì)比了幾款常見(jiàn)的BIM平臺(tái),如表1所示。
表1 幾款常見(jiàn)BIM平臺(tái)優(yōu)點(diǎn)及不足
綜合考慮以上幾款BIM平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)及不足,Tekla以其鋼筋建模的開(kāi)放性、便捷性以及結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)上的優(yōu)勢(shì),是目前較為適合開(kāi)展鐵路連續(xù)梁零號(hào)節(jié)段深化設(shè)計(jì)的BIM平臺(tái)之一。
鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁零號(hào)節(jié)段通過(guò)支座直接與橋墩相連,受力復(fù)雜。為了增加截面的橫向剛度和整體剛度,限制畸變變形并承受部分支撐反力,通常在零號(hào)節(jié)段腔室內(nèi)設(shè)置一定厚度的橫隔板。另外,由于中支點(diǎn)位置大噸位支座及支座墊板尺寸要求,通常在零號(hào)節(jié)段梁體兩側(cè)設(shè)置混凝土加靴。因此,鐵路連續(xù)梁零號(hào)節(jié)段混凝土信息模型應(yīng)由梁體、橫隔板以及加靴3部分組成。如圖1所示。
圖1 鐵路連續(xù)梁零號(hào)節(jié)段混凝土單元組合
研究結(jié)合Tekla API接口技術(shù),對(duì)上述3個(gè)部分進(jìn)行參數(shù)化建模層面的開(kāi)發(fā),其中梁體截面參數(shù)如圖2所示。
圖2 梁體截面參數(shù)示意
隔板與加靴參數(shù)與梁體類似,不再贅述。建模流程如圖3所示。
圖3 梁體建模流程
針對(duì)普通鋼筋,結(jié)合圖2所示參數(shù)化斷面,分別精確計(jì)算各單元關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)空間坐標(biāo),以橫向坐標(biāo)節(jié)點(diǎn)連線控制鋼筋大樣,以縱向坐標(biāo)節(jié)點(diǎn)連線控制鋼筋分布范圍,進(jìn)而實(shí)例化生成普通鋼筋BIM模型。
預(yù)應(yīng)力鋼束在BIM環(huán)境中為空間曲線,較平面曲線描述難度程度大為增加,由于目前缺乏成熟的空間曲線插值算法[8],采用分別在兩個(gè)垂直斷面內(nèi)描述平面曲線的方法,以插值算法擬合出空間曲線導(dǎo)線節(jié)點(diǎn)坐標(biāo),從而在BIM平臺(tái)下建立預(yù)應(yīng)力束空間曲線模型。如圖4所示。
圖4 預(yù)應(yīng)力曲線空間導(dǎo)線點(diǎn)擬合
最后,研究采用C#語(yǔ)言為開(kāi)發(fā)工具[9-16],對(duì)鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁零號(hào)節(jié)段分模塊建模,程序界面如圖5所示,建立的BIM模型如圖6所示。
圖5 連續(xù)梁零號(hào)節(jié)段建模程序界面
圖6 鐵路連續(xù)梁零號(hào)節(jié)段整體BIM模型
圖6所示模型包含信息齊全,具備深化設(shè)計(jì)條件??梢?jiàn),通過(guò)合理拆解鐵路連續(xù)梁零號(hào)節(jié)段混凝土單元,并借助程序語(yǔ)言分別建立拆解單元模型,能夠較快較好地完成整體BIM建模工作,滿足開(kāi)展深化設(shè)計(jì)要求。
依托BIM技術(shù)提供的碰撞校核、可視化、參數(shù)化等功能,對(duì)鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁零號(hào)節(jié)段開(kāi)展深化設(shè)計(jì)及應(yīng)用。
借助BIM技術(shù)的碰撞檢查功能,對(duì)全模型進(jìn)行碰撞校核檢查,重點(diǎn)查找預(yù)應(yīng)力束之間、預(yù)應(yīng)力束與腹板箍筋之間的碰撞問(wèn)題,并調(diào)整設(shè)計(jì)。如圖7所示,腹板箍筋與預(yù)應(yīng)力干擾,調(diào)整預(yù)應(yīng)力布置。
圖7 預(yù)應(yīng)力束與腹板箍筋干擾
與二維施工圖不同,在BIM環(huán)境下,普通鋼筋體現(xiàn)帶有真實(shí)彎鉤、直徑的對(duì)象,因此,二維圖紙中往往發(fā)現(xiàn)不了的問(wèn)題在BIM環(huán)境下就突顯出來(lái)。其中一個(gè)是彎鉤超出保護(hù)層的問(wèn)題,如圖8所示,按照規(guī)范要求設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)直角彎鉤,彎鉤末端超出保護(hù)層。深化設(shè)計(jì)調(diào)整其彎鉤角度,滿足彎鉤大小及保護(hù)層要求。
圖8 彎鉤末端超出保護(hù)層厚度
另一個(gè)問(wèn)題是普通鋼筋與預(yù)埋件干擾,由于支座預(yù)埋螺栓、套筒與支座加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)集中在一個(gè)BIM模型中,設(shè)計(jì)者可以清晰地查看各子部件間的空間關(guān)系,進(jìn)而開(kāi)展深化設(shè)計(jì),在滿足預(yù)埋件精確定位的前提下調(diào)整普通鋼筋位置。
通過(guò)與施工單位溝通,借助BIM模型的可視化功能,在模型中精確模擬混凝土下料孔、振搗孔分布,進(jìn)而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工,圖9所示為下料孔模擬位置。
圖9 混凝土下料孔空間示意
另外,通過(guò)獲取不同橫斷面位置預(yù)應(yīng)力束數(shù)據(jù),可進(jìn)一步完成基于BIM模型的預(yù)應(yīng)力孔道空間定位數(shù)據(jù),為預(yù)應(yīng)力孔道精確定位提供指導(dǎo)。
BIM技術(shù)的一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)就是能夠?qū)崿F(xiàn)三維模型和二維圖紙的關(guān)聯(lián)[17-20],但是在實(shí)踐過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)兩者之間關(guān)聯(lián)存在較多的問(wèn)題,主要集中在圖形表達(dá)及數(shù)量統(tǒng)計(jì)均難以滿足現(xiàn)鐵路橋梁施工圖要求。為此,開(kāi)展以下兩個(gè)方面內(nèi)容的研究。
一是按照?qǐng)D10所示流程,創(chuàng)建鐵路連續(xù)梁零號(hào)段各剖視圖。
圖10 創(chuàng)建鐵路連續(xù)梁零號(hào)段各剖視圖流程
其中,“創(chuàng)建視圖”是指根據(jù)圖紙中的某一剖視圖,在BIM模型中定位剖視位置,并根據(jù)視圖內(nèi)需要顯示的鋼筋組,定義剖視深度。主要問(wèn)題是對(duì)BIM模型中鋼筋數(shù)據(jù)的解析。如圖11所示,BIM數(shù)據(jù)庫(kù)按組存儲(chǔ)鋼筋,每個(gè)鋼筋組能夠解析出其包含的根數(shù)以及每根鋼筋的空間坐標(biāo),在此基礎(chǔ)上利用空間向量計(jì)算,創(chuàng)建二維圖紙。
圖11 單個(gè)鋼筋組解析示意
二是按照?qǐng)D12所示流程統(tǒng)計(jì)鐵路連續(xù)梁零號(hào)節(jié)段鋼筋數(shù)量。
圖12 鋼筋數(shù)量統(tǒng)計(jì)流程
其中,“按模板統(tǒng)計(jì)數(shù)量”是指統(tǒng)計(jì)運(yùn)行前在軟件平臺(tái)中定義模板。該模板主要由“行”來(lái)組成,每“行”內(nèi)由特定的幾組數(shù)據(jù)組成,分別代表統(tǒng)計(jì)內(nèi)容。同時(shí)“行”內(nèi)繪制有鋼筋大樣,如圖13所示。當(dāng)識(shí)別到某一編號(hào)的鋼筋組時(shí),程序自動(dòng)匹配該鋼筋組的形狀編號(hào),調(diào)用對(duì)應(yīng)的行來(lái)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
圖13 某大樣統(tǒng)計(jì)模板示意
上述研究?jī)?nèi)容,一定程度上實(shí)現(xiàn)了BIM模型到2D施工圖的正向設(shè)計(jì),圖紙圖面表述清晰,統(tǒng)計(jì)鋼筋數(shù)量與人工繪圖鋼筋數(shù)量相差0.22%,數(shù)量統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確。
(1)通過(guò)合理分解鐵路連續(xù)梁零號(hào)節(jié)段單元,分別建立分解單元模型再進(jìn)行布爾運(yùn)算,能夠較快較好的完成整體BIM建模工作,滿足深化設(shè)計(jì)需要。
(2)基于BIM技術(shù)開(kāi)展連續(xù)梁零號(hào)節(jié)段深化設(shè)計(jì)工作,能夠更加清晰、便捷地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的不足,提升設(shè)計(jì)質(zhì)量。
(3)基于深化完成的BIM模型直接生成2D施工圖、統(tǒng)計(jì)工程數(shù)量,實(shí)現(xiàn)BIM正向設(shè)計(jì),能夠一定程度上提高設(shè)計(jì)效率。
(4)研究成果已在京雄城際、浦梅鐵路等鐵路項(xiàng)目中得到實(shí)踐應(yīng)用,對(duì)同類型橋梁深化設(shè)計(jì)工作起到一定的借鑒作用。