周應(yīng)華 瞿 浩 景 磊

(中鐵二局集團勘測設(shè)計院有限責任公司，成都 610031)

引言

近年來，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高速發(fā)展和鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞、焊接、震動及橋梁上下結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造、施工等方面技術(shù)的日益成熟與發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)橋梁已廣泛應(yīng)用于鐵路、公路、公鐵兩用橋及人行天橋。但是傳統(tǒng)的基于平面圖形的表達方式和基于計算表的工程量統(tǒng)計方法都不太滿足復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)拱橋的應(yīng)用[1]，本文試圖通過鄭萬鐵路巫山大寧河雙線大橋工程，基于CATIA軟件，提出一套適合鋼結(jié)構(gòu)橋梁的精細化建模的流程和方法，實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)橋梁工程量自動統(tǒng)計，顯著提升復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)橋梁工程量統(tǒng)計的效率和精度。

1 項目特點簡介

鄭萬鐵路巫山大寧河雙線大橋為設(shè)計時速350km/h無砟軌道客運專線雙線鐵路橋梁，該橋位于重慶市巫山縣境內(nèi)，橋梁全長372m，主橋為中承式拱橋，該橋主橋主拱圈跨度282m，矢高70.5m，矢跨比1： 4，為超大跨度鐵路拱橋，設(shè)計新穎，技術(shù)含量高。主橋主拱圈采用鋼管混凝土勁性骨架鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主拱圈主要由兩片平行布置的主拱肋箱體通過橫梁連接組成，主拱肋箱體橫向?qū)挾葹?.9m，主拱肋箱體高度從拱腳處6.9m過渡到拱頂截面處的3.9m，按1.5次拋物線變化。橋型布置圖如圖1所示。

主橋主拱圈采用勁性骨架鋼結(jié)構(gòu)形式，構(gòu)件種類繁多、形狀各異、數(shù)量龐大、非標件多，而在橋梁施工過程中在對設(shè)計量的復(fù)核、鋼結(jié)構(gòu)招標、運輸?shù)跹b方案設(shè)計和竣工驗收等方面都需要進行多次不同維度的鋼結(jié)構(gòu)工程量統(tǒng)計。現(xiàn)階段施工人員進行鋼結(jié)構(gòu)橋梁的工程量統(tǒng)計時，多根據(jù)設(shè)計圖紙的規(guī)格尺寸按照型材、板材和管材等不同類型采用計算表進行手算[2]，計算效率低下，針對勁性骨架這種復(fù)雜形式的橋梁，計算工作量太大，給施工人員造成巨大壓力； 并且同種構(gòu)件通常是通過標準斷面圖計算出工程量然后推算出類似斷面的工程量，節(jié)點構(gòu)件無法按照焊接或栓接后的實際工程量進行計算，計算精度不高，很多形狀復(fù)雜、參數(shù)變化的構(gòu)件無法得到精確工程量[3]。

圖1 全橋布置

圖2 全橋效果

2 鋼結(jié)構(gòu)橋梁的BIM精細化建模

鄭萬鐵路巫山大寧河雙線大橋有空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)組裝、零部件數(shù)量多尺寸變化大等特點。為了解決該橋梁基于BIM模型的鋼結(jié)構(gòu)工程量統(tǒng)計問題，決定采用CATIA的“骨架+模板”的三維建模方法[4]，并且應(yīng)用知識工程的參數(shù)化設(shè)計，其中骨架參數(shù)主要用于橋梁空間尺寸的控制和定位，模板參數(shù)中包含每個零部件的屬性信息，方便后期更精確快速地統(tǒng)計出鋼結(jié)構(gòu)橋梁的工程量。

通過本項目應(yīng)用，總結(jié)出一個標準化建模流程：通過建立通用性好的材質(zhì)特征庫和構(gòu)件模板庫，能夠方便類似的鋼結(jié)構(gòu)橋梁工程進行重復(fù)使用，提高利用率和類似工程的計算效率，同時針對每個構(gòu)件都進行獨立定位和獨立建模，真實反映每個構(gòu)件的實際結(jié)構(gòu)形狀、拼接關(guān)系和空間位置，建立更加定位精確、結(jié)構(gòu)準確的三維模型，以便對待建鋼結(jié)構(gòu)橋梁的工程量進行精確計算，指導(dǎo)構(gòu)件的實際加工和安裝，有效解決很多形狀復(fù)雜、參數(shù)多變的構(gòu)件的計算，提高桁架、鋼拱和鋼箱梁等分段長度的準確性，便于統(tǒng)計鋼結(jié)構(gòu)橋梁分段、分節(jié)的工程量，有利于提高施工組織設(shè)計的編制質(zhì)量和大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁的施工效率和施工質(zhì)量。建模流程如圖3所示。

圖3 建模流程

2.1 定義材質(zhì)特征庫

按照鋼結(jié)構(gòu)橋梁材質(zhì)特點和統(tǒng)計需要，先將材質(zhì)特征庫分為3類材質(zhì)：鋼材材質(zhì)、涂層材質(zhì)和焊縫材質(zhì)。然后根據(jù)圖紙中的材質(zhì)描述，在材質(zhì)特征庫中進行材質(zhì)名稱和相關(guān)屬性定義，形成適合該工程的材質(zhì)特征庫。

鋼材材質(zhì)庫：Q370qE、Q420qE、Q345D等；

涂料材質(zhì)庫：特制環(huán)氧富鋅底漆、環(huán)氧云鐵中間漆、氟碳面漆、環(huán)氧富鋅底漆、環(huán)氧厚漿漆等；

焊材材質(zhì)庫：H08MnA、H10Mn2、H60Q、ER50-G、實芯E501T-1L等。

2.2 建立構(gòu)件模板庫

根據(jù)圖紙整理鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件類型，分別搭建各個構(gòu)件的模板庫，按照構(gòu)件特點分析輸入條件和參數(shù)信息，模板庫輸入條件主要包括控制模板位置和偏移方向的點線面等參考對象，模板庫的信息包含待建鋼結(jié)構(gòu)橋梁的各個構(gòu)件的幾何尺寸規(guī)格參數(shù)、參考位置偏移量和材質(zhì)等。

(1)按照輸入條件對構(gòu)件模板進行分類

為了方便建立模板過程中的資料互用和模板間的統(tǒng)一，提升建模效率，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)橋梁節(jié)點和桿件的特點，總體主要分為點模板、線模板和面模板。其中點模板主要為節(jié)點板、隔板、拼接板和填板等，線模板主要為鋼管、平聯(lián)直桿、平聯(lián)斜桿、正腹桿、斜腹桿和斜撐等，面模板為頂板、底板和側(cè)板等[5]。

(2)建立各構(gòu)件模板

點模板的創(chuàng)建，以鋼結(jié)構(gòu)橋梁中的節(jié)點板為例：根據(jù)節(jié)點板特點，制作其模板時，將節(jié)點板內(nèi)空心圓的圓心點作為輸入條件，以便確定節(jié)點板的精確位置和與空間相對關(guān)系； 由于節(jié)點板尺寸參數(shù)比較多，按照參數(shù)約束關(guān)系和規(guī)格因素，選擇了半徑參數(shù)、各邊長度參數(shù)、厚度參數(shù)等多個參數(shù)作為規(guī)格尺寸控制變量[6]； 某些節(jié)點板由于焊接位置的不同，需要添加方向輸入或者距離參數(shù)來控制角度方向； 最后需要加上鋼材、涂料和焊縫等材質(zhì)信息。

線模板的創(chuàng)建，比如鋼管模板，與點模板的區(qū)別在于鋼管主要參考軸向中心線和兩個端點作為輸入條件，如果軸向中心線為直線，則只需要兩個端點的輸入。而像頂板之類的面模板的創(chuàng)建，輸入條件主要為平面和點，根據(jù)板的輪廓和孔洞等需要，一般會有多個點的輸入來幫助定位； 根據(jù)頂板輪廓的規(guī)則程度和變化規(guī)律，除了邊長參數(shù)和厚度參數(shù)外，還會有一些特定的變量參數(shù)。

圖4 模型尺寸參數(shù)

2.3 建立橋梁的空間控制點

巫山大寧河大橋是勁性骨架鋼筋混凝土拱橋，在搭建橋梁主體模型的第一步就是確定橋梁的空間控制點，其中主要是創(chuàng)建線路中心線和拱軸線[7]。

(1)線路中心線

參考圖紙中的平曲線和豎曲線等信息計算橋梁空間定位，找到線路中心線的控制點坐標，可以通過絕對坐標和相對坐標兩種方式創(chuàng)建點特征，進而得到線路中心線。

(2)拱軸線

得到線路中心線后，通過線路中心線和橋梁布置圖上的相對關(guān)系創(chuàng)建橋梁模型的XYZ相對坐標系，然后在這個坐標系上通過圖紙空間坐標創(chuàng)建若干個空間控制點，將空間控制點進行樣條線擬合，進而得到拱軸線和相應(yīng)的斷面。

圖5 控制點坐標

2.4 建立各構(gòu)件的定位點

巫山大寧河大橋造型復(fù)雜，主橋為中承式鋼筋混凝土平行拱橋，主拱圈為縱向變高的外包混凝土勁性骨架箱形結(jié)構(gòu)，全橋共有35個勁性結(jié)構(gòu)控制截面，各個節(jié)點板和桿件的尺寸與搭接角度都不相同，所以在建模過程中，需要結(jié)合已得到的拱軸線上斷面和圖紙中各個截面的相對位置關(guān)系，得到各個搭接節(jié)點定位點。

圖6 節(jié)點板定位

2.5 各構(gòu)件創(chuàng)建和整合

根據(jù)各構(gòu)件的結(jié)構(gòu)詳圖和數(shù)量表，建立待建鋼結(jié)構(gòu)橋梁模型。首先按照構(gòu)件位置和名稱，搭建模型結(jié)構(gòu)樹，便于模型的分類和查找； 然后調(diào)用各構(gòu)件模板，按照設(shè)計圖紙中的位置關(guān)系和模板輸入要求，將各個構(gòu)件的結(jié)構(gòu)定位點和參考線面等作為輸入條件，并根據(jù)圖紙數(shù)量表數(shù)據(jù)修改每個模板的規(guī)格和材質(zhì)等參數(shù)，實例化后就得到該構(gòu)件的模型[5]； 所有構(gòu)件創(chuàng)建完成后，基于模型結(jié)構(gòu)樹進行位置參考和整合，就得到了大橋鋼結(jié)構(gòu)的完整模型。

圖7 全橋模型

3 鋼結(jié)構(gòu)橋梁的工程量自動統(tǒng)計

完成BIM模型后，如果人工手動量取模型參數(shù)和體積，無疑費時費力、重復(fù)性多、出錯率高，嚴重降低工作效率。為此，考慮采用VB對CATIA進行二次開發(fā)，快速方便地在CATIA提供的編輯器環(huán)境中進行中小程序的開發(fā)[8]，可以快速批量化實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)橋梁的工程量數(shù)據(jù)提取和分類存儲。然后通過程序引用EXCEL庫，將該參數(shù)按照工程量統(tǒng)計要求處理后寫入生成的EXCEL表格[9]，并按照指定表格格式進行調(diào)整和保存，就可以實現(xiàn)工程量表的自動生成，減少手動操作的重復(fù)勞動和出錯的幾率，提高了工作效率和質(zhì)量。

圖8 自動統(tǒng)計流程

3.1 模型處理與拆分

按照工程量統(tǒng)計的要求，需要對統(tǒng)計工程量的部分模型進行必要的處理和拆分，方便后期對工程量的自動統(tǒng)計和分析。其中主要包括如下兩個部分：

(1)統(tǒng)計模型歸類

在搭建完整的模型后，所有模型都按照構(gòu)件類型和位置進行了集合和分類，但是有時候工程量統(tǒng)計并不需要統(tǒng)計整座橋梁所有構(gòu)件的工程量，所以首先需要將統(tǒng)計的模型再分類放入一個幾何圖形集里面，通過對模型的分類能夠區(qū)分出需要統(tǒng)計和不需要統(tǒng)計的模型，減少后期對數(shù)據(jù)進行分類處理的時間。

(2)模型拆分

在搭建模型過程中，是按照構(gòu)件為最小模型單位進行的建模，但是工程量統(tǒng)計會根據(jù)應(yīng)用要求將構(gòu)件進行更小單位的拆分，所以這時候就需要將已建好的構(gòu)件模型按照要求進行再一次拆分。

3.2 讀取模型參數(shù)信息

以CATIA VB編輯器作為開發(fā)環(huán)境[10]，調(diào)用CATIA VB接口實現(xiàn)自動批量化讀取模型參數(shù)信息的流程如下：

(1)關(guān)聯(lián)當前文件

創(chuàng)建CATMain()運行程序，調(diào)用ActiveDocument和Part接口實現(xiàn)程序與模型的關(guān)聯(lián)。

(2)選擇幾何圖形集

通過Selection接口實現(xiàn)選擇交互，在模型界面中選擇需要輸出工程量的幾何圖形集，程序會通過Item接口獲取所選擇幾何圖形集下的所有模型對象。

(3)讀取模型名稱與參數(shù)

獲得模型對象后，根據(jù)CATIA開發(fā)架構(gòu)，通過InstanceFactory、HybridShapes和Reference將模型轉(zhuǎn)化為可讀取相關(guān)信息的實例化對象。

調(diào)用Name、Volume和Parameter接口獲取實例化對象的名稱、體積和參數(shù)信息：

Set hybridShapevolume=hybridBody1.HybridShapes.Item(i)

Set oreference=partDocument1.Part.CreateReferenceFromObject(hybridShapevolume)

Set oMeasurable=oWorkbench.GetMeasurable(oreference)

GVolume=oMeasurable.Volume

bdname=hybridShapevolume.Name

Dim instance As HybridShapeInstance

Set instance=factory.AddInstance(hybridShapevolume)

Dim param1 As Parameter

Set param1=instance.GetParameter("厚度")

3.3 輸出EXCEL表格

在CATIA VB編輯器直接引用EXCEL庫，可實現(xiàn)對excel表格的讀取和輸入[11]，流程如下：

(1)讀取工程量統(tǒng)計表格模板

通過Excel.Application調(diào)用Excel庫，按照文件路徑找到工程量統(tǒng)計表格模板，調(diào)用worksheet獲得相應(yīng)表格頁。

Set ex=CreateObject("Excel.Application")

Set exwbook=Nothing

Set exsheet=Nothing

Set exwbook=ex.Workbooks().Add

Set exsheet=exwbook.Worksheets(1)

(2)數(shù)據(jù)處理及表格填寫

通過讀取模型只能得到有模型名稱、體積和參數(shù)等信息的數(shù)組，還無法滿足統(tǒng)計表格中要求填入的數(shù)據(jù)，所以需要根據(jù)模板表格要求進行算法編寫[12]，自動將得到的數(shù)組計算為統(tǒng)計數(shù)據(jù)并用Value接口填入指定表格中：

exsheet.cells(i+1， 1)Value=bdname

exsheet.cells(i+1， 2)Value=GVolume

exsheet.cells(i+1， 3)Value=param1.ValueAsString

(3)文檔保存

通過Save接口將文檔進行保存后關(guān)閉，并退出EXCEL庫。工程量統(tǒng)計表格模板就自動更新數(shù)據(jù)。

圖9 鋼管分節(jié)段統(tǒng)計表

針對本項目，通過精細化BIM模型的工程量自動統(tǒng)計技術(shù)的應(yīng)用，改變了根據(jù)二維圖紙按照不同部件類型進行計算表手算的傳統(tǒng)模式； 并且在設(shè)計變更或部分分節(jié)分段統(tǒng)計的情況下，不再需要重新計算，對模型參數(shù)化修改后就能刷新工程量，提高了工程量統(tǒng)計效率。

同時，本項目橋梁鋼結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、參數(shù)多變，通過標準斷面圖推算工程量的方式已無法計算滿足精度要求，本項目通過精細化BIM模型搭建，真實反映每個構(gòu)件的實際結(jié)構(gòu)形狀、拼接關(guān)系和空間位置，提高了桁架、鋼拱和鋼箱梁等分段長度的準確性； 并且通過程序編寫實現(xiàn)自動統(tǒng)計，減少人工統(tǒng)計失誤。

4 結(jié)語

論文通過對鋼結(jié)構(gòu)橋梁參數(shù)化建模技術(shù)和工程量自動批量化統(tǒng)計技術(shù)的研究，得出以下結(jié)論：

(1)提出了一種鋼結(jié)構(gòu)橋梁的標準化建模流程，能夠精確實現(xiàn)橋梁模型在總體空間控制和構(gòu)件參照定位。

(2)全橋所有構(gòu)件通過應(yīng)用知識工程模板搭建，確保模型與設(shè)計圖紙的一致性和模型信息的完整性，提升了建模效率和模板復(fù)用，方便模型審核和后期工程量應(yīng)用。

(3)使用VB對CATIA進行二次開發(fā)，實現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)橋梁工程量的自動批量化統(tǒng)計，增強了統(tǒng)計結(jié)果的可靠性，提高了工作效率。

以上成果是實際工程應(yīng)用的結(jié)果，希望能對類似項目的應(yīng)用具有一定的借鑒作用。