東平水道特大橋位于佛山市南海區(qū)，為新型公共交通跨越東平水道而設(shè)，主橋范圍內(nèi)新交通和公路同層布置，引橋采用分幅橋與主橋順接。主橋采用獨(dú)塔雙索面鋼– 混混合梁斜拉橋，跨徑組成為（35.0+260.0+51.5+66.0+62.5）m，主橋長475.0m ；橋面布置包括：雙向6車道公路，2線軌道交通及兩側(cè)人行道，總橋面寬46.5m。
鋼主梁采用分離式流線形扁平鋼箱梁，混凝土主梁采用分離式預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁。索塔橫橋向采用“a”字形混凝土塔。為了提升該橋的設(shè)計(jì)水平和成品質(zhì)量，對其開展bim 設(shè)計(jì)，從而使該橋成為國內(nèi)第一座采用bim設(shè)計(jì)的公軌兩用斜拉橋。
本橋在進(jìn)行bim設(shè)計(jì)時(shí)，采用了達(dá)索和tekla 2種軟件，而達(dá)索作為一個(gè)平臺型軟件，又包括simulia、enovia、catia等多個(gè)專業(yè)化的分支軟件。
文章從bim設(shè)計(jì)和應(yīng)用兩方面對該橋進(jìn)行介紹。
bim設(shè)計(jì)
模型精細(xì)度
在設(shè)計(jì)過程中，模型精度等級符合《鐵路工程信息模型交付精度標(biāo)準(zhǔn)》中l(wèi)od3.5級的要求，與施工圖設(shè)計(jì)階段相對應(yīng)，創(chuàng)建全橋精細(xì)化bim模型，包括主橋、引橋、橋塔、鋼箱梁、普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力筋等構(gòu)件。
bim協(xié)同設(shè)計(jì)
達(dá)索軟件所具備的公有服務(wù)器存儲模式，使得本項(xiàng)目在bim設(shè)計(jì)過程中，充分發(fā)揮其協(xié)同設(shè)計(jì)的優(yōu)勢成為可能。具體包括專業(yè)間協(xié)同、專業(yè)內(nèi)協(xié)同和軟件之間的協(xié)同。
專業(yè)間協(xié)同方面，測繪專業(yè)、線路專業(yè)分別完成地形曲面、空間線位的bim 設(shè)計(jì)，橋梁專業(yè)以此為基礎(chǔ)進(jìn)行橋梁專業(yè)bim 設(shè)計(jì)，軌道專業(yè)在橋梁專業(yè)成果基礎(chǔ)上開展橋面設(shè)施的bim 設(shè)計(jì)。
專業(yè)內(nèi)協(xié)同方面。橋梁專業(yè)bim 參與人員分為骨架設(shè)計(jì)師、模板設(shè)計(jì)師、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師等多個(gè)不同角色，這些不同角色的參與人員在同一軟件平臺上對同一工程對象開展工作，分工明確，最終完成全橋從初步設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)不同階段的工作。
軟件協(xié)同方面。達(dá)索作為一個(gè)以公有服務(wù)器為存儲模式、且源于機(jī)械航空領(lǐng)域的綜合軟件平臺，包含多個(gè)不同功能的模塊，在模型管理、協(xié)同設(shè)計(jì)及空間幾何造型上獨(dú)具優(yōu)勢；tekla軟件擅長處理鋼結(jié)構(gòu)的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的二維出圖和鋼筋數(shù)量統(tǒng)計(jì)方面也很有優(yōu)勢。本項(xiàng)目以達(dá)索軟件作為基礎(chǔ)平臺，取各軟件之長，以catia軟件為核心建模工具，分別使用tekla軟件和simulia軟件進(jìn)行鋼筋設(shè)計(jì)和有限元計(jì)算，使用enovia軟件進(jìn)行人員工作安排，從而實(shí)時(shí)掌握工作任務(wù)完成情況，把握設(shè)計(jì)進(jìn)度。
骨架設(shè)計(jì)
采用“骨架– 模板”的方法創(chuàng)建全橋模型，在這種方法中，“骨架”既是模型構(gòu)件的定位基準(zhǔn)，也作為其幾何組成，在本項(xiàng)目中，骨架以空間坐標(biāo)系群的方式存在。全橋定位骨架和鋼箱梁定位骨架的創(chuàng)建方法有所不同，后者是骨架設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。
在全橋骨架設(shè)計(jì)過程中，同時(shí)發(fā)揮了專業(yè)間和專業(yè)內(nèi)協(xié)同的優(yōu)勢，線路專業(yè)成功創(chuàng)建空間線位后，橋梁骨架工程師以此為基礎(chǔ)，在catia軟件上借助ekl腳本語言，使用其knowledge pattern功能，依次循環(huán)讀取表格中存儲的橋梁構(gòu)件定位數(shù)據(jù)，批量生成空間坐標(biāo)系，完成骨架模型的創(chuàng)建。橋梁工程師將以此骨架為輸入條件實(shí)例化各類橋梁構(gòu)件的模板，完成全橋bim建模。
鋼箱梁骨架設(shè)計(jì)是全橋骨架設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。由于本橋所在空間線位具有豎曲線，對于具有豎彎線型的鋼結(jié)構(gòu)，為了保證鋼板厚度順暢過渡，相鄰節(jié)段的分界面不是豎直的，而是相鄰節(jié)段頂緣面的角平分面，這樣才能保證相同厚度鋼板被此面分隔后的交界尺寸相等，也就不會出現(xiàn)板件相錯(cuò)的情況。
鋼箱梁骨架坐標(biāo)系的yz 平面即是相鄰鋼箱節(jié)段的分界面，為了使鋼箱梁骨架坐標(biāo)系符合上述相鄰節(jié)段分界面的空間位置要求，使用空間解析幾何的方法，以v1，v2，v3 向量為輸入條件，研究出下式所描述的鋼箱梁骨架坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣：
wl l= { v l 1 x , v l 1 y , v l 1 z} = { ( v1+ v2 ) × v3× ( v1+v2 ) , (v1+v2 ) ×v3 ,v1+v2 }
由于v1、v2向量是通過節(jié)段頂點(diǎn)連線生成，v3是已知的水平向量，因此，能夠使用節(jié)段端點(diǎn)空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，借助骨架坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣，生成足以保證相鄰鋼板厚度均勻過渡的骨架定位坐標(biāo)系。ekl腳本程序根據(jù)上述規(guī)則批量生成的鋼箱骨架坐標(biāo)系。
鋼箱梁骨架設(shè)計(jì)
引橋bim設(shè)計(jì)
作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在bim設(shè)計(jì)過程中，針對引橋各類構(gòu)件的幾何特點(diǎn)，分別創(chuàng)建了梁體、橋墩、橋臺、基礎(chǔ)的通用性模板。在catia軟件上借助ekl腳本語言，使用其action功能，依次循環(huán)讀取設(shè)計(jì)表格中存儲的橋梁構(gòu)件定位數(shù)據(jù)及模板參數(shù)數(shù)據(jù)，在引橋骨架上批量實(shí)例化各類構(gòu)件的模板，從而完成引橋bim建模。
引橋bim模型
鋼箱梁設(shè)計(jì)
主橋鋼箱梁bim設(shè)計(jì)采用catia軟件鋼結(jié)構(gòu)模塊完成。對于每一個(gè)鋼箱節(jié)段，遵循從初步設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)的原則，兩個(gè)設(shè)計(jì)階段分別在結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)（sfd）和結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)（sdd）模塊下完成。
鋼箱梁sfd模型
對于通過sfd模塊創(chuàng)建的初步設(shè)計(jì)模型，每一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件以特征形式存儲，板件不顯示厚度，梁體或加緊肋僅顯示簡化截面，并省略其他一些細(xì)節(jié)處理操作，占用內(nèi)存較小，能夠適應(yīng)初步設(shè)計(jì)階段頻繁變更的情況。
對于通過sdd模塊創(chuàng)建的詳細(xì)設(shè)計(jì)模型，每一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件以零件形式存儲，模型完整表現(xiàn)其設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，占用較大內(nèi)存，適用于局部范圍內(nèi)存在變更的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。根據(jù)幾何特點(diǎn)及重用性，將全橋鋼箱梁節(jié)段分為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段、鋼混結(jié)合段等8種類型。模板工程師依次使用sfd、sdd模塊創(chuàng)建這8種類型的節(jié)段模板并存儲于模板庫后，橋梁工程師在catia軟件上借助ekl腳本語言使用其action功能，讀取設(shè)計(jì)表格的內(nèi)容，從模板庫選擇不同類型的鋼箱節(jié)段模板實(shí)例化到相應(yīng)的骨架位置，完成全橋鋼箱梁bim設(shè)計(jì)。
鋼箱梁sdd模型
模板工程師創(chuàng)建梁、墩、臺、基礎(chǔ)等橋梁構(gòu)件模板，橋梁工程師將這些模板在骨架上實(shí)例化，與已經(jīng)成功實(shí)例化的鋼箱梁模型一起，組成了全橋bim模型。
全橋bim模型
鋼束bim設(shè)計(jì)
綜合運(yùn)用用戶定義特征（udf）和knowledgepattern功能，使用達(dá)索內(nèi)嵌ekl語言通過二次開發(fā)建立單根鋼束bim 模板，將全橋鋼束平彎及豎彎尺寸信息存儲于數(shù)據(jù)表格。使用其action功能，編制ekl語言程序循環(huán)讀取設(shè)計(jì)表格內(nèi)的鋼束尺寸和定位信息，調(diào)用并實(shí)例化鋼束bim模板，最終建立全橋三維鋼束模型。
主橋部分鋼束bim模型
采用此模板生成的鋼束bim 模型能夠適應(yīng)橋梁所在空間線位在平面和縱斷面內(nèi)的彎曲。
鋼筋bim協(xié)同設(shè)計(jì)
使用tekla軟件創(chuàng)建索塔上塔柱鋼筋模型并輸出工業(yè)基礎(chǔ)類（ifc）格式的文件，達(dá)索作為支持ifc標(biāo)準(zhǔn)的bim軟件，讀入tekla模型輸出的ifc文件后，在達(dá)索軟件同時(shí)存儲了混凝土主體結(jié)構(gòu)和鋼筋模型。這樣就充分利用兩種bim 平臺的各自優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了基于軟件間協(xié)同的鋼筋bim設(shè)計(jì)。
bim應(yīng)用
用鋼量統(tǒng)計(jì)
sdd模塊下的鋼結(jié)構(gòu)模型中，每一種鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件都包含有材料信息及幾何信息，與面向?qū)ο蟪绦蜷_發(fā)語言中類和屬性的關(guān)系相似，每一種構(gòu)件作為一個(gè)類，材料和幾何信息是這個(gè)類的屬性，每一個(gè)具體的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件就是類實(shí)例化出來的對象。
達(dá)索軟件向用戶提供了個(gè)性化編制鋼結(jié)構(gòu)工程數(shù)量報(bào)表的方法，用戶可以選擇需要統(tǒng)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件類型以及其屬性，同時(shí)，用戶還能自定義輸出報(bào)表的格式，從而實(shí)現(xiàn)用鋼量統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果以excel 表格的形式輸出，表格中包含鋼板厚度、結(jié)構(gòu)材料及鋼材重量等內(nèi)容。
同一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)工程數(shù)量報(bào)表模板可用于輸出不同bim模型的鋼材用量，因此，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果發(fā)生變化時(shí)，使用相同的工程數(shù)量報(bào)表模板，能自動(dòng)輸出不同設(shè)計(jì)階段的工程數(shù)量表。
鋼結(jié)構(gòu)出圖
在sdd 模塊下生成了鋼結(jié)構(gòu)詳細(xì)bim模型，借助達(dá)索軟件出圖功能以這些詳細(xì)bim 模型為基礎(chǔ)，創(chuàng)建，鋼箱梁二維圖紙，包括斷面圖、大樣圖及其尺寸標(biāo)注。
傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段下，設(shè)計(jì)變更導(dǎo)致的出圖工作量是非常巨大的。在東平水道特大橋bim設(shè)計(jì)過程中，三維模型發(fā)生變化時(shí)，二維圖紙內(nèi)容隨之同步更新。
標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證
鐵路bim聯(lián)盟于2015年初啟動(dòng)了鐵路工程數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)制定工作，在ifc4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，遵循固有模式，通過動(dòng)態(tài)和靜態(tài)擴(kuò)展相結(jié)合的方式，增加鐵路工程領(lǐng)域概念的表達(dá)能力。由于東平水道特大橋包含的構(gòu)件類型非常豐富，因此，依托東平水道特大橋bim 設(shè)計(jì)，對橋梁工程信息模型實(shí)體類擴(kuò)展進(jìn)行了研究。
鐵路ifc標(biāo)準(zhǔn)中，橋梁實(shí)體類(ifcbridge) 既可以表示橋梁工程的一個(gè)同時(shí)包含多座特殊結(jié)構(gòu)橋梁和普通簡支梁橋、連續(xù)梁橋的橋梁工點(diǎn)，也可以表示單一特殊結(jié)構(gòu)橋梁，二者通過compositiontype屬性的取值進(jìn)行區(qū)分。前者使用屬性值complex，后者使用屬性值element。
以東平水道特大橋?yàn)槔鳂?、引橋共同?gòu)成一個(gè)橋梁工點(diǎn)，可以用“compositiontype 屬性值=complex”的ifcbridge對象表示。獨(dú)塔鋼混斜拉橋主橋作為一個(gè)單一特殊結(jié)構(gòu)，可以用“compositiontype 屬性值=element”的ifcbridge 對象表示。
橋梁結(jié)構(gòu)組成實(shí)體類（ifcbridgepart），指的是橋梁實(shí)體類（ifcbridge）包含的主梁、橋墩、基礎(chǔ)、橋臺等組成部分，ifcbridgepart 通過預(yù)定義類型屬性進(jìn)一步細(xì)分。
橋梁空間結(jié)構(gòu)單元之間的繼承層次關(guān)系如下。
橋梁空間結(jié)構(gòu)單元express-g圖
下圖為東平水道特大橋主橋空間結(jié)構(gòu)分解示意，此圖表達(dá)了橋梁實(shí)體類和橋梁結(jié)構(gòu)組成實(shí)體類之間的相互關(guān)系。
橋梁空間結(jié)構(gòu)分解示意圖
有限元分析
作為達(dá)索軟件的兩個(gè)分支，simulia和catia分別具有有限元計(jì)算和三維建模的功能，本項(xiàng)目借助這兩個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)了bim設(shè)計(jì)和有限元計(jì)算的一體化應(yīng)用。
有限元計(jì)算通過simulia實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)分析人員將bim模型從sfd模塊切換至simulia后，為結(jié)構(gòu)材料指定容重、彈性模量、熱膨脹系數(shù)等力學(xué)特性值。劃分網(wǎng)格、施加邊界條件及外荷載，即可開展有限元計(jì)算。
從simulia切換至catia后，修改bim設(shè)計(jì)模型，再切換至simulia，有限元計(jì)算模型可隨設(shè)計(jì)模型自動(dòng)更新，用戶再根據(jù)最新計(jì)算模型重新進(jìn)行力學(xué)分析，實(shí)現(xiàn)了建模、分析的一體化操作。
鋼筋二維出圖
使用c#對tekla軟件進(jìn)行二次開發(fā)，使其具備輸出符合行業(yè)特定要求鋼筋圖的功能，利用二次開發(fā)成果，讀取tekla中的鋼筋bim模型，自動(dòng)輸出二維鋼筋圖，該圖紙包括鋼筋尺寸標(biāo)注及其數(shù)量表。
三維bim模型修改后，二維鋼筋圖及其數(shù)量表可隨之更新，不需手動(dòng)修改，從而提高了設(shè)計(jì)效率，實(shí)現(xiàn)了建模、出圖的一體化操作。
在bim設(shè)計(jì)過程中，主要采用“骨架– 模板”的建模方法，利用達(dá)索軟件的多模塊數(shù)據(jù)庫共用特性、借助ifc通用數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)了專業(yè)內(nèi)協(xié)同、專業(yè)間協(xié)同及軟件協(xié)同設(shè)計(jì)。
經(jīng)過空間解析幾何的研究并結(jié)合ekl 腳本程序開發(fā)，批量創(chuàng)建符合要求的橋梁各部件骨架，為模型實(shí)例化創(chuàng)造了有利條件。使用達(dá)索鋼結(jié)構(gòu)模塊，完成了從初步到詳細(xì)的鋼箱梁bim設(shè)計(jì)。同時(shí)，本項(xiàng)目還實(shí)現(xiàn)了鋼筋和鋼束的bim設(shè)計(jì)。
bim應(yīng)用方面，用鋼量統(tǒng)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)出圖、有限元分析這3種bim 應(yīng)用都是在達(dá)索軟件內(nèi)部不同模塊下實(shí)現(xiàn)，鋼筋二維出圖是在tekla中完成的。這些應(yīng)用都實(shí)現(xiàn)了一體化的操作流程，當(dāng)bim模型發(fā)生變化時(shí)，工程數(shù)量表、二維圖紙、有限元模型隨之同步更新。同時(shí)，依托本項(xiàng)目，對鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究。