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桥梁工程BIM正向设计思维

来源:桥梁杂志

1975年,查尔斯.伊斯曼(Chuck Eastman)教授提出了BIM的理念,并从20世纪末开始进入逐步发展的阶段,目前则已成为建筑、水利、交通等行业中最热门的发展方向之一。

美国国家BIM标准中,对BIM定义是比较完整的:“BIM是一个设施(建设项目)物理和功能特性的数字表达;BIM是一个共享的知识资源,是一个分享有关这个设施的信息,为该设施从概念到拆除的全生命周期中的所有决策提供可靠依据的过程;在项目的不同阶段,不同利益方通过在BIM中插入、提取、更新和修改信息,以支持和反映各自职责的协同作业。”根据该定义,这个所谓的“数字表达”就是所谓的BIM模型,既是BIM技术的基础,也是BIM技术的核心。该建立什么样的“数字表达”——BIM模型,才能满足这种不同参与方在不同阶段协同作业的各种需求呢?数字孪生技术给出了一个不错的答案。

数字孪生——Digital Twin是指“充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟空间中完成映射,从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程”。

在BIM技术发展的初期阶段,由于建模效率还不够高,构建BIM模型仍以先设计、后建模的翻模方式为主。翻模方式重现了设计成果(形似),基本能解决设计有什么的问题(设计成果),却无法解答为什么的问题(需求),更无法说明怎么样(性能),因此只是BIM技术发展初期为了探索BIM技术而采取的暂时手段。现在,越来越多的人已经开始理解并接受正向设计的重要性,并在一些项目中尝试开展BIM正向设计。

桥梁工程BIM正向设计

正向设计的概念

所谓BIM正向设计,就是在三维环境中直接开展设计的行为,包括分析项目需求、比选工程方案、选择结构形式、确定构件尺寸、推演施工方案、输出设计成果等基本过程。一般认为,BIM正向设计是传统设计流程的三维化升级,是传统设计方式的数字化和信息化的过程,也是真正以BIM模型为中心,将不同维度的相关信息进行集成统一的设计方式。

正向设计的概念主要是针对翻模方式而言的。由于目前直接进行BIM正向设计还存在很多困难,因此暂时采用 “先二维设计、后建三维BIM模型”的方式,来快速建立BIM模型,并探索BIM技术在项目全生命周期内的各种应用。

3DE环境下,目前桥梁专业的BIM模型主要采用“骨架+模板实例化”的翻模技术。这是一种“自顶向下”和“自底向上”相结合的混合建模方法:首先通过“骨架技术”自顶向下地定义对象的空间位置,并确定对象间的空间关系(无直接的工程逻辑),然后利用“模板技术”为同类型构件定义参数化模板,并利用“批量实例化技术”,以自底向上的方式批量生成完整项目模型。

桥梁骨架模型

“骨架+模板实例化”技术概念简单、思路清晰、操作性强、建模效率高,在传统设计向三维正向设计过渡的过程中,为探索BIM技术应用价值发挥了至关重要的作用,但仍然存在诸多问题。首先,驱动模型所需要的excel数据,在实际的正向设计过程中是逐渐产生的,无法一次性获得;同时,工程方案常常受多种内、外部因素影响,在设计过程中需要不停地进行方案的比选,很难事先确定对象的模板形式和构件参数值,因此批量实例化的情况并不多见。另外,通过中间数据驱动模型的方式,不能建立工程对象间直接的关联关系,无法实现即时驱动。因此,“模板实例化”的建模方法应用到正向设计过程,必须对其进一步改造。

模板实例化方案

要开展真正正向设计,必须实现这样的两个目标:建立对象间真实且复杂的关联关系、表现工程对象真实的功能。工程设计的本质,就是分析工程需求,并确定某种解决方案来响应工程需求。寻找满足某些需求的构件,因此对象本身的功能能否满足需求是方案优劣的评判标准;同时,工程方案中,任何一个构件都不可能是孤立存在的,各种构件之间必然存在各种各样的关系,只有建立这种真实的关联关系,才能准确描述工程对象的真实状态,从而正确评价对象的功能是否能满足实际需求。

3DE提出了模块化设计(Component Based Design,CBD)的概念。模块化设计以工程对象为核心进行数据和信息的组织和管理,是一种将“面向对象”和“基于组件”的思想应用到工程设计中的技术,它允许用户自定义新的对象类型和对象的BIM属性,并为对象类型分配语义几何元素。

同时,模块化技术设计还可以通过计算构件间的相互影响来简化构件模板。以锚栓和基座为例,原来在定义基座模板时,必须分别考虑基座上是否布置锚栓,并定义有锚栓和无锚栓两种形式的模板;现在利用CBD技术来定义基座模板时,可以只考虑基座本身的工程属性,只是在定义锚栓对象时,可以定义一个“影响”属性——当锚栓在基座上布置时,会自动扣减基座上相应的部分。

影响计算

基于组件的设计方法,本质上就是将工程设计转化为构件(或对象)功能设计和构件(或对象)间的关系设计,这符合我们对物理世界的认知,因此可以利用模块化技术来实现正向设计。

正向设计的特点

首先,BIM正向设计是利用三维模型的直观特性,直接在三维环境下开展设计行为:分析工程需求、比较设计方案、选择结构体系、确定构造形式、输出设计成果。因此,BIM正向设计实际上是传统二维设计的数字化和信息化的过程,是传统设计行为的升级版。

其次,三维模型的直观性能有效提高设计人员的理解和表达力,从而保证设计成果的质量。同时,还提高了与业主、施工、管理人员沟通的效率,降低了沟通成本。三维环境下,参数化模型能有效提高方案变动时调整方案的效率,实现实时同步协调,因此正向设计是一个真正协同设计的过程。

第三,正向设计的过程是一个不断分析需求,并响应需求的过程,设计人员与模型之间必然发生频繁交互,这使得模型生长相对缓慢。但正向设计得到的必然是一个真正满足工程需求的最优设计成果,从项目的全生命周期来看,高质量的BIM模型,必然带来高的应用价值。

第四,正向设计以构件为核心组织BIM信息,BIM信息的完备性容易得到保证。

正向设计的难点

虽然从项目的全生命周期来看,三维设计得到的BIM模型能带来更高的应用价值,但现阶段,市政行业三维设计还存在效率较低的实际情况,这也是阻碍BIM技术往纵深发展的主要原因。BIM设计的困难主要体现在:

首先,构建满足三维设计需求的设计环境的工作量大。要进行三维设计,必须首先建立地形、地质等三维设计环境,并要求能清晰反映设计环境对项目的真实需求。但目前地形、地质等专业的信息化模型尚无法得到实现,更无法实现与结构模型进行信息交互。

其次,虽然BIM技术能给项目全生命周期带来较高的效益,但三维设计本身是一个复杂的工作,BIM模型的生长效率较传统二维设计的效率低得多,因此三维设计目前还无法满足项目周期的需求。

另外,三维设计本身要求进行多专业和多环节流程的协同,由于受协同效率影响较大,因此协同行为的标准化是一个必须解决的问题,而目前三维协同设计仍是一个探索中的问题。

桥梁工程三维设计的流程

在桥梁专业中,正向设计过程是传统设计方式数字化和信息化的过程,是二维设计向三维设计升级的过程。正向设计一般流程包括——

1.分析设计需求

对桥梁工程而言,分析设计需求一般包括地形情况、地质条件、道路线性、交通需求和其他需求,如抗震、防洪、通航,等等。

按正向设计的需求分析,必须首先建立三维环境。目前虽然已能在3DE环境下进行地形、地质建模,但尚无法将地形的限界、净空等信息和地质信息与模型进行有效的交互,需要进一步探索如何实现地形、地质信息,按照工程的需求进行信息的再加工。

2.方案设计

在三维环境下,我们可以更高效地比选路线的走向,确定路、桥、隧的比例,桥梁结构形式,以及可行的施工方案。

3.总体设计

在桥梁专业总体设计阶段,确定墩台布置是最重要工作。

在三维环境下直行跨径布置,可以直接进行方案比选,布跨的效率更高,也更有利于快速选择上下部的结构形式。

4.构件设计

构件设计以结构计算和其他分析结果为基础,是初步设计和施工图设计阶段的重要工作。

需要说明的是,虽然BIM模型快速转换为计算模型,或直接作为计算模型在技术上是可行的,但由于设计习惯、计算环境等因素,目前仅利用BIM模型转化板壳模型和实体模型,并用于局部计算,总体计算常用的梁单元模型还需要另外建模。模块化设计(CBD)为BIM模型转化为计算模型提供了可能性,但目前还没有成熟的例子可以参考。

5.选择施工方案

利用三维环境的仿真性,可以更准确地说明施工方案。除特殊桥梁外,设计成果中包含的施工方案,是一种可行的施工方案,仍需要施工单位在施工前进一步深化,并通过专家评审后方可用于最后的施工。

6.输出设计成果

BIM正向设计的成果,包括相应设计深度的BIM模型,必要的二维图纸和计算成果。目前三维出图的效率还不高,无法满足实际项目的需求。另外,在复杂程度较高的项目中,三维表达的直观性远胜于目前的二维图纸,在三维表达能有效替代部分设计图纸的情况下,是否可以对现有图纸体系进行调整,是一个值得探索的问题。

正向设计案例

考虑到正向设计的难度和效率,开展完整的正向设计流程是困难的,但在设计的某个环节(如方案设计、结构设计等等)中开展局部正向设计工作是可行的。

贵阳市筑城广场大桥是人民大道南段道路工程中的重要节点工程之一,位于R=200m的曲线段上,采用大、小拱肋与钢桁梁共同受力的拱梁组合体系,桥梁总长236m。桁架梁跨径为93+63+80m,桥梁分上、下层布置,上层桥总宽27.2 m,下层总宽22.2 m。主拱为大、小两跨,跨径分别为90m和162m;拱肋矢高分别为59.2m、90m。拱肋采用变截面钢箱结构,设钢混结合段过渡。主梁采用中心高度6.0~6.20m的双层桥面钢桁梁,整幅式设计。下部结构采用钢筋混凝土墩和挖(钻)孔灌注桩基础。

筑城广场大桥位于城市中心地带,桥位处地形复杂。桥梁方案受接线标高、河道净空、居民小区、地铁线路等多种不利因素影响严重,常规的二维设计无法保证方案符合规范要求。因此在设计之初,就利用BIM技术进行方案比选,并最终形成了与周边环境无冲突、结构合理、景观效果优的桥梁方案。比选内容包括:拱座位置、拱肋高度、拉索布置形式、桁架形式。

筑城大桥不仅与周边环境关系复杂,而且由于桥梁位于曲线段上,自身构造也相当复杂。在施工图阶段,拱肋截面构造、拱座构造、吊杆的拱端和梁端锚固构造、桁架节点构造等复杂的局部构造,都利用BIM技术手段进行三维设计。

拱轴线采用二次抛物线构造,拱肋截面由2.5m(起拱点)渐变为2.0m(拱顶截面),拱座顶面构造受拱座顶平面与拱轴线交点处拱肋截面的构造确定,因此,在三维环境下,可方便地根据拱座顶平面的位置迅速确定拱座的构造。同时,2号拱座处,大、小拱肋的距离和相对关系,决定了拱座构造和钢筋布置。

空间吊杆的锚固构造设计,是本桥另一个比较复杂的问题。借助BIM技术的直观特性,直接进行三维空间设计,经过技术方案比选,最终确定拱端和梁端的吊杆耳板锚固形式,采用3DE的参数化手段,直接进行锚固构造设计。

BIM正向设计是传统二维设计向三维数字化和信息化的升级;建立工程对象的数字孪生体是BIM正向设计的目的,也是BIM全生命周期应用的基础环境;模块化设计(CBD)则是正向设计实现3DE Twins(数字孪生)的可行技术路线。

目前,正向设计还是一个探索中的课题,完整的正向设计还比较困难,但已可以利用BIM技术的优势进行正向设计的探索,以解决目前常规设计中的难点问题。

本文刊载 /《桥梁 · BIM视界》杂志 2019年 第4期 总第11期

作者 / 马向东

作者单位 / 上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司


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