基于BIM技術的整孔預制簡支箱梁精準架設模擬

（河北科技學院 汽車工程學院,河北 保定 071000）

0 引言

目前，國內的施工現場在整孔預制簡支箱梁的架設施工階段，通常會采用現場量測的方法得到每座橋梁所有成品梁的實際長度，然后再與其相對應的設計長度作比較得出偏差值，由此計算出每個梁縫的實際寬度。對于實際寬度與設計寬度偏差超過規范允許誤差值的梁縫，可以通過調整前一跨或多跨成品梁的縱向位置，或調取其它孔跨符合要求的相同類型成品梁來消除預制長度偏差，從而避免梁縫大小不均或超出規范允許值的情況出現。但此種方法忽略了支承墊石上錨栓孔的相對位置關系，導致在成品梁實際架設過程中，經常會出現落梁時才發現支座錨栓無法順利進入錨栓孔的情況，此時需要重新提梁對錨栓孔進行人工擴鑿后再重新落梁，消耗了大量的人力、物力和財力。因此如何提高架梁精度、加快架梁速度、減少在架梁過程中因錨栓孔與支座上的錨栓對接不上而重新落梁的問題，是目前困擾鐵路橋梁架設的一個難題[1-3]。為解決上述問題，本文利用BIM技術對整孔預制簡支箱梁精準架設數據進行了事先模擬，預先得出所有待架梁體的最優架設順序，提前處理施工階段可能出現的梁縫不均、落梁困難、錨栓孔位置不準確等各種問題，提高架梁施工的工作效率[4]。

1 基于BIM技術的整孔預制簡支箱梁精準架設模擬

1.1 BIM模型建立

為了驗證本文中整孔預制簡支箱梁精準架設系統的可行性和實用性，針對某高速鐵路客運線路中簡支箱梁橋具有里程長、橋墩類型不唯一且部分橋墩構造較為復雜的特點，本文應用BIM技術建立了簡支箱梁橋BIM模型，為后續應用Navisworks軟件進行橋梁碰撞檢測提供BIM模型。

1.1.1 Revit軟件介紹

Autodesk Revit軟件是美國Autodesk公司旗下的BIM核心建模軟件，主要應用于建筑工程領域，用戶可以用其強大的參數化建模功能構建工程項目的BIM模型，而且還可以極為便捷地生成二維的平面施工圖[5-6]。正是由于其強大的參數化建模功能，使它成為目前為止國內施工最廣泛的三維參數化建筑設計軟件，成為各設計企業提高設計效率的首選。故本文選用Revit軟件進行橋梁BIM模型構建，應用的軟件版本是Autodesk Revit 2017版本。

1.1.2 BIM模型建立流程

在Revit軟件中創建BIM模型時，要遵循“由整體到局部”的原則，由整體出發，逐步細化。在利用Revit軟件構建橋梁模型的過程中，需要添加構件參數，并建立參數間相互制約關系。做到改動一個參數，全局相關參數相應改變，這就是參數化建模方式。Revit軟件具有獨立性和相關性兼備的特性，即對建筑物中的某個單元構建的屬性參數進行修改時，BIM模型就會根據修改內容對建筑構件進行更新以滿足新的需求[7]。

本文因篇幅有限，僅以簡支箱梁模型的建造過程為例，簡要概述利用Revit軟件構建BIM模型的步驟，如下所述：

（1）繪制族輪廓。Autodesk Revit 2017提供了6個樣板用于創建輪廓族。輪廓族是可用來生成幾何圖形的二維的閉合形狀，可以單獨或者組合使用，也可以同時應用于項目環境或標準族編輯器中。本文中的簡支箱梁的模型輪廓選擇的樣板是公制輪廓，該樣板用于創建在項目文件中進行主體放樣的所有輪廓族。在參照標高平面按照截面的尺寸布置好參照平面，將箱梁的截面輪廓按照參照線繪制成形（如圖1），選擇“輪廓用途”為常規。

圖1 繪制族輪廓

（2）梁截面的參數設置。利用BIM軟件構建三維模型的一大優勢就是可以對模型進行參數驅動。通過對參照平面的約束添加相應的參數，并將模型線鎖定在參照平面上，設置好輪廓族的各個參數。參數對于族來說非常重要，正是有了參數來傳遞信息，族才有了強大的生命力。所以，設置的參數數量越多，所建模型的適應性也越好，可調空間也越大，但是考慮到所用計算機的硬件水平、各個構件之間復雜的約束關系以及工作量，參數的選取要具有代表性和通用性。本文中對簡支箱梁構建的過程中選取的參數主要有箱梁頂板寬度、厚度、寬度；箱梁底板寬度、厚度、寬度；梁高、梁長等，如圖2所示。

圖2 梁截面的參數設置（單位：mm）

確定好相關參數后，接下來需要建立各參數間的邏輯關系，用以實現三維模型的參數化設計。在族編輯器中編寫“族語言”，即通過編寫公式和條件語句的方式，將之前定義的控制單元體的各參數關聯起來，使單元體隨某一方參數的改變，與之相對應的其他參數也隨之發生改變，從而實現通過參數的變化驅動輪廓族的變化。最后將輪廓族保存并且載入到新建的公制結構框架-梁和支承族樣板中。

（3）選擇族樣板。Autodesk Revit軟件提供的族樣板從分類、功能、使用角度提供給用戶豐富的選擇。但是，如果選取了不恰當的樣板，也會出現使構建步驟變復雜、功能受限等問題。選擇族樣板最重要的一個原則就是族類別的確定，而簡支箱梁屬于族類別中的結構框架，且構建的簡支箱梁模型加載到項目中的放置方式屬于間接使用式的特殊放置，即可以通過指定起始點和終止點來定義的線性族，所以，要構建簡支箱梁模型最終選擇的族樣板是公制結構框架-梁和支承族樣板（如圖3）。

圖3 選擇族樣板

（4）構建簡支箱梁三維模型。Autodesk Revit提供了五種三維建模方法，分別是拉伸，放樣，旋轉，融合以及放樣融合?？紤]到已有簡支箱梁輪廓族，故采用放樣命令進行三維模型的構建，即先繪制放樣路徑，再將步驟2中載入的族輪廓添加到放樣路徑中，完成放樣，生成簡支箱梁的三維模型（如圖4）。

圖4 構建簡支箱梁三維模型（單位：mm）

（5）關聯參數。由于輪廓與梁主體不是在同一個族環境繪制的，兩者的參數無法直接關聯。所以，需要通過族的嵌套將輪廓的參數關聯到三維模型中，從而實現修改簡支箱梁的參數來驅動輪廓的參數變化（如圖5）。

圖5 關聯參數（單位：mm）

通過上述步驟，最終構建橋梁模型如圖6所示。

圖6 整孔預制簡支箱梁橋BIM三維模型

1.2 應用Navisworks軟件進行分析和檢測

為了驗證簡支箱梁架設優化分析結果，本文在其結果數據的基礎上，利用Revit軟件對某高速鐵路客運線路中簡支箱梁橋部分構建了BIM模型，并在Autodesk Navisworks軟件里對錨栓孔的實際位置和簡支箱梁的架設順序進行了碰撞檢查，以BIM技術提高架梁施工的工作效率。

1.2.1 Autodesk Navisworks簡介

Autodesk Navisworks軟件是美國Autodesk公司旗下的一款BIM仿真軟件。此款軟件可以使工程項目的各參與方對設計模型都有一個清楚、詳細的掌握，加強了各參與方對項目成果的控制。Autodesk Navisworks系列軟件共包含Autodesk Navisworks Manage、Autodesk Navisworks Simulate、Autodesk Navisworks Review、Autodesk Navisworks Freedom 四款軟件[8-10]。Autodesk Navisworks Manage軟件主要用于工程項目中BIM模型的分析、施工仿真和對建筑信息的全面審閱。故本文主要應用Autodesk Navisworks Manage軟件進行橋梁碰撞檢查，以BIM技術提高架梁施工的工作效率。

1.2.2 Navisworks碰撞檢查

應用Navisworks軟件對某高速鐵路客運線路中簡支箱梁橋部分的BIM模型進行碰撞檢查需要以下幾個步驟：

（1）導入模型。將整合好的三維模型導入Navisworks軟件中，并建立集合，包括箱梁集合、支座集合以及橋墩集合，如圖7所示。在Navisworks中進行沖突檢測，必須要先創建測試條目，指定參加沖突檢測的兩組圖元，然后再設定沖突檢測條件，進行下一步的檢測。

圖7 導入模型并創建集合

（2）硬碰撞。在沖突檢測模塊工具窗口中，添加沖突檢測項目“錨栓VS錨栓孔”。任何一個沖突檢測項目都必須指定兩組參與檢測的圖元選擇集。如圖8所示，在窗口中顯示的“選擇A”和“選擇B”兩個選擇樹的顯示方式由默認的標準方式改成集合方式，并分別在其對應的下拉菜單中選擇橋墩集合和支座集合。然后選擇檢測類型為“硬碰撞”，此類型的碰撞檢測是將空間上完全相交的兩組圖元作為碰撞條件。設置“公差”為0.001 m，表示當兩個圖元碰撞的距離小于該值時，Navisworks將忽略該碰撞，而此時設置它的意義在于忽略掉兩個圖元相鄰面的相交情況。

圖8 錨栓與錨栓孔的碰撞檢測

（3）軟碰撞。在沖突檢測模塊工具窗口中，新添沖突檢測項目“梁縫VS梁縫”。如圖9所示，在窗口中顯示的“選擇A”和“選擇B”兩個選擇樹的顯示方式中選擇集合方式，并分別在其對應的下拉菜單中都選擇箱梁集合。然后選擇檢測類型為“間隙碰撞”，并設置公差為0.2m，完成后單擊“運行測試”進行沖突檢測運算。

圖9 梁縫的碰撞檢測

（4）碰撞結果。通過上述步驟以后，得到了上述兩次碰撞檢查的結果，如圖10所示。結果顯示，兩次檢測結果均不存在碰撞的情況，預先得出所有待架梁體的最優架設順序，提前處理了施工階段可能出現的梁縫不均、落梁困難、錨栓孔位置不準確等各種問題，提高了架梁施工的工作效率。

圖10 沖突檢測的結果

2 總結

傳統的架梁方式一般是通過人工測量的方法減少成品梁因預制誤差產生的梁縫不均問題，但此種方法忽略了支承墊石上錨栓孔的相對位置關系，導致在成品梁實際架設過程中，經常會出現落梁時才發現支座錨栓無法順利進入錨栓孔的情況，此時必須要重新提梁對錨栓孔進行人工擴鑿后再重新落梁，消耗了大量的人力、物力和財力。針對此種問題，本文提出了基于BIM技術的整孔預制簡支箱梁精準架設模擬，結合架梁數據，利用BIM技術進行了三維建模，并利用Autodesk Navisworks軟件的碰撞檢測模塊對架梁數據進行了模擬及校驗。實現了在簡支箱梁和橋跨進行匹配的同時，也完成了錨栓孔的位置檢測，節省了重新提梁過程，縮短了施工工期。