基于BIM的橋梁智能設(shè)計與自動繪圖系統(tǒng)的研究與實踐

韓厚正

（上海同豪土木工程咨詢有限公司 上海 200092）

基于BIM的橋梁智能設(shè)計與自動繪圖系統(tǒng)的研究與實踐

韓厚正

（上海同豪土木工程咨詢有限公司 上海 200092）

介紹了基于BIM的橋梁智能設(shè)計與自動繪圖系統(tǒng)的主要功能及特色、系統(tǒng)架構(gòu)與核心平臺、工程應(yīng)用情況。

建筑信息模型；橋梁智能設(shè)計；自動繪圖

概述

橋梁設(shè)計主要工作就是收集資料、確定橋位、布置跨徑、結(jié)構(gòu)選型、擬定尺寸、結(jié)構(gòu)分析及配筋計算，最終以工程圖紙形式將設(shè)計方案完整表達出來，橋梁設(shè)計技術(shù)難度高、工作量大。目前橋梁設(shè)計軟件僅能實現(xiàn)局部輔助建?；蚶L圖，尚無法有效實現(xiàn)橋梁方案的智能設(shè)計與工程圖紙的全自動繪制，從而制約了橋梁設(shè)計效率[1,2]。因此，同豪土木傾力研發(fā)了一套基于建筑信息模型（BIM）的橋梁智能設(shè)計與自動繪圖系統(tǒng)——“方案設(shè)計師”。該系統(tǒng)是為橋梁設(shè)計工程師量身定制，它遵循行業(yè)規(guī)范并采納行業(yè)習(xí)慣，能協(xié)助工程師高智能、高質(zhì)量地快速建立橋梁設(shè)計方案，建立全橋的全關(guān)聯(lián)、數(shù)字化的建筑信息模型，能自動完成橋梁方案圖、施工圖的全自動繪制；同時設(shè)計團隊多個角色能在該系統(tǒng)上高效協(xié)同工作，將設(shè)計工程師從繁重的建模、制圖工作中解放出來，大大提高了設(shè)計效率又確保了設(shè)計質(zhì)量。下文就該系統(tǒng)的主要功能及特色、系統(tǒng)架構(gòu)與核心平臺、工程應(yīng)用進行簡要介紹。

系統(tǒng)功能及特色

系統(tǒng)主要功能

“方案設(shè)計師”作為一款基于BIM的橋梁智能設(shè)計與自動繪圖系統(tǒng)，應(yīng)具備以下主要功能：

1) 便捷強大的設(shè)計資料編輯和管理功能

橋梁設(shè)計需要的資料如路線、地質(zhì)、水文、被交道路等多種數(shù)據(jù)均能在系統(tǒng)中進行便捷的錄入和圖形交互編輯；并且可與緯地等道路設(shè)計軟件無縫銜接，一鍵導(dǎo)入路線數(shù)據(jù)，避免重復(fù)錄入，實現(xiàn)與道路工程師的高效協(xié)同。

2) 針對各設(shè)計階段的智能化設(shè)計功能

在橋梁方案設(shè)計階段，系統(tǒng)能自動擬定橋梁中心位置，考慮橋下障礙、被交道路和通航需要等因素后自動分孔，根據(jù)路面布置自動設(shè)計橋面布置。在橋梁初步設(shè)計階段，能根據(jù)跨徑、斜交角、曲率半徑等特征自動進行結(jié)構(gòu)選型，再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫、設(shè)計原則庫進行自動布置、自動擬定構(gòu)件尺寸等，通過構(gòu)件裝配關(guān)系自動計算特征標(biāo)高和坐標(biāo)，從而建立起全關(guān)聯(lián)的橋梁信息模型，自動統(tǒng)計關(guān)鍵構(gòu)造數(shù)據(jù)，并可按照約定規(guī)則對全橋關(guān)鍵尺寸如樁柱尺寸、系梁尺寸、支座墊石和楔形塊規(guī)格等進行規(guī)格化設(shè)計。在施工圖設(shè)計階段，能自動批量地進行鋼筋鋼束設(shè)計，并能從計算分析系統(tǒng)批量導(dǎo)入計算分析結(jié)果如鋼束配置數(shù)據(jù)。

3) 強大的自動繪圖及圖紙自動成冊功能

基于全橋的建筑信息模型，系統(tǒng)能實現(xiàn)常規(guī)裝配式梁橋、立交互通橋梁的全橋工程圖紙的自動繪制；并且系統(tǒng)能實現(xiàn)一個項目的完整圖冊的自動編制和出版。圖紙繪圖風(fēng)格一致，而且能自定義設(shè)置，滿足多樣化需求。

4) 豐富的工程指標(biāo)控制功能

系統(tǒng)基于橋梁的建筑信息模型提供大量的指標(biāo)查詢和復(fù)核工具，如：每平米材料用量、鋪裝厚度查詢、單樁承載力查詢、特征指標(biāo)是否超越規(guī)范限定檢查等。這些查詢和復(fù)核功能有助于對工程進行質(zhì)量控制和方案優(yōu)化。

5) 高效的協(xié)同工作平臺

設(shè)計團隊中總工、負責(zé)人、工程師、管理員等多個角色能在該平臺上高效協(xié)同工作，各個角色都有自己獨立的操作界面和數(shù)據(jù)簽入、簽出操作流程，并可隨時在權(quán)限范圍內(nèi)建立和審查相關(guān)成果，使得并行工作能力顯著提升，項目整體設(shè)計效率大幅提高。

系統(tǒng)特色

1）系統(tǒng)建立了全關(guān)聯(lián)的、數(shù)字化的橋梁信息模型，實現(xiàn)了全橋設(shè)計方案的自動化聯(lián)動更新，適應(yīng)了方案的頻繁變更。各種變更都能在系統(tǒng)中得到實時的聯(lián)動更新，確保了全橋數(shù)據(jù)的一致匹配，減少了重復(fù)性勞動。

2）系統(tǒng)提供了強大的圖形交互建模功能，使得變截面箱梁、變寬和分叉異形箱梁這類復(fù)雜構(gòu)件的設(shè)計更便捷、更高效。

3）系統(tǒng)預(yù)置了大量裝配式構(gòu)件的通用圖，形成了可重復(fù)使用的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫。

4）系統(tǒng)預(yù)置了豐富的設(shè)計方法庫，并且設(shè)計人員可在系統(tǒng)中自定義設(shè)計方法，為設(shè)計院內(nèi)部設(shè)計經(jīng)驗的累積和傳承提供了數(shù)字化載體。

5）系統(tǒng)建立了數(shù)字化的橋梁設(shè)計經(jīng)驗庫，將設(shè)計過程中規(guī)律性、規(guī)范性的東西固化到軟件中，把設(shè)計師的成熟經(jīng)驗形成數(shù)字化方案融入到軟件中，實現(xiàn)了智能化設(shè)計[3]。橋梁設(shè)計時，只有一小部分參數(shù)是依據(jù)具體工程環(huán)境如地質(zhì)、荷載等級等而變的，也就是橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)。系統(tǒng)將具體工程環(huán)境參數(shù)化并建立分級標(biāo)準(zhǔn)，再將具體工程環(huán)境參數(shù)與各種橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)建立對應(yīng)關(guān)系，也就形成了橋梁設(shè)計經(jīng)驗庫。實際工程設(shè)計時，只需明確具體工程環(huán)境參數(shù)值即可自動搜索橋梁設(shè)計經(jīng)驗庫，高質(zhì)、高效、智能化地形成橋梁方案。

6）系統(tǒng)預(yù)置了豐富的橋梁零件庫，包括：混凝土、鋼筋、鋼束等工程材料欄桿、防撞護欄、人行道等橋面系，錐坡、人洞、檢修孔、泄水孔等附屬結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)架構(gòu)與核心平臺

“方案設(shè)計師”是一個交互式、集成式的軟件系統(tǒng)，采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計思路，基于C++語言進行開發(fā)，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1所示。該系統(tǒng)以圖形化操作桌面為交互載體，以數(shù)字化的橋梁信息模型為核心，由標(biāo)準(zhǔn)件平臺、設(shè)計經(jīng)驗平臺、設(shè)計方法平臺、輔助圖形編輯平臺、制圖平臺、結(jié)構(gòu)分析平臺、統(tǒng)計查詢平臺共七大核心平臺構(gòu)成了整個系統(tǒng)。

圖 1 “方案設(shè)計師”系統(tǒng)架構(gòu)框圖

標(biāo)準(zhǔn)件平臺用來管理各類構(gòu)件在根據(jù)固定規(guī)則去掉受具體工程環(huán)境影響的參數(shù)后形成的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫，使得標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件可供有條件地選用，簡化了設(shè)計人員的重復(fù)勞動。設(shè)計經(jīng)驗平臺建立了數(shù)字化的設(shè)計指導(dǎo)書，將各種具體工程環(huán)境參數(shù)與各種橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)之間按照設(shè)計控制原則建立了索引取值關(guān)系，形成了橋梁設(shè)計經(jīng)驗庫，方便了設(shè)計經(jīng)驗的累積和傳承。設(shè)計方法平臺通過一系列設(shè)計流程和規(guī)則的參數(shù)化和對標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件按約定條件的智能選用，實現(xiàn)了模型參數(shù)的智能確定，并可實現(xiàn)設(shè)計方案的持續(xù)優(yōu)化。輔助圖形編輯平臺則為復(fù)雜構(gòu)件的構(gòu)造設(shè)計、鋼筋設(shè)計、鋼束設(shè)計提供了尺寸驅(qū)動的圖形交互操作桌面，讓復(fù)雜構(gòu)件的設(shè)計更便捷、更智能。制圖平臺通過自定義繪圖風(fēng)格、圖元繪制函數(shù)集、圖面美觀自動調(diào)整算法、鋼筋智能布置及繪制算法集等強大的平臺接口為各類施工圖的繪制提供了強大的基礎(chǔ)支撐。結(jié)構(gòu)分析平臺則為橋梁結(jié)構(gòu)的計算分析提供了算法引擎。統(tǒng)計查詢平臺則根據(jù)橋梁信息模型進行多個維度的統(tǒng)計分析、指標(biāo)查詢和校核，有效地控制工程項目的安全性、經(jīng)濟性和一致性。

工程應(yīng)用

“方案設(shè)計師”系統(tǒng)自2011年推出第一版以來，在幾百家公路交通、市政設(shè)計院得到了廣泛應(yīng)用，顯著提高了橋梁工程項目的設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量。近 3年來研發(fā)團隊根據(jù)多家設(shè)計院的反饋意見進行了多個版次的修改完善和升級，更好滿足了用戶需求。其中，浙江三門灣跨海大橋包括戴港互通、新橋樞紐等8個立交互通在內(nèi)，總長近12公里的橋梁設(shè)計項目全部采用該系統(tǒng)完成，得益于該系統(tǒng)數(shù)字化的橋梁設(shè)計經(jīng)驗庫以及強大的智能設(shè)計和自動出圖功能，該項目的近萬張施工圖紙僅采用10余名橋梁工程師歷時約半年時間就得以完成，期間還經(jīng)歷了多輪的設(shè)計方案及圖紙校審，適應(yīng)了近十個輪次的大小變更，最終圓滿完成了該工程的設(shè)計工作，在確保設(shè)計質(zhì)量的同時顯著提高了設(shè)計效率。

結(jié)束語

“方案設(shè)計師”系統(tǒng)作為一款以全橋的建筑信息模型為核心的綜合型橋梁智能設(shè)計與自動繪圖系統(tǒng)，是一次創(chuàng)新性的技術(shù)實踐，而且深入切合了廣大橋梁設(shè)計工作者的實際需要。通過大量的實際工程應(yīng)用證明，基于BIM的橋梁智能設(shè)計與自動繪圖系統(tǒng)必將要成為橋梁設(shè)計工作者的必備利器，也將是橋梁設(shè)計行業(yè)效率和效益提升的法寶。

[1] 楊季湘. 橋梁繪圖系統(tǒng)的研制和應(yīng)用[J]，計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，1998，10(3)，280-285

[2] 尤文剛，孔祥勇. 集成化橋梁CAD系統(tǒng)分析[J]，四川建筑，2006，26(3) ，109-111

[3] 馮延力. 從輔助建模到智能設(shè)計——BIM設(shè)計軟件發(fā)展的思考[A]， 第十七屆全國工程建設(shè)計算機應(yīng)用大會論文集，2014，469-474

韓厚正，長期從事橋梁智能化設(shè)計與自動化繪圖的技術(shù)研究和軟件研發(fā)，曾主持完成了“橋梁設(shè)計師”、“方案設(shè)計師”等多款橋梁軟件系統(tǒng)的研發(fā)。

U45

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1007-6344（2016）03-0017-01

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