[分享]铁路预应力混凝土简支梁BIM应用

难点分析

目前铁路预应力混凝土简支梁设计方法为：利用有限元分析软件进行结构建模分析，计算通过后利用2D绘图工具来绘制施工图文档。而基于BIM的设计方式为：将初拟的BIM模型发送至有限元分析软件进行结构分析，结构分析模型与BIM模型数据交互修改并确定结构尺寸，形成最终BIM模型，由确认后的BIM模型自动形成施工图文档，整个过程实现数据共享。

要实现BIM在设计中的应用，需要完成BIM模型到有限元软件、BIM模型到2D施工图文档两个环节的数据流通。BIM模型到有限元软件的数据流通，包含了模型的几何信息和非几何信息。Tekla是目前较为适合工业结构设计的一款BIM软件，其模型与Midas分析软件之间的接口界面如图。验证发现，只有Tekla模型采用工业标准规格截面的情况下，才能够实现向有限元Midas的数据传递。当采用自定义截面时，导入到有限元中的数据仅能反映BIM模型的截面特性，具体外形尺寸丢失，且其他数据丢失量较大，无法满足计算要求。而BSAS（4.3）为国内常用的铁路桥梁设计专用软件，并未涉及对BIM的支持。因此，可以从BIM建模的数据来源着手，使之与有限元软件BSAS（4.3）之间进行结合，以达到BIM模型与有限元软件结合的目的。

确定模型数据

实现BIM模型与有限元数据的结合，首先需要形成一套BIM建模的数据文件，通过读取该数据文件，即可建立BIM模型，又可以将该套数据应用于有限元软件。从Tekla的开发接口入手，结合铁路预应力混凝土简支梁设计特点，将BIM模型分解为以下3部分。

简支梁混凝土模型

考虑铁路预应力混凝土简支箱梁截面变化及顶面排水的要求，统一采用33个参数来描述简支梁的一个横截面，用户在此基础上调整参数大小完成截面输入。以跨中截面为例，依次填写简支梁截面位置及截面参数，程序根据参数大小自动建立相邻截面间的混凝土模型，然后对所有混凝土节段模型进行布尔运算，形成整体简支梁模型。

简支梁预应力钢束模型

预应力钢束在BIM模型中为空间曲线，与平面曲线采用一个导线点加半径即可描述曲线线性不同，空间曲线描述复杂程度大大增加，而且由于缺乏成熟的空间曲线表示方法，采用工程作法：将空间曲线投影到相互垂直的两个平面内得到两条平面曲线，分别描述两条投影曲线的线性。在每个平面内分别采用插值函数计算预应力钢束上导线点的坐标，进而合成空间曲线。在获取重新排序后的预应力钢束空间导线点坐标之后，输入预应力规格数据，建立简支梁预应力钢束的BIM模型。

简支梁普通钢筋模型

普通钢筋参建模的便捷性以及对庞大钢筋数据的简化处理方式一直是考验BIM软件的一项重要指标，Tekla软件作为以深化设计为指向的BIM软件，在这两个方面有一定优势。研究结合该软件API接口，将简支梁钢筋整体分为箍筋、纵向钢及加强钢筋三部分设置参数，建立简支梁普通钢筋模型。

BIM模型与有限元软件的数据结合

结合前面所述，以BSAS （4.3）数据文件为接口对象，研究其与BIM模型数据的结合。由BIM模型数据直接生成计算软件所需数据内容，包括结构单元信息、节点信息、截面几何尺寸、预应力钢束信息四部分内容。该过程为数据正向转换，其中在有限元软件数据中，截面几何尺寸信息为考虑剪力滞效应之后的有效宽度，因此，数据正向转换过程中需要经过一次数据换算。同时，完善的计算数据还应该包含施工阶段、支座信息、温度收缩等其他信息，在数据正向转换结束之后，仍需要设计者添加该部分内容才能进行结构计算。随后，按照设计要求采用有限元软件对结构进行分析，采用交互式调整结构尺寸，直至结构满足规范要求。最后将通过规范要求的计算文件反馈至BIM模型数据文件中，确认BIM模型。预应力钢束在两个数据文件中均为平、竖弯分开填写，能够实现数据的逆向转换；而截面尺寸数据为截线法输入且经过剪力滞换算，无法实现逆向转换。

BIM模型与2D施工图的数据结合

BIM的一项优势就是能够实现三维模型和二维图纸的关联，实现两者之间的联动，但是在使用初期两者联动存在较多问题，主要体现在两个方面：一是自动化程度不高，出图过程繁琐；二是本土化程度不高，难以满足现铁路桥梁施工图要求。针对上述两个问题，进下述两方面的研究改进，一定程度上实现了BIM模型到2D施工图的数据流通，能够快速绘制施工图和统计数量。

小编：

（1）采用编程技术从BIM模型中提取结构、钢筋数据，并绘制简支梁钢筋图，包含设置图纸参数、创建空白图纸、创建图纸视图、创建必要标记4部分内容。另外，绘图过程中需要对模型构件进行识别，而这种识别的标记需要以用户参数的方式事先预埋在BIM模型中。

（2）定义数量统计模板，自动生成结构数量表。自动统计结构数量需要完成“模型空间”“模板空间”“图纸空间”三个位置的数据传递。首先，在“模型空间”中对需要统计的构件进行分类，并定义与之相匹配的参数数据。其次，在“模板空间”定义分类统计行，定义行规则，使之与模型构件匹配，并且在每一行内添加多个“数值”，使之链接到“模型空间”中的构件参数。最后，在“图纸空间”调用已定义的模板，模板会根据行规则，逐行识别模型中的构件，凡满足条件的均统计在数量表之中。

工程实例

结合某高速铁路工程24.6m预应力混凝土简支梁设计项目，从BIM建模、结构计算分析，再到最后的绘制施工图，对上述探索成果进行了尝试应用。通过填写BIM模型数据文件以及正向转换，形成计算文件中对应数据，在此基础上添加边界条件等其他信息，建立有限元分析模型，两者在几何外型上对比结果见图8。通过图8可以看出，预应力钢束竖弯线信息一致，梁体高度一致，并且经校核，转换后的截面特性数据准确。可见，BIM模型与有限元软件之间数据转换良好。最后，根据计算完成后的结构数据确认BIM模型，并绘制简支梁钢筋布置图、统计钢筋数量。由图看出，基于BIM模型绘制的二维图纸表述清晰，能够满足施工图精度要求，但由于Tekla软件“图纸空间”中缺乏AutoCAD的基本图元，实现二维图纸的快速应用仍有一定困难。同时，编程统计的钢筋数量与BIM模型的钢筋数量相差1%，与人工统计的钢筋数量相差0.22%，数量统计较准确。

以Tekla为例，现有的BIM模型与有限元软件之间转换多局限于工业规格标准截面，用户自定义截面存在较多的信息丢失问题。通过C#编程使BIM模型与有限元软件数据进行交互，能够实现两者之间的结合；同时基于BIM模型可自动生成二维图纸、统计结构数量，一定程度上提高设计效率。根据工程实例的应用情况，研究部分实现了从BIM建模到有限元分析，再到2D施工图绘制的完整流程，能够为BIM在铁路桥梁结构正向设计中的应用提供参考。