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在3D BIM 环境中怎么设计桥梁

作者: 艾三维软件 来源: 艾三维软件 发布日期: 2019.05.22

近年来,BIM应用在建筑领域相关的案例上越来越多,解决方案也较完备,而在桥梁或是道路等基础建设工程领域上,成熟度不高,仍有很大的发展空间。目前,尽管产业界对于道路桥梁等基础建设信息塑模的需求与日俱增,但道路桥梁的案例却偏少,且多以设计阶段应用为主,而现有的道路桥梁建模工具也较不完善。近来,台大土木系工程信息仿真与管理研究中心(简称台大BIM 研究中心)与利德工程股份有限公司进行产学教育合作,探究在桥梁施工中应用BIM技术的可行性 ,并评估BIM技术所带来的效益。

需求日增 案例偏少

BIM 技术提供工程团队的信息是以信息模型为核心,再分享至工程中的每个角色。如此一来项目团队间能够有明确的可视化媒介进行讨论,改善以往透过2D 图纸沟通容易产生误解和缺漏,进而避免后续可能产生的冲突。除此之外,BIM 也能提供数量估算、施工进度仿真(4D)和成本预估,提升工程项目对人力和物料的掌控。

这样的技术虽带来了有别于以往的效益,然而目前都以一般建筑作为主要使用对象。一般建筑物具有垂直的发展特性,涵盖区域范围较小,当前的BIM 软件如Revit,也是针对这些特性发展出相对应的功能和对象,例如梁、柱、楼板、墙等,这些基本组件是构成一般建物的主要元素,然而在道路桥梁等基础建设土木工程上,这些对象反而不是主要的,甚至常无法直接适用。另外,在BIM 软件中,“楼层”为一项非常重要的属性数据,它是建筑模型切分的基础,同时能直接生成需要的图资。但是在土木工程上,“楼层”这项信息即失去了意义,道路桥梁工程大多具有水平带状性且地域广大,不少组件无法从现有软件自带功能中获得或建置,因此,如何有效的应用国内常用的BIM 软件于桥梁工程,成为本次研究案例的一大课题。

高度参数化 简化操作

桥梁工程的建模概念和一般建筑有所不同,一般建筑比较偏向用放置组件的方式来建构整体模型,桥梁则是以线型(Alignment)为一切基准,不论是坐标、高程、尺寸,甚至到细部的泄水坡度和超高,都是以线型为参考进行衍生,也因此参数化在这个案例就成为最重要的一个环节。参数化所带来的帮助主要分成两部分,第一部分是减少重复性操作并提高准确度,第二部分则是增加自动化的可能性。

在3D BIM 环境中怎么设计桥梁

图1 预应力混凝土箱形梁桥模型架构示意

以预应力混凝土箱形梁桥为例,主要分为节块、桥墩、基础、假设工程的施工架和工作车这几类,类型较为集中,因此像桥面这类模型就可以利用单一模型进行复制,再微调细部尺寸组成整段桥梁。这种做法需要高度的参数化,只要将需要的参数都设定完成之后,就能简化建立模型的重复性工作,不需要一段一段以手动方式建立节块,而是可以利用已经完成的一块参数化模型复制出全段桥梁,并在过程中透过参数调整使模型与图说一致。整个模型的建立过程省去了许多手动操作的部分,不仅减少时间的消耗,也提高一定的准确性,因为在拉参考线测量、画线、组成面、建立实体的每个步骤中,都存在着错误的可能性,而此处只需要输入参数就能够完成模型。

在3D BIM 环境中怎么设计桥梁

图2 全桥模型


另一方面,在调整参数的同时,先是依照着图中的尺寸建立模型组件,但此时尚未给予每个模型确切的摆放位置,因此需要一个自动化的流程定位每个组件。可以使用Revit 自适应组件的功能和Dynamo 的节点协助达成此任务,并利用Excel 输入各个节块的定位坐标,并透过Dynamo 将Revit 的自适应组件放置在输入坐标上,如此一来就能将各模型定位在正确位置上。此外,如果要更进一步增进建置模型的效率,也能将调整参数的工作交付给Dynamo,先让每个节块的参数依照里程数区分,在Excel 中输入坐标信息后,再让Dynamo 抓取这些参数放入到该里程数上的模型中,让整个工作流程高度的自动化,大幅减少人为操作部分。

尽管自动化看似容易,但其困难处在于整体参数设定的流程。因为桥梁的梁深与翼板的二次抛曲线及刚体旋转的部分有一定的复杂度,使得高度连动的几何参数的自动设定出现了问题,再加上Revit 软件本身也有不少限制,因此,需要经过反复的尝试并更换多次的建模逻辑和顺序后,才能顺利完成给定参数的环节。除了设定参数花费较多时间外,还有建模前的数据处理,也需要人工将厂商所提供的图纸等数据转换成所需的数据。这两部分可说是整个桥梁建模过程中最为耗时的阶段。然而,有了方便的流程后,接下来所省下的时间远大于其所花费的。以一个柱头为例,一般手动建模可能需要40 个小时以上,而在程序自动化的辅助下,能将时间压缩在大约4 小时左右,这十倍上下的差异,也说明参数化在BIM 建模上的巨大效益。

3D展示 提升效率

而在假设工程方面,以预应力混凝土箱形梁桥为例,所涵盖的部分主要分为支撑架、施工便桥与构台,以及模板系统。柱头的位置决定建造的工法,河道上的柱头采用的是箱形梁悬臂工法,其下包含重型和轻型支撑架稳固基底;而岸上的柱头则是用场撑悬臂工法,由于离地较低且不受水的影响,以轻型支撑架桩为主。在BIM 模型的建置上,每个柱头的支撑架数量配置都有不少差异,且轻型支撑架需要随着节块的高度做调整,对模型的需求程度,就成为一大课题,因为模型的细致度以及精准度皆会影响这些大量模型的建置。在实作前,评估过Dynamo 是否适合应用于此类假设工程,但因每个节块的配置变化大,且仅有图文件数据可供参考,推估使用Dynamo 与手动完成的时间相比效益并不会太显著,因此建议选择使用自定义组件的方式,并根据工程图逐项在Revit 中完成。另外一项较为耗时的假设工程则是模板系统。在模型中模板须贴附于节块的腹板与底板,由于大多数的节块表面随线型而变化,因此在工具的选择上亦使用了自适应组件,根据板面的不同条件刻制出适合的模型,如此便可直接在项目中透过点击面的角点,直接生成出带有厚度的不同模板。

在3D BIM 环境中怎么设计桥梁

图3 通过模型进行假设工程组装与配置示意

在钢筋的部分,可以使用Tekla 来建模。在建钢筋模型的过程中,配筋图看似容易,但因节块模型外观几何会随着线型不断变化,并不像一般建筑的梁柱那么方正,可立刻从模型中看出很多钢筋衔接的问题,需要不断地将问题回报给厂商进行检讨。而钢筋的建置是依钢筋编号分组为单位进行,在每个节块的配置虽然相同,但由于节块本身量体的差异,仍需逐项建立每个节块的钢筋,且一旦有设计变更,每个节块也都需修改,因此未来考虑透过API 的方式解决重复操作的问题。在项目的后期,从与营造厂商频繁的讨论以及在施工现场的交流中得知,3D 展示是营造端目前最重视的环节,对他们来说,最重要的是能够用更直观的方式提升沟通效率,且借由BIM 的施工模拟提前得知问题何在,进而在施工前就将其排除,省去以往工人依图说组装时试误所浪费的时间与材料,这一点对他们的帮助最大。此外,满足正确尺寸、坐标、高程及符合施工项目拆分需求的模型,其数量计算也能协助厂商进行物料控管的检讨。

在3D BIM 环境中怎么设计桥梁

图4 节块钢筋的模拟分类与衔接处的检查

贴合实际 开发程序

如要将 BIM 工具用于桥梁施工上,需要大量的参数化与辅助程序的开发。而从设计到施工间的流程中,亦发现了一些未来能够再加以改善的部分,例如图纸数据转换为模型的效率。在传统的2D 施工图上,一些营造厂所需要负担的工作,像是刚体旋转的计算、混凝土块渐变段等,都不会直接呈现在图面上,使得很多时候需要经过不断的图说比对,才能渐渐理解设计的逻辑,也因此降低了建模上的效率。假设能够直接抓取图说数据,如线型坐标、断面轮廓等,先将整段桥梁模型自动生成,再利用模型进行刚体旋转、泄水坡度等施工面向的信息产出,相信对于营造厂而言将能节省许多的时间,也可降低在人工计算可能造成的错误。

当然,若是将来针对桥梁工程有更好的 BIM 设计软件,可以让设计直接在3D BIM 环境中进行,甚至有为桥梁施工的BIM 应用软件,就可以省下现今许多的信息转换成本。另一方面,建立假设工程的过程中常常因为现场高程与图纸上的差异,而让鹰架与千斤顶等假设工程中的必要组件在高程上与现场有所差异,因此建置一个可配合实际高层变化的快速假设工程配置程序或系统,是未来可考虑发展的项目。而对营造厂来说,BIM 所提供最大的帮助在于钢筋绑扎的顺序仿真,因此,接下来可以考虑在Tekla 中建立各个钢筋的顺序标号,并利用4D仿真预演施工顺序。再者,桥梁BIM 模型应用主要只达到3D 展示和模拟的阶段,未来如果能再提高BIM 的使用深度和广度,就有机会利用BIM 模型进行自动化质量验证,也就是将产出信息用于法规检讨或是验证,确保信息的可信度,进而将该信息作为后续桥梁维护管理之用。