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      京張高鐵標準梁BIM應用研究
      2021-08-11  

        京張高鐵是北京至西北地區快速通道和京津冀地區城際鐵路網的重要組成部分,既是支撐2022年冬奧會的交通保障線,也是促進京津冀一體化發展的經濟服務線。

        現階段鐵路行業的BIM應用研究主要以總體協同設計、選線優化、施工監控、運營維護為主, 針對設計的專項研究較少。以橋梁工程為例,傳統的設計過程以二維設計為主,從方案比選到設計出圖再到施工階段,中間的交互數據均以圖紙為基礎。在鐵路工程項目中,約90%的鐵路橋梁使用預應力混凝土標準簡支箱梁(以下簡稱標準梁),其具有結構簡潔、標準化程度高、易于參數化等特點?;谶@些特點,BIM技術與標準梁設計有很好的適應性。

        基于現有的BIM平臺Revit軟件,通過C#語言進行二次開發,結合PPC2019有限元計算軟件以及實際設計施工經驗,對BIM技術在京張高鐵標準梁設計中的運用進行研究探索。

        數據輸入

        結合鐵路預應力混凝土簡支梁的設計構造特點以及Revit平臺強大的族開發功能,將BIM模型的輸入數據分解為以下幾部分。

        簡支梁混凝土參數

        以京張高鐵某特大橋32 m鐵路預應力標準簡支梁通用圖為例。該標準梁在順橋向有腹板、頂板、底板寬度以及倒角等參數,截面頂板有多個排水坡。因此,可將截面信息整合為30個獨立參數并對各截面進行描述;再填入相應的梁體參數(如梁長、梁面坡度信息、變截面長度、支點位置、腹板坡率、通風孔、排水孔信息等),程序可通過這些參數準確地生成箱梁模型。

        

        跨中處截面參數信息

        

        支點處截面參數信息

        依次填寫不同截面的參數,程序自動計算出各截面(包括過渡漸變段)的尺寸參數,并將各部分的實際形狀參數傳給族模型并生成截面形狀,再傳入整體模型中,生成標準梁模型并放入工作空間。

        

        生成的標準簡支箱梁模型

        

        輸入參數信息示意

        預應力鋼束空間參數

        在箱梁設計時,預應力筋一般為曲線平彎和曲線豎彎,再加上腹板傾斜的影響,預應力筋的實際形狀為復雜的空間曲線。同樣,通過Revit強大的族功能,以水平面與腹板斜平面的相交定位空間曲線,再導入平彎要素和豎彎要素,對相交平面產生的曲線形狀進行樣條擬合,形成三維空間曲線。

        

        3D預應力曲線擬合族

        預應力筋豎彎示意

        如錨穴參數的填寫步驟為:輸入相應的參數后,程序通過布爾運算,將錨穴印刻在梁體上,使箱梁的細節與實際情況一致;同時,錨穴的中心點也是預應力筋的起點,空間預應力筋曲線通過族驅動形成的預應力鋼束模型放在對應的錨穴位置處。

        

        錨穴示意

        BIM模型與有限元計算軟件的數據交互

        以PPC2019有限元計算軟件為研究對象,實現BIM模型到計算軟件的數據交互過程。

        由PPC2019執行結構計算時,需要幾何信息、預應力信息與荷載信息等內容;在建立BIM模型時,箱梁的截面形狀、整體結構信息已被完整讀取,該部分內容可以直接調用;截面有效寬度、慣性矩、面積矩、預應力形狀位置等幾何信息可通過已有數據自動計算。而其余的信息(如預應力張拉信息、施工階段信息、約束信息、荷載信息等)數據則需要額外輸入。

        所有信息輸入完畢后,即可調用軟件進行計算。在此基礎上,可通過二次開發,將相關信息輸入BIM模型,并統一通過封裝好的數據格式導入計算軟件中,完成計算后,根據計算結果對相關信息進行調整,再導入BIM模型中,實現BIM數據與計算數據的交互與自動化調整。

        圖紙自動輸出

        BIM技術的特點包括強大的三維模型展現、工程量自動計算等,Revit平臺對三維模型與二維圖紙的關聯已經進行了很多優化,可以實現基本的出圖功能。鐵路預應力標準簡支箱梁圖具有圖幅固定,出圖內容、圖紙結構明確等特點,通過適當的二次開發,可以實現自動出圖的功能,并達到施工圖精度。

        自動出圖流程

        由此可實現BIM模型的快速出圖和有限元計算模型的快速修改。

        

        自動出圖-概圖、預應力筋布置

        

        自動出圖-預應力筋定位網坐標圖、錨穴布置

        (1)以BIM平臺Revit軟件為基礎,研究了BIM技術在京張高鐵預應力標準箱梁中的應用,通過C#語言二次開發,實現了BIM 模型的快速建立、修改以及標準數據結構的交互

        (2)實現了從BIM 模型到有限元計算軟件的數據交互,方便設計者快速計算并修改模型,將原本基于二維的工作在三維實現,對實現正向設計提供了指導作用

        (3)根據軟件自身的特點,開發了自動繪制圖紙的功能,可以快速自動繪制施工圖,計算工程量及統計相關信息,極大節省了修改圖紙的時間,提高了設計效率并實現了完整的BIM設計流程。

        文章來源:鐵路BIM聯盟成員單位——中鐵工程設計咨詢集團有限公司,羅天靖.京張高鐵標準梁BIM技術應用研究[J].鐵道勘察.



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