作者：李彬1、曾敏1、傅萌萌1、劉宗偉2
作者單位：
1中鐵建大橋院，武漢 430063
2武漢理康科技公司 武漢
上期回顧：
摘要：
本文以鋼橋設(shè)計(jì)為例介紹了中鐵建大橋院在BIM實(shí)施過程中的一些經(jīng)驗(yàn)，提出采用三維參數(shù)化技術(shù)提升設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率是推動(dòng)BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)院落地的關(guān)鍵因素。同時(shí)由于現(xiàn)有BIM軟件還不能完全滿足橋梁設(shè)計(jì)的要求、數(shù)據(jù)還不能在軟件間無損傳遞、設(shè)計(jì)交付以二維圖為主等現(xiàn)狀，提出綜合運(yùn)用規(guī)范化建模、用戶定制、二次開發(fā)等多種手段來保證BIM的順利實(shí)施。
當(dāng)前BIM（建筑信息模型）技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)中應(yīng)用方興未艾，但由于該技術(shù)興起于建筑領(lǐng)域，應(yīng)用中也碰到了一些挑戰(zhàn)，如直接應(yīng)用現(xiàn)有的BIM軟件進(jìn)行橋梁三維建模的效率不高、生成的二維圖還需要大量的人工處理、BIM軟件間的數(shù)據(jù)接口還沒有完全打通造成信息丟失等，這就使得橋梁BIM應(yīng)用面臨這樣一個(gè)局面：對(duì)設(shè)計(jì)院來說，BIM應(yīng)用增加了設(shè)計(jì)投入，延長(zhǎng)了設(shè)計(jì)周期；對(duì)施工企業(yè)和業(yè)主來說，設(shè)計(jì)院提交的BIM成果不能完全滿足施工及后期運(yùn)維的要求。甚至在有些情況下，BIM實(shí)施所引發(fā)的挑戰(zhàn)與它帶來的益處一樣多，在一定程度上影響了工程師們應(yīng)用BIM技術(shù)的積極性。
2005年中鐵建大橋院針對(duì)鋼橋設(shè)計(jì)提出了采用現(xiàn)代CAD技術(shù)取代傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)的設(shè)想，經(jīng)過十年的努力，走過了一條從三維參數(shù)化到BIM的探索之路。在實(shí)施過程中，我們始終著眼于采用三維設(shè)計(jì)來保證設(shè)計(jì)質(zhì)量和提高設(shè)計(jì)效率，積累了一些寶貴的經(jīng)驗(yàn)，希望對(duì)橋梁BIM技術(shù)的推廣有所借鑒。
一、采用三維參數(shù)化技術(shù)的必要性
在大跨度橋梁中，鋼橋具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但鋼橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)工作量大。傳統(tǒng)上鋼橋設(shè)計(jì)采用AutoCAD等二維CAD軟件出圖，由于設(shè)計(jì)信息分散保存在大量視圖及圖紙中，容易產(chǎn)生“差、錯(cuò)、碰、漏”現(xiàn)象，同時(shí)由二維點(diǎn)、線、圓弧、標(biāo)注等圖元描述的三維實(shí)體不能由計(jì)算機(jī)自動(dòng)判釋，使得實(shí)施產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理和協(xié)同設(shè)計(jì)遇到很大障礙。
二、在三維參數(shù)化平臺(tái)上的二次開發(fā)
用于鋼結(jié)構(gòu)三維參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)發(fā)展比較快，主要可分為兩類：用于機(jī)械行業(yè)的主要有Catia、UG、Solidworks、Inventor等，可用于機(jī)械、模具、鈑金、管道、小型全焊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，大部分產(chǎn)品附加了機(jī)械行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)件庫，用于建筑行業(yè)的主要產(chǎn)品有Bently公司的ProStructure、達(dá)索系統(tǒng)的3D Experience、芬蘭Tekla公司的Tekla Structure、英國AceCAD公司的StruCAD等，主要用于高層建筑、體育場(chǎng)館、工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)，一般都提供了比較豐富的型材和節(jié)點(diǎn)庫。
上述軟件都提供了三維模型創(chuàng)建、生成二維詳圖和零件表的功能。一般來說，用于機(jī)械行業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件通用性更強(qiáng)，亦可用于AEC（Architecture, Engineering, and Construction）設(shè)計(jì)，比如北京奧運(yùn)會(huì)主場(chǎng)館鳥巢的設(shè)計(jì)者就首次在建筑工程中應(yīng)用基于Catia空間模型的三維設(shè)計(jì)方法，成功地解決了復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)、扭曲構(gòu)件與特殊節(jié)點(diǎn)建模問題。
本期內(nèi)容接上期（2016年11月23日發(fā)表于達(dá)索系統(tǒng)微信訂閱號(hào)）
三、從三維模型到二維圖
現(xiàn)階段國內(nèi)橋梁設(shè)計(jì)均需交付二維圖紙，這種傳統(tǒng)意義上二維工程圖實(shí)際上是工程師通過空間想象將腦海中的三維模型投影、剖切到二維平面上的產(chǎn)物，相應(yīng)得到的二維圖紙表現(xiàn)能力及校核糾錯(cuò)功能相比實(shí)際三維模型大打折扣。
與之相反，由三維模型直接生成的圖紙則表現(xiàn)形式更為豐富，三維布置圖、預(yù)拼裝圖能精準(zhǔn)無誤的表示各細(xì)部結(jié)構(gòu)的空間位置，二維剖面圖及大樣圖是由三維模型經(jīng)過計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)投影、剖切得到，比由人腦加工轉(zhuǎn)換得到的二維圖紙更加高效、精準(zhǔn)，也更便于其他人員再次復(fù)核。因此，不僅在空間構(gòu)造表現(xiàn)方面，三維圖紙有其絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，而且在剖切示意及大樣展示及工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)方面，由自動(dòng)生成的二維圖紙更能保證精確度。
三維模型關(guān)聯(lián)工程圖紙的方式，在改善了出圖效能的同時(shí)也將工程師的工作重心真正意義地轉(zhuǎn)移到了設(shè)計(jì)上面，而不是常規(guī)的先有圖紙后有模型，能有效保證BIM三維模型的精確性，并能提高設(shè)計(jì)院應(yīng)用BIM 的積極性。到目前為止，中鐵建大橋院已有多座大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)橋梁采用了直接由三維建模生成施工圖。如圖4中三維建模生成的二維節(jié)點(diǎn)圖，圖5中三維建模生成的二維鋼橋面板裝配圖。
生成二維圖紙時(shí)，會(huì)遇到一些影響設(shè)計(jì)進(jìn)度的問題：比如鋼橋模型較大或模型中大量的螺栓孔對(duì)模型性能的影響、焊縫建模、二維出圖過程中消隱線處理等等，需要一個(gè)一個(gè)去克服。
經(jīng)驗(yàn)表明，如果在三維建模時(shí)就考慮到生成二維圖的需要，會(huì)大大減少后期工作量。這就需要針對(duì)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)類型事先對(duì)建模方式進(jìn)行規(guī)劃，也就是規(guī)范化建模。實(shí)際上，規(guī)范化建模也可以提高模型的可重用性和參數(shù)驅(qū)動(dòng)的性能。
同時(shí)，雖然現(xiàn)有的軟件都支持三維模型和二維模型聯(lián)動(dòng)，但設(shè)計(jì)中應(yīng)以三維模型作為主要的設(shè)計(jì)對(duì)象，在三維模型穩(wěn)定后再生成二維圖，以減少反復(fù)調(diào)整尺寸線、視圖、剖面位置等帶來的工作量。
四、邁向BIM
在三維參數(shù)化技術(shù)方面的積累為中鐵建大橋院邁入BIM時(shí)代提供了良好的基礎(chǔ)。三維參數(shù)化建模是BIM系統(tǒng)的核心功能，也是其區(qū)別于傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)的主要特征。在橋梁全生命周期和各專業(yè)橫向的數(shù)據(jù)交換過程中，三維參數(shù)化模型起到了信息載體的作用，同時(shí)Solidworks、Inventor等BIM工具軟件生成的三維參數(shù)化模型可采用IFC（IndustryFoundation Classes）、STEP（產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)）等格式進(jìn)入BIM平臺(tái)軟件，為協(xié)同設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。
在BIM環(huán)境的搭建過程中，BIM服務(wù)器負(fù)責(zé)模型的存儲(chǔ)與管理，涉及到BIM模型的互操作性和可重用性，在BIM環(huán)境中處于核心地位。《BIM Handbook》一書將BIM服務(wù)器分為兩類：第一類是基于文件的服務(wù)器如Autodesk Collaborative Project Management、Bentley ProjectWise Integration Server；第二類是基于對(duì)象的服務(wù)器，如Dassault Enovia，從技術(shù)發(fā)展層面看，采用基于對(duì)象的BIM服務(wù)器是一個(gè)大的趨勢(shì)。同時(shí)在使用過程中我們也發(fā)現(xiàn)，Solidworks軟件雖然使用方便、建模效率高、對(duì)二維出圖支持好，但在管理大模型（如全橋模型）時(shí)性能下降明顯。
基于以上考慮，我們引進(jìn)了CATIAV6平臺(tái)，與原有的Solidworks軟件一起形成一個(gè)高低搭配的BIM環(huán)境。在這個(gè)環(huán)境中，Solidworks作為BIM創(chuàng)作工具對(duì)鋼橋節(jié)點(diǎn)、桿件、錨箱等次級(jí)裝配進(jìn)行建模，CATIA V6平臺(tái)負(fù)責(zé)全橋模型組裝、融合其它專業(yè)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)協(xié)同、生成供發(fā)布用的輕量級(jí)模型等工作。這里首先需要解決的問題是如何將現(xiàn)有Solidworks鋼橋三維模型導(dǎo)入到CATIAV6平臺(tái)，由于現(xiàn)有BIM軟件特別是不同廠商的軟件間還不能做到無縫數(shù)據(jù)交換，存在不同程度的信息丟失，比如Solidworks中的自定義屬性信息就不能傳遞到CATIA V6平臺(tái)中，為此我們專門在CATIA V6平臺(tái)上開發(fā)一個(gè)專用軟件工具，用于將Solidworks 2015模型及自定義屬性字段導(dǎo)入達(dá)索CATIA V6 2015X系統(tǒng)，從而使得用戶在V6系統(tǒng)中可以讀取Solidworks模型中的所有幾何信息和屬性信息。圖6 所示為Solidworks裝配模型，圖7為Solidworks模型導(dǎo)入到CATIA V6平臺(tái)后的效果，對(duì)比看出，兩種軟件平臺(tái)的模型傳遞未造成幾何、裝配等信息的丟失。
由于CATIA V6對(duì)中文屬性名的支持存在一些問題，轉(zhuǎn)換時(shí)需要對(duì)屬性名稱進(jìn)行修改，下表部分屬性映射關(guān)系：
實(shí)際上，在實(shí)施BIM的過程中，類似的細(xì)節(jié)問題會(huì)大量存在，相信隨著技術(shù)人員熟練程度的提高、BIM軟件的不斷升級(jí)和BIM應(yīng)用的深化二次開發(fā)等，BIM技術(shù)對(duì)橋梁設(shè)計(jì)的巨大推動(dòng)作用將會(huì)逐漸顯現(xiàn)。
結(jié)論
1、目前與BIM相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)正在形成與完善階段，相關(guān)人才培訓(xùn)、技術(shù)政策、軟件研發(fā)還不能完全滿足BIM實(shí)施的要求，因此在橋梁設(shè)計(jì)中全面采用BIM技術(shù)會(huì)遇到相當(dāng)大的困難。中鐵建大橋院在實(shí)踐過程中牢牢把握“以三維設(shè)計(jì)提升設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率”這個(gè)抓手，扎實(shí)推動(dòng)BIM技術(shù)的落地。
2、在BIM實(shí)施時(shí)，單一軟件肯定不能滿足橋梁設(shè)計(jì)的要求，需要對(duì)不同廠商的軟件進(jìn)行集成，搭建一個(gè)合適的BIM環(huán)境，可以通過定制開發(fā)等手段基本解決不同軟件間的數(shù)據(jù)交換問題。
3、由于橋梁設(shè)計(jì)的特殊性，對(duì)現(xiàn)有BIM軟件進(jìn)行用戶定制和二次開發(fā)不可避免。需要針對(duì)具體應(yīng)用場(chǎng)景采用三維參數(shù)化模板、直接調(diào)用軟件API等方式進(jìn)行開發(fā)。
4、由于目前施工圖交付還是以二維圖為主，由三維模型生成二維施工圖往往稱為影響B(tài)IM落地的關(guān)鍵因素。在三維建模時(shí)考慮到二維出圖的要求，可以減少后期工作量。
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