基于BIM的铁路桥墩参数化设计方法研究及应用

张少朋

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

铁路建设行业中BIM(Building Information Model，建筑信息模型)是以三维(3D)技术为基础，集成了铁路建设工程各种相关信息的工程数据模型，是对工程项目设施实体与功能特性的数字化表达。基于BIM技术，可对铁路建设项目进行虚拟设计、建造、维护及管理，实现动态、集成和可视化的4D施工管理[1]。自2014年铁路BIM联盟成立以来，BIM技术在铁路行业的应用取得了跨越式的发展，由最初的侧重于方案展示应用到如今的设计、计算、出图等不同方面。

中国铁路设计集团有限公司以达索软件为主平台，已成功研发铁路工程BIM协同设计平台，率先实现全专业协同BIM设计和铁路BIM技术标准的落地应用。桥梁作为铁路工程重要的站前专业，BIM设计流程包括设计准备、BIM模板设计、骨架设计、BIM模型组装及BIM设计应用等。以铁路桥墩BIM设计为例，主要是按照“骨架-模板-实例化”建模思路(如图1所示)开展，基于铁路空间线位可快速形成空间坐标系，所有的桥墩都是通过若干个坐标系进行定位，这些起到定位功能的坐标系群，就是“骨架”；将不同铁路桥墩模型集成于一个模型中，同时将相关设计参数开放，这就是“模板”，本文重点阐述桥墩模板的设计过程及相关应用。

图1 铁路桥墩BIM设计思路

1 桥墩参数化设计

铁路桥墩大多数为圆端实体流线型桥墩，根据设计构想，桥墩墩身各结构面为空间曲面，桥墩墩身设计线条简洁、流畅，空间定位精度要求很高，二维表达及施工难度大，一般BIM 建模软件很难精确设计墩身各曲面[2]。达索系统软件是世界领先的3D 设计软件，广泛应用于机械航空领域，在解决复杂建筑结构空间建模方面有自己的优势[3],借助其强大的空间造型建模能力及参数能力，可实现桥墩参数化模板的设计。

1.1 桥墩BIM设计标准

铁路桥墩模型精度等级满足《铁路工程信息模型交付精度标准》(1.0版)中LOD3.5级的要求，与二维图纸施工图阶段保持一致，创建桥墩精细化BIM模型，包括垫石、顶帽、托盘及墩身，同时应准确反映泄水坡、倒角、开槽等细节构造。《交付标准》中对于铁路桥墩的几何信息和非几何信息有明确的要求，简支梁桥墩模型的基本信息见表1。其中IFD编码为针对构件不同空间位置、专业需求进行的编码，构件以被赋予的这一串编码作为自己的“身份标识”，其目的是为了使程序通过检索IFD编码，找到目标构件，使整套模型更易于使用、管理。

表1 铁路桥墩基本信息

BIM中的Information可以说是BIM的灵魂，脱离了信息的三维模型不能称之为BIM模型[4-5]。桥墩模型的信息包含几何信息和非几何信息，几何信息等可通过BIM模型直观地表达出来，非几何信息如混凝土强度等级、环境等级、IFD编码等无法通过模型直观表达，需要将这些附加信息以IFC属性赋在模型上，桥墩BIM模型信息见图2。

图2 桥墩BIM模型信息

1.2 桥墩参数化设计过程

BIM参数化设计得到的不是一系列的结果，而是生成结果的工具，参数就是大量的数据，规则即参数之间的逻辑架构，而设计结果只不过是这种状态下涌现出的一种最优解[6]。某铁路桥墩参数化设计过程如图3所示。参数化建模技术是一种几何和智能工程混合的建模技术[7]，达索以其强大的参数化功能，能够实现基于相关开放参数的几何表达。基于EKL语言(Enterprise Knowledge Language，达索内部企业知识语言)进行开发，可以实现桥墩结构的参数化集成，并将相应参数开放，即可实现桥墩的参数化设计。

根据B780CF钢的特性，选择了2种不同厂家的进口焊条进行焊接试验，焊接材料的化学成分典型值见表3，力学性能典型值见表4。

传统的后期制作技术通过录音来实现影视动画的有声化，很少体现流派风格和美学原则。随着时代需求的变化，对白制作技术逐渐成熟。一方面，后期制作要体现对白的距离感，通过远近不同的声音感觉，呈现差异化的艺术效果；另一方面，后期制作要体现对白的空间感，增强观众的立体感受。对白制作技术包括控制直达声反射声比例、营造混响效果、合理调控音量与音色。

图3 桥墩参数化设计过程

else

else if dsg<=22 and dsg>17 {qdzc=2.4 qdhc=5.6 lscsd=0.212}

if `地震加速度(g)`<=0.1 and dsg<=11

ifdsg<=11 {qdzc=2 qdhc=5.6 lscsd=0.251}

{qdzc=1.8 qdhc=5.6 lscsd=0.276}

例如桥墩墩全高发生变化时，按照一定设计规则，桥墩结构尺寸将发生相应调整。参数化设计代码摘选如下：

{

从业人员包含单位在岗职工，再就业离退休人员，聘用的外籍人员和港澳台人员，领取补贴的兼职人员，直接支付工资的劳务工以及个体从业人员，农村从业人员和非正规从业人员。随着社会的发展，更多新的就业形式不断出现，使得从业人员种类也会不断增加和改变。那么工伤保险只有按各种从业人员情况制定不同的参保方式和费率，实行行业费率与人员费率相结合的参保方式才有可能在未来实现所有劳动者都有工伤保险保驾护航。

else if dsg<=17 and dsg>11 {qdzc=2.2 qdhc=5.6 lscsd=0.234}

/*根据墩高调整墩截面尺寸，qdzc桥墩纵长,qdhc桥墩横长,lscsd托盘顶流水槽深度*/

else {qdzc=2.8 qdhc=5.6 lscsd=0.17}

对上述项目之外，现阶段无法预料的其他费用，按不包括固定资产折旧和利息净支出之外的其他各项费用之和的5%计算，按除折旧和利息净支出。

}

通过基于BIM的桥墩参数化集成设计，形成了中国铁设内部通用桥墩设计模板，能够总结提炼出适用于铁路桥墩的建模标准、建模方法、模型分级及快速建模方法，为后续项目开展提供有效解决方案及可复用模板。

2 基于BIM的规范检查

现阶段是通过达索内置EKL实现部分BIM几何模型的规范检查，但需要手动编制，效率低且覆盖面不全。后期应实现基于铁路规范的自动化规范检查，将铁路规范转换为计算语言，自动从BIM模型提取几何属性信息，进行合规检查。

基于常用铁路规范，通过EKL编程实现桥墩结构尺寸检查，其技术路线如图4所示。在Engineering Rule Capture工作台下，可以通过知识工程语言为模型制定特殊的规则(Rule)或检查(Check)，使创建的模型能够满足特定的要求。例如按照《高速铁路设计规范》规定，顺桥方向的支承垫石边缘距顶帽边缘距离不应小于0.20 m，利用EKL实现基于BIM模型的结构尺寸检查，具体代码如图5所示。

以TMT-B、TMT-A为因变量，其他因素为自变量，行Pearson相关性分析，结果显示，TMT-B、TMT-A与FPG、TG、TC、HDL-C、LDL-C无相关性（r=0.082、0.081、0.102、-0.026、0.029/0.078、0.083、0.103、-0.032、0.031，P ＞ 0.05）， 与BMI、HOMA-IR呈正相关（r=0.198、0.218，0.235、0.312，P＜0.05）。

图4 基于BIM开展规范检查技术路线

图5 基于EKL实现桥墩规范检查

铁路桥墩参数模板设计完成后，有必要基于BIM开展规范检查。利用Revit软件实现基于结构设计规范的自动化审查，即通过Revit进行二次开发，提取结构相关参数，根据规范转译功能，执行检查验证。具体工作流程一般包含四步：①规则解释；②提取属性参数；③检查执行；④检查报告[8-10]。

3 基于BIM的设计应用

串联BIM设计是以翻模为主的设计模式，其特征是BIM建模工程位于勘察设计流程结束之后，翻模后的模型主要起到辅助设计作用，BIM未能融入到设计流程中。并联BIM设计是以正向建模为主的设计模式，其特征是伴随勘察设计开展BIM正向建模，发挥BIM参数化、可视化、可协同的优势为设计各环节赋能，实现提质增效，在完成BIM模型创建的同时完成出图算量。

要想实现BIM的正向设计，需要将将设计模式从串联改为并联，正向建模与设计工作同步开展是方向。从串联模式改为并联模式，一方面避免了BIM翻模作为设计终点线，另一方面将方案设计、结构设计、详细设计、有限元分析与BIM正向建模等有机地结合，形成统一设计流程，最终实现工程数量统计和设计出图等功能，才能焕发BIM在设计阶段的生命力，以BIM为核心的桥墩设计流程见图6。

图6 以BIM为核心的桥墩设计流程

3.1 基于BIM的有限元分析

达索软件同时将建模Caita模块和有限元分析Simula模块部署在3DE平台上，能够实现从BIM建模到有限元分析计算的无缝衔接。基于Python语言，可以实现部分塑性材料参数及本构模型的添加，同时能够建立旨在提高计算效率的整体计算流程，实现铁路结构工程从BIM设计到数值分析的无缝衔接。桥墩有限元分析技术路线及结果如图7、图8所示。

图7 桥墩有限元分析技术路线

图8 基于BIM的桥墩有限分析结果

3.2 基于BIM的结构出图

在不久的将来，参与建设的各个缔约方或将更广泛地采用BIM技术，不需要图纸而直接基于模型开展工作，推动工程建设朝着无纸化方向开展[11]。现阶段由于法律问题，最后交付成果肯定要输出二维图纸。达索在实现输出二维图纸的同时，达到三维BIM模型驱动二维图纸，只要BIM模型发生改变，二维图纸相应调整。基于BIM的结构出图如图9所示。

图9 基于BIM的结构出图(单位：mm)

基于BIM的结构出图，在细节表达上比较复杂，同时效率较低，无法满足项目生产中的实际需要。但是通过基于BIM的桥梁二维出图的研究，使得BIM研发人员对基于BIM模型的二维出图有了更加深刻的了解，结合专业需求，总结适合本专业的出图形式及方法，可进一步明确基于BIM模型的二维出图的研究方向。

This manuscript deals with questionnaire survey on super-extended lymphnode dissection in patients with AGC. The conclusion of this manuscript seems to agree with the general consensus of current Japanese surgical oncologists,and could be acceptable for publication.

3.3 基于BIM的工程算量

基于达索平台能够实现工程数量导出和自动计算，利用IFC(Industry Foundation Class，工业基础类)扩展形式标记工程数量，在达索平台导出包含工程数量信息的XML文件，最终由统一汇总程序进行工程算量报表的自动生成[12]。

对于铁路桥墩结构而言，混凝土结构包含墩身、顶帽及垫石，定义相应工程数量IFC属性为ifcCREACEQR_ConcreteQuantity，以便后续检索数据，桥墩IFC属性如图10所示。利用EKL编制相应规则，可以实现根据实体模型自动计算相关结构工程数量，随着每次实例化模型的不同，这些属性值也随之自动变化。利用该BIM算量方法与传统方法计算得到的工程数量对比，顶帽工程数量差值百分率为5%左右，主要是顶帽为异形结构，常规计算为分层拟合计算，计算结果存在一定的偏差，对比结果如表2所示。

图10 达索内IFC属性

表2 工程数量计算结果对比

4 结论与展望

(1)不同的设计人员基于协同设计平台可以同时开展设计，参数化模板为并行设计提供了可能，桥墩设计人员与梁部设计人员可同步开展设计，可以依据项目设计特点，先自己假定输入条件建立参数化模板，等实际输入数据完成后进行模型更新即可，缩短了整个项目的设计周期。

与对照组比较，BV模型组小鼠子宫组织中TLR4蛋白表达量显著增加（P＜0.01），各剂量黄柏碱与加替沙星可减少小鼠子宫组织中TLR4表达。黄柏碱（20、40 mg/kg）与加替沙星均可有效降低小鼠子宫组织中TLR4表达量，与模型组比较差异显著（P＜0.05、0.01）。结果见图2。

(2)BIM模型重要的部分是Information(信息)，开展基于BIM的自动规范检查和设计应用，能够解决BIM模型的“无用论”，提升BIM设计的广度和深度。

十九大报告中明确提出“培养造就一支懂农业、爱农村、爱农民的‘三农’工作队伍”［1］。基层农技人员队伍是“三农”工作队伍的重要组成部分，他们长期扎根基层、切实服务“三农”，是培育造就有文化、懂技术、会经营的新型职业农民，发展现代农业、实施乡村振兴战略的重要力量。台州科技职业学院作为浙江省九大现代农业技术培训基地之一，承担浙江省基层农技人员知识更新培训任务。基于往年培训中发现有基层农技人员在培训课间流露对自身职业存在倦怠感的情况，而开始关注我省基层农技人员的职业状态，并着手开展调研，探究其真实职业现状、挖掘倦怠原因、有针对性地提出相关建议。

结合国铁集团对铁路信息化的总体要求，设计院作为铁路行业上游单位，应积极探索基于BIM模型的设计应用。基于BIM技术实现桥墩参数化设计及合规检查、有限元计算、结构出图、工程数量计算等功能，现阶段都取得了一定的成果，但还不能满足广大设计人员的需求，通过系统梳理各个功能的优缺点，为BIM研发人员的工作开展明确了方向。