何玉明 王磊

(1.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 成都610399;2.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 100082)

引言

BIM 即“建筑信息模型”的縮寫,廣義的BIM 包含建筑的幾何、材料、造價(jià)、施工工藝、施工進(jìn)度和運(yùn)營(yíng)管理等方面的信息,是業(yè)主、設(shè)計(jì)方、施工方和運(yùn)營(yíng)方等相關(guān)單位的信息平臺(tái),貫穿于建筑的全生命周期。BIM 技術(shù)涉及模型的建立和模型的運(yùn)用兩個(gè)方面。利用BIM技術(shù)最大限度地提高項(xiàng)目的綜合效益,需聯(lián)合運(yùn)用多個(gè)軟件,甚至多類軟件。依靠一個(gè)軟件解決所有問(wèn)題的時(shí)代已經(jīng)一去不復(fù)返了[1]。因此建模軟件需有樣化的接口,便于模型導(dǎo)入其他軟件,以提高信息模型在項(xiàng)目的全生命周期中的運(yùn)用價(jià)值。運(yùn)用信息模型為各專業(yè)工程和項(xiàng)目的各實(shí)施階段服務(wù),需基于實(shí)際需求開發(fā)相應(yīng)軟件,或?qū)ΜF(xiàn)有軟件進(jìn)行二次開發(fā)。目前,國(guó)內(nèi)BIM 技術(shù)發(fā)展并不成熟,大多處于最基礎(chǔ)的建模階段。在土木工程行業(yè)中,主流的建模軟件 有Revit、Bently、CATIA,以 及ArchiCAD等,國(guó)內(nèi)的清華斯維爾、廣聯(lián)達(dá)等軟件也有一定的應(yīng)用,其中Autodesk 公司推出的Revit 三維建模軟件,應(yīng)用最為廣泛。Revit 的族庫(kù)豐富,建模效率高,但限于民用建筑[2]。Bently 在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)[3],ArchiCAD 限于建筑專業(yè),通用性較差。針對(duì)橋梁工程專業(yè),建模技術(shù)并不成熟,本文探討CATIA 在橋梁工程建模中的應(yīng)用。

1 CATIA 的特點(diǎn)及工程應(yīng)用

達(dá)索CATIA 軟件的建模過(guò)程可追溯,模型的邏輯關(guān)系清晰,信息管理能力強(qiáng),其思維契合我國(guó)建筑業(yè)向工業(yè)化、信息化發(fā)展的思路[4],該軟件目前在水利、橋梁,以及隧道專業(yè)有一定的應(yīng)用[5-10]。CATIA 三維設(shè)計(jì)軟件的結(jié)構(gòu)樹使模型邏輯一目了然,并能詳細(xì)記錄建模過(guò)程,極大地方便了模型的檢查和修改。軟件的曲面功能強(qiáng),可實(shí)現(xiàn)參數(shù)化、函數(shù)化建模,在復(fù)雜、異形建筑建模方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。在知識(shí)工程模塊,設(shè)計(jì)人員可通過(guò)編寫計(jì)算機(jī)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)建模,充分體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)處理繁瑣數(shù)據(jù)的優(yōu)越性。

李健剛[6,7]等基于CATIA 平臺(tái)采用“骨架+模板”的方法設(shè)計(jì)了某斜拉剛構(gòu)組合體系橋梁,研究表明CATIA 在橋塔扭曲板的設(shè)計(jì)和圖紙表達(dá)方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì),繁復(fù)和大體量的建筑采用“骨架+模板”建模方式能顯著提高建模和修改效率。張磊[8]運(yùn)用CATIA 建立了某三跨系桿拱橋的三維模型,并對(duì)模型進(jìn)行了后期效果處理和展示。近年,CATIA 軟件對(duì)工程領(lǐng)域的滲透越來(lái)越多,Gehry Technologies 公司基于CATIA 內(nèi)核開發(fā)了建筑類建模軟件Digital Project[9],由于價(jià)格較高,國(guó)內(nèi)應(yīng)用相對(duì)較少。馬少雄等[10]基于CATIA 平臺(tái)研發(fā)了信息化施工管理平臺(tái),并應(yīng)用于某大跨鋼管混凝土拱橋。

以上文獻(xiàn)研究了CATIA 軟件建模效率和模型展示效果,但未說(shuō)明按照“骨架+模板”的思路建立模型的流程,也未研究復(fù)雜模型的信息管理方法。本文研究運(yùn)用CATIA 建立橋梁三維模型的一般流程和復(fù)雜模型信息管理的方法。

2 CATIA 的建模方法

CATIA 軟件提供了多個(gè)工作臺(tái)以滿足多樣化的設(shè)計(jì)需求,在橋梁建模中聯(lián)合使用“草圖編輯器”、“零件設(shè)計(jì)”、“創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)”、“裝配設(shè)計(jì)”和“知識(shí)工程”等工作臺(tái)可建立橋梁三維幾何模型。一般的橋梁構(gòu)件可先用“草圖編輯器”創(chuàng)建構(gòu)件二維輪廓; 而后基于二維輪廓在“零件設(shè)計(jì)”工作臺(tái),利用“凸臺(tái)”、“多截面實(shí)體”等命令創(chuàng)建三維實(shí)體并進(jìn)行實(shí)體修飾,如“倒角”、“鏡像”和“陣列”等; 最后在“裝配設(shè)計(jì)”工作臺(tái)以“骨架”為參照,對(duì)已建立的各部件進(jìn)行裝配,形成完整的橋梁模型?！皠?chuàng)成式外形設(shè)計(jì)”工作臺(tái)可完成外形為曲面的構(gòu)件的建模,“知識(shí)工程”工作臺(tái)可用“參數(shù)”、“設(shè)計(jì)表”,以及“規(guī)則”等驅(qū)動(dòng)模型,使模型各部分關(guān)聯(lián)性更強(qiáng)。繁復(fù)構(gòu)件可封裝成“模板”,需要時(shí)直接調(diào)取并“實(shí)例化”即可。建模時(shí),可按照?qǐng)D1 所示流程進(jìn)行設(shè)計(jì)建模。

圖1 CATIA 協(xié)同建模流程Fig.1 Collaborative modeling flow chart of CATIA

項(xiàng)目結(jié)構(gòu)劃分可采用工程慣用的結(jié)構(gòu)劃分方式,根據(jù)工程形象或功能逐級(jí)劃分。模型數(shù)據(jù)文檔命名應(yīng)堅(jiān)持有利于文檔管理和識(shí)別的原則,可根據(jù)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)圖采用字符串命名,每一字段表達(dá)特定的含義。為避免軟件識(shí)讀錯(cuò)誤,CATIA 外部文檔的名稱中不宜出現(xiàn)中文,但在模型內(nèi)部的結(jié)構(gòu)樹中,可出現(xiàn)中文,搭建結(jié)構(gòu)樹時(shí)宜采用對(duì)應(yīng)部件的中文名稱命名,以降低使用者的識(shí)讀難度。當(dāng)然,設(shè)計(jì)人員可根據(jù)模型特點(diǎn)及個(gè)人習(xí)慣靈活命名。

“骨架”類似建筑工程中的軸網(wǎng),是各構(gòu)件定位組裝的參照曲線,一般選取橋梁的中心線和橋墩、塔柱的中心線等具有明顯定位功能的曲線作為“骨架”。與Revit 和Bently 中的軸網(wǎng)不同的是,CATIA 中的骨架曲線需用戶自行“發(fā)布”才能與其他曲線區(qū)分,“發(fā)布”后骨架曲線在結(jié)構(gòu)樹中單獨(dú)列出,有利于建模時(shí)調(diào)用。工程中,采用“骨架+模板”的建模思路,能很好地實(shí)現(xiàn)多人協(xié)同建模的目的。

3 工程案例

3.1 工程概況

佛山東平水道特大橋[11]為A 型獨(dú)塔雙索面斜拉橋,橋長(zhǎng)475m,橋?qū)?6.5m,索塔高146.8m,跨孔分布如圖2 所示。主跨及小里程邊跨為鋼箱梁,輔助跨及大里程邊跨為混凝土箱梁,橋梁采用塔梁墩固結(jié)體系。

圖2 橋梁立面簡(jiǎn)圖(單位： m)Fig.2 Bridge elevation diagram(unit： m)

3.2 項(xiàng)目結(jié)構(gòu)劃分及數(shù)據(jù)文件命名

根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)方案,考慮各部分結(jié)構(gòu)的差異性及建模的便利性,將該橋劃分為橋墩系(包括基礎(chǔ))、橋面系、索塔、斜拉索四部分,其中,橋面系細(xì)分為混凝土箱梁段、鋼箱梁段及鋼-混結(jié)合段三部分。根據(jù)項(xiàng)目劃分情況,建立相應(yīng)數(shù)據(jù)文件。橋面中心線為全橋骨架曲線,單獨(dú)建立文件存儲(chǔ)。現(xiàn)以索塔為例,說(shuō)明項(xiàng)目劃分及數(shù)據(jù)文件命名規(guī)則,索塔為A 型混凝土塔柱,橋面以下為實(shí)體雙肢塔柱,橋面以上塔柱的下段為空心雙肢塔柱,而后漸變?yōu)閱沃招乃?塔頂有裝飾性曲面塔冠,其構(gòu)造復(fù)雜。將索塔分為下塔柱、中塔柱、上塔柱、塔頸和塔冠五部分,分別對(duì)應(yīng)5 個(gè)Part 文檔,將5 個(gè)文檔裝配即可得到索塔的三維信息模型,索塔結(jié)構(gòu)劃分及建模思路如圖3 所示。

圖3 索塔結(jié)構(gòu)劃分及建模思路Fig.3 Structural division and modeling ideas of the tower

總裝配文件名為DPQ0000,骨架曲線文件名為DPQ0000 -SK,索塔子裝配文件名為DPQ2000-3D,索塔的下屬部件用DPQ -ST -序號(hào)-3D命名,如下塔柱為DPQ -ST -01 -3D。索塔子骨架曲線用DPQ-20000 -ST-SK 命名。模型中的結(jié)構(gòu)樹用部件對(duì)應(yīng)的中文名稱命名,以便于識(shí)讀。數(shù)據(jù)文件與模型結(jié)構(gòu)樹的名稱如圖4 所示,圖中設(shè)計(jì)表為驅(qū)動(dòng)模型參數(shù)的表格。

圖4 數(shù)據(jù)文件與模型結(jié)構(gòu)樹Fig.4 Data file and model structure tree

3.3 骨架曲線

選取橋梁中心線作為全橋總裝配的骨架曲線,各子裝配文件在文檔內(nèi)部繪制子骨架曲線,如索塔內(nèi)部以索塔中心線為子骨架曲線,以保持骨架曲線的簡(jiǎn)潔性。

3.4 實(shí)體建模

1.基本實(shí)體模型建立

基本實(shí)體模型基于草圖輪廓生成,因此建模的基礎(chǔ)是在草圖工作臺(tái)繪制實(shí)體的輪廓,草圖的支持面可選擇三維空間中已繪制的面,也可以提取已有實(shí)體的表面,推薦使用前者,以避免建模時(shí)交叉引用導(dǎo)致出錯(cuò)。在“零件設(shè)計(jì)”工作臺(tái),可在已繪制的輪廓基礎(chǔ)上用“凸臺(tái)”、“多截面實(shí)體”等實(shí)體拉伸出實(shí)體模型,并完成“倒角”、“開孔”等實(shí)體修飾,同時(shí)可用“陣列”、“鏡像”等命令快速?gòu)?fù)制模型。模型基礎(chǔ)尺寸用參數(shù)驅(qū)動(dòng),推導(dǎo)尺寸用函數(shù)驅(qū)動(dòng),以保持模型內(nèi)部的邏輯關(guān)系,便于后期修改調(diào)整。對(duì)于構(gòu)造相同、尺寸不同的構(gòu)件,用設(shè)計(jì)表驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的參數(shù),可快速變換構(gòu)件尺寸。部分構(gòu)件建模時(shí)所使用的命令如圖5所示。

2.模板

模板即被封裝且可被調(diào)取多次使用的模型塊,其功能和使用方法類似Auto CAD 中的“圖塊”。將多次使用的構(gòu)件定義成模板,而后,根據(jù)需要將其實(shí)例化在骨架曲線正確的位置上,這種建模方式即“骨架+模板”建模方法。CATIA 中“知識(shí)工程”工作臺(tái)提供了“超級(jí)副本”、“文檔模板”和“用戶特征”三種定義模板的方式[6]。例如,橫隔板是鋼箱梁中重復(fù)出現(xiàn)的構(gòu)件,用“超級(jí)副本”將橫隔板定義成模板,建立鋼箱梁模型時(shí)根據(jù)需要直接將其實(shí)例化即可,圖6 為鋼箱梁模板及其在鋼箱梁中實(shí)例化的結(jié)果。

圖5 模型中部分構(gòu)件的建模方式Fig.5 Modeling method of some components in the model

圖6 橫隔板模板及實(shí)例化Fig.6 The template of diaphragm plate and its application

3.模型裝配

在CATIA 中零部件為Part,裝配體為Product,總裝配體下可有多個(gè)并列的子裝配體,子裝配體下可有多個(gè)零部件。在“裝配設(shè)計(jì)”工作臺(tái)完成模型裝配,只要確保各零部件處于正確位置,即可得到三維模型。在裝配前,各個(gè)部件可由不同的設(shè)計(jì)師在不同的計(jì)算機(jī)上獨(dú)立設(shè)計(jì),因此設(shè)計(jì)任務(wù)可由多人協(xié)同完成。圖7 展示了裝配完成的橋梁三維模型,其中索塔由5 個(gè)Part 裝配而成,依據(jù)總體骨架曲線將各部件定位,即可實(shí)現(xiàn)與其他部件的組拼。塔索、拉索和鋼箱梁等單獨(dú)、并行建模,組拼裝配后,整體效果良好,如圖7 所示。

圖7 橋梁模型的裝配效果Fig.7 Assembly results of the bridge model

4 結(jié)論

1.CATIA 軟件在復(fù)雜不規(guī)則橋梁的協(xié)同建模、信息管理和工程圖紙表達(dá)等方面優(yōu)勢(shì)顯著。

2.采用“骨架+模板”建模方式能實(shí)現(xiàn)多人協(xié)同設(shè)計(jì),CATIA 軟件的機(jī)械制造思維可為建筑工業(yè)化、信息化之路提供指引。

CATIA 軟件涉入土木工程領(lǐng)域的時(shí)間相對(duì)較晚,軟件在橋梁建模方面專業(yè)化不足,缺少建筑圖元,材料屬性定義麻煩。