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BIM技术应用:开放式BIM让桥梁模型可复制

2021
02/23
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jihong

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建筑界
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【摘要】目前,为航空航天和机械工程师开发的复杂软件解决方案,还未被土木工程师充分利用。在标准化的桥梁设计过程中,通过参数化建模的解决方案,可以提高利用BIM技术进行项目规划的速度。

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  本文展示了如何创建参数化、自适应的桥梁模型,并将其与当前的设计方法进行了比较。其目的是创建一个可多次用作模板的BIM模型,而不是为每个建设项目创建一个新的桥梁模型。这种方法对于标准化的桥梁设计尤其可行,因为这类桥梁的布置只在细节上有所变化,因此只需要较少的参数变化就可以完成设计。全参数化与自更新文档相结合,可以快速分析和比较不同的设计方法。因此,可以将其用到更多的方面,以找到满足设计要求的最佳方案。

  更快捷的初步设计

  公路桥梁进行参数化自适应设计背后的核心思路,是为非特定项目而创建模型,并且可以作为同类型桥梁设计模型的模板,只需要改变相应的参数就可以适应不同的设计要求。

  在使用模板之后,初步设计模型就可以直接使用了。它包含诸如表格、分析和绘图等链接文档。所有这些都从主模型中提取信息,从而可以进行更新和更改。为用户提供实时的反馈,并告知他们改变参数将会如何影响桥梁的外观、建设成本和可持续性。

  如何在初步设计中采用新的BIM流程,并将其应用到组合桥梁的模板模型中是本文研究的重点。图1为一个在实际工程中使用相关建模应用程序的效果示例。其目的是建立一个参数化、自适应的桥梁模型,该模型具有最大程度的预定义属性,可作为模板用于多个项目,并能够根据不同的桥位条件做及时的调整。该模型中还包括了桥梁的结构分析及其他文件(草稿、表格等)。与模型相关的所有文档都会自动适应参数的变化而进行更新。参数也可以很容易地修改以适应项目的需求,从而使初步设计过程更便捷、更快速、更少出错。在图形用户界面中使用自定义参数后,用户可以处理结果模型,并进行自定义参数的修改。图2中展示了一个参数化定义的两跨桥梁,在被布置到一段高速公路上时,可以根据地形条件自动调整桥跨布置。

  对使用参数化、自适应的桥梁设计方法与目前的设计方法进行比较,发现了使用参数化、自适应、隐式几何描述的桥梁设计方法的优缺点。例如,隐式几何描述将结构对象的所有信息保存在分层结构历史记录中。与大多数BIM系统不同的是,该方法使用的是明确的或混合的几何描述,只保留最终的几何属性。复杂的CAD软件提供的隐式几何描述是创建桥梁模板模型,随后进行个别修改及详细说明的必要条件。

  创建一个可以用作模板的模型,首先会导致更高的工作负荷。然而,使用参数自适应的桥梁模型,当需要重复使用时就显示出了巨大的潜力,为后续的使用节省了时间、减少了错误。这使其成为对标准化桥梁进行结构设计的有效选择,但由于其应用范围有限,不能用于个别特殊桥梁的设计。总体而言,接下来,标准化桥梁的设计可以通过应用BIM,来满足当今对更快、更便捷的设计流程的需求,并解决当前在初步设计阶段工作量增加的问题。自适应的BIM模型可以减少桥梁的规划时间,为下一步的规划过程做准备。因此,利用BIM进行设计不再需要大量的设计人员。此外,使用模板模型还可以提高设计质量。因为预先分配的结构属性、参数边界、自动分析文档和设计警告,可以减少设计过程中出现错误的概率。

  模板驱动建模的要求

  对于桥梁这种受路线、地形约束限制的基础设施,选择自上而下的建模方法显然是十分有利的,因为大多数构件需要在空间对齐,并由外部约束,例如交叉路线或已构建的基础设施进行固定。

  在初步设计中,需要一个不太详细的模型可以更容易地适应不同的地形条件,并调整形状以适应不同的要求。因此,在定位和形状拟合方面需要有很强的灵活性。同时,与此相关的信息,例如技术规范、图纸、结构分析、工程量统计、概预算、施工进度表和可持续性,可以直接来自模型的属性。

  隐式CAD的自适应能力

  对模型的更改主要在于控制组件,控制组件应包含在初步设计中需要调整的所有相关参数和特征。其他重新加载的对象会自动适应由关联效应引起的变更。但应防止双向关联,因为这样会导致加载时间的增加和几何图形的过时。

  然而,在整个建模过程中修改相关几何形状时,这种可以自动适应特殊边界条件的属性也具备高度的灵活性。为此,需要复杂的隐式几何建模技术,即使在初步的模板模型建完后,这些技术仍然具有完整的参数和特性。

  模板驱动设计

  该模板包含一组相关的参数和特征,在建模过程中需要进行修改。所有的几何信息都存储在控制文件中,而属性则直接应用于对象。研究表明,为避免设计过程中的冲突,模板设计必须由工程师提前制定好。

  在模板中也可以通过插入单独的值、给定的值、函数/规则来更改这些参数。应设置上、下边界条件,保证合理的求解值和质量数据。集成的Product Template Studio提供了一种快速而简单的方法,可以很容易地将模型插入到项目文件中之后,立即更改桥梁的参数。它指导用户完成第一次插值过程,并对参数要求的状态给出实时反馈,确保所有值都是正确的,并给出修改建议。

  但是,有一些对象需要做大量的准备工作才能实现自动化。其中之一是对数字地形模型的自适应。因为桥台、基础和施工场地的自适应变化数据量巨大,可能使整个自动化效率降低。因此,建议在后期处理和细节中手动调整它们。此外,根据给定的数据,可以导入梯度,也可以使用该接口创建梯度。

  模板应用程序

  可以通过用户界面轻松地将模板插入到新项目中。这种插入方式可以防止一开始就可能出现的错误,并允许不熟悉模板的人使用。该接口要求输入主要参数(例如跨度、横截面类型),并检查输入参数是否存在可能的冲突,以防止不正确地插入到项目文件中。

  数据管理

  所有信息通过属性和几何信息直接应用于模型本身。模型信息被不断地提取并以软件中立的格式存储,例如图纸、表格和文本,对于任何参与项目的人来说都很容易阅读到这些信息。这个过程是单向的,意味着所有的信息都是从模型中提取出来的,对文档的更改不会影响模型本身。这将极大地减少可能产生的错误,例如错误命名的属性和冗余信息,这些可能会在分析过程中导致问题。

  模型信息的提取不仅为设计人员、客户提供了简单的分析和项目概述,还改进了数据管理模式。有了这个功能,设计师可以快速尝试不同的设计,并得到关于它们如何影响属性、桥梁的可持续性等即时的反馈。

  存在的问题

  模型设计中的自动化并非没有问题。当转换到一种新的设计方法时,工程师们可能需要一段时间去适应。在开始建模前,使用程序化的方法需要进行许多准备工作。与常规的边界表示方法不同,程序化的方法需要创建具有正确属性的对象,而参数化、自适应设计的创建,则要求用户提前考虑构件特性的建模顺序,以及它们之间的关联方式。

  由于对桥梁参数的更改,也迫使软件需要重新计算所有受影响的对象,因此必须确保这种更改操作是按照正确的顺序进行的,以防止循环关联。使用层次顺序有助于保持序列的一致性。

  此外,需要清晰地记录模型的操作历史,以确保构件的特性能够被轻松地使用。这也需要每位工程师都必须遵循明确的约定。

  虽然当前的软件,独立的数据交换格式还不能交换方法和信息,但该模板是可用的一个软件产品。而不能交换方法和信息这个缺点至少可以通过提取常量数据,部分抵消。

  提高初步设计的效率

  创建模板要比创建非关联模型慢得多,然而使用模板模型有很多优点。首先,由于创建模型只需要修改初始模板模型的参数,因此可以节省大量的时间。与传统的规划过程相比,常规BIM阶段的概念设计和初步设计阶段,通常需要做更多的工作。使用模板可以将第一规划阶段的工作减少到最少。

  与传统的规划过程不同的是,在传统的规划过程中,初步设计的后续利用率不高,而在BIM流程中,初步设计在信息流中没有任何中断,这节省了规划的时间。

  另外,为了减少BIM应用中通常会出现的规划误差,这种方法进一步减少了误差率。由于预先分配的属性,减少了当输入边界条件时,几何图形的错误信息。

  除了控件程序库中的对象,大多数创建的对象之间没有任何关联,易于分离。因此可以同时在多家公司和工程师之间分配已创建的对象,而不必担心冲突。这也减少了规划时间,保证了更快的模型创建和后续过程。

  参数自适应桥梁模板

  图纸作为衍生品

  主桥上部结构的仿真模型、二维图纸、三维有限元分析及装配组件等所有的信息,都在主控模型中进行存储和维护。

  在三维设计中,图纸不再是主要产品,而是三维模型的衍生品。通过在模型中定义一个剖切面,然后将其放置在二维平面上,就可以得到图纸。当把图纸文件向上定位到层次结构时,它们就与模型关联在一起了。主控模型到从属模型的关联是单向的,因此必须在主控模型中进行更改。

  为了进一步实现自动化,不仅可以将几何信息集成到模型中,还可以将制造信息集成到模型中,然后直接在从属模型中提取制造图纸,为后续的生产过程、物流和安装提供信息。在由模型驱动的预制混凝土构件和所需的施工顺序中,这些属性被分配给各个主部件,并通过产品制造信息(PMI)进行可视化。

  目前软件独立的数据交换格式允许这种制造信息的交换。因此,该模板通常可用于任何BIM软件产品。

  嵌入式结构分析

  建筑信息模型(BIM)的技术背景是,将三维构件、语义数据、图纸和仿真等对象连接在一起的关系数据库。BIM是一个模型驱动的过程,因此主控模型概念在CAD/CAM软件应用中是一种常见的技术。

  基于主控模型概念所提出的方法,最主要的目的是3D-CAD模型丰富了几何和静态边界条件、属性,便于后续的有限元分析(FEA)。

  在自动生成的有限元网格基础上,将钢梁的拱度计算集成到模型中。将得到的挠度图加载回主控模型中,得到钢梁的理想预拱度,与模型的其余部分一样,计算自适应参数的变化。还可以考虑使用迭代步骤将预标注添加到流程中,因为几何元素不需要修改后,这样做可以节约时间。

  生成的有限元网格为通用的四面体网格,相比于其他网格,这种网格有一个较大的优势,就是有时可以不需要再定义网格相关的边界条件,因此也不会因几何参数变化而导致出现网格计算异常的风险。通过在主控模型中计算恒载作用力,并将其作为参数添加到分析计算中,使所有的力和边界条件都作用于几何体本身,而不是网格,以保持模型的适应性。

  可持续性

  BIM还可用于快速评估不同桥梁类型的可持续性,并即时反馈评估结果。在本研究中,两种不同的主梁类型,焊接型钢与轧制型钢。可以发现,不同的梁型对环境的影响很小,焊接钢梁由于其优化的形状,表现稍好。

  标准化结构的未来

  利用即将到来的数字化手段,例如面向对象的建模、基于web服务器架构的数据互联、自动化制造等,开发数据结构模型驱动设计的新流程。将参数化模板程序与隐式建模技术相结合,使各种工程信息在整个项目生命周期内的分配及使用,不再出现冗余。让模型数据可重复使用,而不再隐藏在文档中。

  可以设想,在未来用BIM创建标准化结构将变得越来越重要。基于BIM的模板模型可以重复使用,并在整个项目过程中被不断优化。利用这种设计方法可以最大限度地减少误差,提高规划的速度。

  必须强调的是,成功应用3D CAD进行公路桥梁设计的主要要求有——基于BIM应用案例的模板概念、基于实体几何结构的CAD建模工具、自上而下的建模方法和控制文件、参数和特性的历史操作记录、清楚的分类关联结构、良好的人机交互模式。

  目前的研究已经显示出了参数化、自适应的桥梁模板模型的巨大潜力。而这个模型中还可以增添更多的设计元素,例如图纸、生产数据、结构模拟、报告等文件,以及可持续性评价结果。虽然开放BIM的概念还没有完全体现在隐式建模中,但未来将会实现工程全生命周期的自动化建模。

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