BIM技术在高速铁路32 m简支箱梁钢筋优化设计中的应用.pdf
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1、收稿日期:20230714;修回日期:20230725基金项目:中国中铁股份有限公司科技开发计划项目(实用技术-2021-重点-01);中铁工程设计咨询集团有限公司科技开发课题(BIM-研 2021-1,数字-研 2022-2,研 2023-数字-1)作者简介:段盟君(1993),男,工程师,2021 年毕业于西南交通大学土木工程专业,工学硕士,主要从事桥梁设计研究工作,E-mail:mengjun_duan 。第 67 卷 第 10 期2023 年 10 月铁 道 标 准 设 计RAILWAY STANDARD DESIGNVol.67 No.10Oct.2023文章编号:10042954(
2、2023)10011406BIM 技术在高速铁路 32 m 简支箱梁钢筋优化设计中的应用段盟君,陈海涛,邓运清,罗天靖(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)摘 要:我国高速铁路桥梁以 32 m 预应力混凝土简支梁桥为主,在 32 m 简支箱梁结构优化设计的基础上,为提高设计精度、优化钢筋布置、节省钢材用量、降低施工难度,将 BIM 技术应用到 32 m 简支箱梁的钢筋优化设计中。基于 BIM 技术在铁路工程领域的应用研究,采用 Bentley 平台软件对优化后的 32 m 简支箱梁进行 BIM 建模,主要结论如下:(1)实现了精细化简支箱梁 BIM 模型,外部结构包含参数化箱梁主
3、体、梁体孔道、吊梁混凝土块等细部结构,内部结构包含全部梁体钢筋、预应力体系和多种预埋件等结构,以三维可视化的方式将各结构之间的空间位置关系表达清楚;(2)采用软件的冲突校核功能进行钢筋碰撞检查,重点针对梁端处、梁截面变化段及预应力管道周围的钢筋进行优化设计,共节省钢筋用量 1 281.59 kg,约占整孔箱梁钢筋用量的 2.5%;(3)对箱梁的内部结构进行BIM 模型还原与钢筋深化设计,提前解决施工难题,现场指导钢筋大样的制作、梁体钢筋的试拼与绑扎,显著减少施工过程中的钢筋安装问题,可为铁路简支箱梁的 BIM 技术应用提供参考。关键词:高速铁路;简支箱梁;信息模型;Bentley 平台;钢筋碰
4、撞;优化设计中图分类号:U238;U448.13;U24 文献标识码:A DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.202307140005Application of BIM Technology in the Optimized Design of 32 m Simply-supported Box Beams Steel Reinforcements for High-speed RailwayDUAN Mengjun,CHEN Haitao,DENG Yunqing,LUO Tianjing(China Railway Engineering Design and C
5、onsulting Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China)Abstract:Chinas high-speed railway bridges are mainly 32 m pre-stressed concrete simply-supported beam bridges.Based on the structural optimization design of 32 m simply-supported box beam,BIM technology is applied to the steel reinforcements optimizatio
6、n design of 32 m simply-supported box beam.The application of BIM technology improves design accuracy,optimizes reinforcements arrangement,reduces steel consumption,and lowers construction difficulty.Researches on the application of BIM technology in the field of railway engineering.Bentleys softwar
7、e is used for BIM modeling of 32 m simply-supported box beam after optimization.The conclusions are as follows:(1)Refined simply-supported box beam BIM model is established.External structures contain parametric box beam model,apertures,concrete blocks for lifting and other detailed structures.Inter
8、nal structures contain all steel reinforcements,prestressed system,embedded parts and other structures.The spatial position relationship between components is clearly expressed in 3D visualization.(2)The clash detection function of the software is used to check steel reinforcements collision.This op
9、timized design focuses on the steel reinforcements at the both ends of beam,the section changing beam segments and the area around prestressed reinforcements.A total of 1 281.59 kg of steel is saved,accounting for about 2.5%of the overall steel assumption.(3)Internal structures of box beam are clear
10、ly demonstrated by the BIM model.Construction difficulties are solved in advance by optimized design of steel reinforcement.The BIM model can be used to guide the steel reinforcements production,assembling and binding on construction site,which significantly reduces the problems of reinforcements in
11、stallation during construction,and provides references for the application of BIM technology for the same type of simply-supported box beam.Key words:high-speed railway;simply-supported box beam;information model;Bentley platform;reinforcement collision;optimized design1 概述我国的高速铁路建设多采用“以桥代路”的策略,桥梁占比
12、高、数量大1,常用跨度的标准梁桥约占桥梁总长度的 80%以上2。预应力混凝土简支箱梁具有构造简单、受力明确、施工便捷、工艺成熟、耐久性好等优点3-4,并且以 32 m 跨度的标准箱梁应用最为广泛5-6。截至 2022 年年底,我国高速铁路通车里程已超过 4.2 万 km,高速铁路标准简支箱梁仍将有 15 万孔以上的需求用量7。高速铁路已成为“中国制造”的鲜亮名片,是“一带一路”倡议和“走出去”战略重要的技术、装备输出对象8,开展高速铁路标准简支箱梁优化设计研究,对我国高速铁路乃至世界高速铁路的发展具有重要意义9。在充分吸收前期设计、工程实践和科研成果的基础上,对 32 m 简支箱梁进行优化设计
13、10,采用新技术、新材料、新工艺合理优化结构尺寸,显著减少了工程数量,有效提升了经济性和安全性。标准箱梁内部结构布置复杂,包含预应力体系、多种预埋件以及近百种钢筋大样。二维图纸对箱梁内部结构的空间关系表达不明确11,在实际制梁过程中往往出现钢筋打架、差错漏碰、难以施工等问题12。随着 BIM 技术在铁路工程领域的应用研究快速发展,结合 BIM 技术辅助设计和施工已成为重要的创效手段13-14。采用 BIM 技术对钢筋进行深化设计、三维建模、模拟拼装、碰撞检查,将大大降低现场钢筋安装难度15,有利于提高工作效率、节约施工成本、降低经济风险等,对工程项目建设起到多方面的积极作用16。在高速铁路简支
14、箱梁结构优化的基础上,结合BIM 技术,采用 Bentley 平台的 OpenRail Designer 软件对箱梁外部和内部结构进行精细化 BIM 建模17-18。为达到精细化设计和指导现场施工的目的,按照铁路工程信息模型交付精度标准(1.0 版)19的要求,桥梁信息模型的几何精度取 LOD3.0 级。在此基础上对钢筋模型进行碰撞检查,根据检查结果对钢筋大样和布置形式进行深化设计,重点对梁端处、梁截面变化段、预应力管道周围的钢筋进行优化。通过二维与三维相结合的技术交底,向施工现场准确传递设计意图,提前解决施工难题。研究成果可显著减少施工过程中的钢筋安装问题,节省一定的钢筋用量,达到提高优化设
15、计精度、控制生产成本和降低施工难度的目的。本次研究采用的技术路线如图 1 所示。箱梁主体建模包括参数化箱梁主体和细部构造;普通钢筋建模包括钢筋骨架线和钢筋实体;预应力体系建模包括预应力钢束、定位网钢筋和配套设备;预埋件建模包括支座预埋件和防落梁预埋件;钢筋的碰撞检查与优化包括调整钢筋位置、改变钢筋大样、统计优化数量;BIM模型与现场施工包括 BIM 技术交底和指导现场施工。图 1 技术路线Fig.1 Technology roadmap2 简支箱梁精细化 BIM 建模简支箱梁 BIM 模型由多个部分组成,包括参数化箱梁主体、梁体钢筋、预应力体系、多种预埋件结构等。2.1 参数化箱梁主体建模参数
16、化箱梁主体建模采用自研的梁式桥 BIM 辅助设计建模程序20,如图 2 所示。通过“参数化截面+沿路径拉伸”的方法,创建参数化箱梁主体模型,可以实现简支梁、连续梁等标准形式的梁式桥快速 BIM建模。图 2 梁式桥参数化建模程序Fig.2 Parametric modeling software for beam bridges具体方法为:首先实现二维轮廓的参数化,即创建箱梁的参数化截面模板;其次定义各项截面参数沿梁长范围内的变化规则,包括顶板厚度、腹板厚度、底板厚度、倒角尺寸等参数;最后沿路径拉伸截面模板,即511第 10 期段盟君,陈海涛,邓运清,等BIM 技术在高速铁路 32 m 简支箱梁
17、钢筋优化设计中的应用可生成参数化箱梁主体模型。参数化箱梁主体模型创建完成后,局部的特性结构需要通过手动创建,包括梁端过人孔、预应力锚穴、泄水孔、吊点孔、通风孔、吊点混凝土块等细部结构,通过布尔运算求差集的方法将上述结构从箱梁主体上扣除,即可得到符合设计精度的箱梁模型,如图 3、图4 所示。图 3 简支箱梁参数化主体模型Fig.3 Parameterized model of simply-supported box beam图 4 简支箱梁模型细部构造Fig.4 Detail of simply-supported box beam model2.2 梁体钢筋建模梁体钢筋是本次优化设计的重点,
18、箱梁的普通钢筋种类多、数量多、布置复杂,为保证钢筋位置的准确,需理解每种梁体钢筋的大样构造和布置原则,严格按照设计图纸中给定的钢筋编号、大样、直径、尺寸、间距及位置等信息进行钢筋建模。首先,针对每种钢筋大样建立骨架线(轴线),根据大样图的标注尺寸,在设计位置创建每种钢筋实际的三维大样,相当于在三维空间下绘制梁体钢筋图;其次,以骨架线为路径,以钢筋断面为截面,生成对应的钢筋大样模型;最后,将不同的钢筋大样设置在不同的图层,方便在后期钢筋数量众多的情况下,进行碰撞检查和优化修改。注意重点区分钢筋大样图中标准弯勾和非标准弯勾分别对应的“边到边”和“中到中”的标注原则,保证钢筋建模的准确性。除受力钢筋
19、外,还需对构造钢筋进行建模,如竖向联系筋、开孔处加强钢筋和螺旋筋等。开孔处的纵向、横向钢筋进行打断处理,与实际情况保持一致,如图5 所示。2.3 预应力体系建模预应力体系结构包括预应力钢束、管道、定位网钢筋、锚垫板、螺旋筋、封锚块等结构。图 5 简支箱梁钢筋模型细部构造Fig.5Detail of simply-supported box beam steel reinforce-ments model(1)预应力钢束与管道建模根据预应力钢束布置图,求出每根钢束控制点的三维坐标,导入坐标数据,生成三维样条曲线,即为钢束的中心线。以钢束中心线为路径,以管道外径为直径,进行轮廓拉伸,得到预应力管道
20、的三维模型。(2)预应力钢束定位网钢筋建模根据预应力钢束管道中心坐标表的坐标参数,以及定位网钢筋布置示意图中的位置和间距,进行定位网钢筋建模,保证预应力钢束的中心坐标位于定位网格的中心位置。(3)锚垫板、螺旋筋、封锚块建模根据预应力钢束的直径确定锚垫板和螺旋筋的型号,具体构造和尺寸参照铁道科学研究院发布的铁路工程预应力夹片式锚具配套用锚垫板图铁路工程预应力夹片式锚具配套用螺旋筋图。由于预应力钢束既有竖弯也有平弯,为保证锚垫板和螺旋筋的轴线与钢束中心线重合,在完成配套设施建模后,需要竖向和横向旋转角度,才能达到设计位置。封锚块的建模参考设计图纸,同样需要考虑双向转角。预应力体系结构模型如图 6
21、所示。图 6 简支箱梁预应力体系模型细部构造Fig.6 Detail of simply-supported box beam prestressed structure model2.4 多种预埋件建模箱梁内部结构包含多种预埋构件,如防落梁预埋件和支座预埋件。预埋构件模型如图 7 所示。611铁 道 标 准 设 计第 67 卷防落梁预埋件结构包括预埋钢板、套筒、锚固钢筋等,建模时应确保预埋件的尺寸和预埋位置符合设计要求。支座预埋件结构包括预埋钢板、套筒、锚固钢筋、支座钢筋网等,其中套筒构造相对复杂,需要分段建模,锚固钢筋的位置和锚固方向可适当调整。图 7 简支箱梁预埋件模型Fig.7 Emb
22、edded components model of simply-supported box beam3 钢筋优化与指导施工常规设计流程中,普通钢筋、预应力体系、多种预埋件等内部结构多为独立设计,相互关联性不强,容易造成位置上的冲突。尤其在梁端处和梁截面变化段,钢筋的间距小且直径粗,容易造成钢筋交叉和局部位置重叠。为避免此类现象发生,在精细化箱梁 BIM 模型的基础上,进行钢筋碰撞检查和深化设计,并指导现场钢筋绑扎与施工。3.1 钢筋碰撞检查钢筋的碰撞检查基于 OpenRail Designer 软件的冲突检测功能(clash detection)。预先定义结构组,可进行同组元素或不同组元素之
23、间的冲突检测。通过输入“接触公差”,可以控制在冲突检测过程中,两个元素相交的容许值,即当两个元素相交部分的大小超过指定的临近值时才会认为发生碰撞,分别如图 8、图 9 所示。图 8 冲突检测操作界面Fig.8 UI of clash detection图 9 冲突检测结果界面Fig.9 UI of clash detection results进行钢筋碰撞检查时,重点关注钢筋主体在设计位置与其他钢筋主体是否有冲突,对于钢筋锚固弯勾处产生的冲突,可以适当忽略,如图 10 所示。图 10 钢筋冲突检测示意Fig.10 Diagram of reinforcement clash detection
24、3.2 钢筋优化设计根据冲突检测结果可将碰撞分成三大类:钢筋与预应力管道间的碰撞、钢筋与梁端预埋件间的碰撞、钢筋之间的碰撞。第一类碰撞主要是腹板和底板内的直线形钢筋与预应力管道间的碰撞,主要发生在梁截面变化段。由于预应力管道直径较粗,存在平弯和纵弯,梁截面变化段的钢筋布置紧凑,且钢筋位置随截面变化,易产生碰撞,如图 11 所示。此类碰撞可通过适当减少冲突钢筋根数和局部调整冲突钢筋大样来避免。图 11 预应力管道与钢筋碰撞Fig.11 Clash between prestressed pipe and steel rein-forcements711第 10 期段盟君,陈海涛,邓运清,等BIM
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