数字化造桥：钢桥设计从三维参数化到BIM — 中铁建大桥院的实践（2）
达索系统
作者：李彬1、曾敏1、傅萌萌1、刘宗伟2
作者单位：
1中铁建大桥院，武汉 430063
2武汉理康科技公司 武汉
摘要:
本文以钢桥设计为例介绍了中铁建大桥院在BIM实施过程中的一些经验，提出采用三维参数化技术提升设计质量和效率是推动BIM技术在设计院落地的关键因素。同时由于现有BIM软件还不能完全满足桥梁设计的要求、数据还不能在软件间无损传递、设计交付以二维图为主等现状，提出综合运用规范化建模、用户定制、二次开发等多种手段来保证BIM的顺利实施。
当前BIM（建筑信息模型）技术在桥梁设计中应用方兴未艾，但由于该技术兴起于建筑领域，应用中也碰到了一些挑战，如直接应用现有的BIM软件进行桥梁三维建模的效率不高、生成的二维图还需要大量的人工处理、BIM软件间的数据接口还没有完全打通造成信息丢失等，这就使得桥梁BIM应用面临这样一个局面：对设计院来说，BIM应用增加了设计投入，延长了设计周期；对施工企业和业主来说，设计院提交的BIM成果不能完全满足施工及后期运维的要求。甚至在有些情况下，BIM实施所引发的挑战与它带来的益处一样多，在一定程度上影响了工程师们应用BIM技术的积极性。
2005年中铁建大桥院针对钢桥设计提出了采用现代CAD技术取代传统的二维设计的设想，经过十年的努力，走过了一条从三维参数化到BIM的探索之路。在实施过程中，我们始终着眼于采用三维设计来保证设计质量和提高设计效率，积累了一些宝贵的经验，希望对桥梁BIM技术的推广有所借鉴。
一、采用三维参数化技术的必要性
在大跨度桥梁中，钢桥具有绝对优势，但钢桥结构复杂、设计工作量大。传统上钢桥设计采用AutoCAD等二维CAD软件出图，由于设计信息分散保存在大量视图及图纸中，容易产生“差、错、碰、漏”现象，同时由二维点、线、圆弧、标注等图元描述的三维实体不能由计算机自动判释，使得实施产品数据管理和协同设计遇到很大障碍。
二、在三维参数化平台上的二次开发
用于钢结构三维参数化设计平台发展比较快，主要可分为两类：用于机械行业的主要有Catia、UG、Solidworks、Inventor等，可用于机械、模具、钣金、管道、小型全焊结构的设计，大部分产品附加了机械行业的标准件库，用于建筑行业的主要产品有Bently公司的ProStructure、达索系统的3D Experience、芬兰Tekla公司的Tekla Structure、英国AceCAD公司的StruCAD等，主要用于高层建筑、体育场馆、工业厂房的设计，一般都提供了比较丰富的型材和节点库。
上述软件都提供了三维模型创建、生成二维详图和零件表的功能。一般来说，用于机械行业的钢结构设计软件通用性更强，亦可用于AEC（Architecture, Engineering, and Construction）设计，比如北京奥运会主场馆鸟巢的设计者就首次在建筑工程中应用基于Catia空间模型的三维设计方法，成功地解决了复杂空间结构、扭曲构件与特殊节点建模问题。
本期内容接上期（2016年11月23日发表于达索系统微信订阅号）
三、从三维模型到二维图
现阶段国内桥梁设计均需交付二维图纸，这种传统意义上二维工程图实际上是工程师通过空间想象将脑海中的三维模型投影、剖切到二维平面上的产物，相应得到的二维图纸表现能力及校核纠错功能相比实际三维模型大打折扣。
与之相反，由三维模型直接生成的图纸则表现形式更为丰富，三维布置图、预拼装图能精准无误的表示各细部结构的空间位置，二维剖面图及大样图是由三维模型经过计算机程序自动投影、剖切得到，比由人脑加工转换得到的二维图纸更加高效、精准，也更便于其他人员再次复核。因此，不仅在空间构造表现方面，三维图纸有其绝对优势，而且在剖切示意及大样展示及工程数量统计方面，由自动生成的二维图纸更能保证精确度。
三维模型关联工程图纸的方式，在改善了出图效能的同时也将工程师的工作重心真正意义地转移到了设计上面，而不是常规的先有图纸后有模型，能有效保证BIM三维模型的精确性，并能提高设计院应用BIM 的积极性。到目前为止，中铁建大桥院已有多座大型复杂钢结构桥梁采用了直接由三维建模生成施工图。如图4中三维建模生成的二维节点图，图5中三维建模生成的二维钢桥面板装配图。
图4三维建模生成的二维节点图
图5三维建模生成的二维钢桥面板装配图
生成二维图纸时，会遇到一些影响设计进度的问题：比如钢桥模型较大或模型中大量的螺栓孔对模型性能的影响、焊缝建模、二维出图过程中消隐线处理等等，需要一个一个去克服。
经验表明，如果在三维建模时就考虑到生成二维图的需要，会大大减少后期工作量。这就需要针对特点结构类型事先对建模方式进行规划，也就是规范化建模。实际上，规范化建模也可以提高模型的可重用性和参数驱动的性能。
同时，虽然现有的软件都支持三维模型和二维模型联动，但设计中应以三维模型作为主要的设计对象，在三维模型稳定后再生成二维图，以减少反复调整尺寸线、视图、剖面位置等带来的工作量。
四、迈向BIM
在三维参数化技术方面的积累为中铁建大桥院迈入BIM时代提供了良好的基础。三维参数化建模是BIM系统的核心功能，也是其区别于传统CAD系统的主要特征。在桥梁全生命周期和各专业横向的数据交换过程中，三维参数化模型起到了信息载体的作用，同时Solidworks、Inventor等BIM工具软件生成的三维参数化模型可采用IFC（IndustryFoundation Classes）、STEP（产品数据交换标准）等格式进入BIM平台软件，为协同设计打下了良好的基础。
在BIM环境的搭建过程中，BIM服务器负责模型的存储与管理，涉及到BIM模型的互操作性和可重用性，在BIM环境中处于核心地位。《BIM Handbook》一书将BIM服务器分为两类：第一类是基于文件的服务器如Autodesk Collaborative Project Management、Bentley ProjectWise Integration Server；第二类是基于对象的服务器，如Dassault Enovia，从技术发展层面看，采用基于对象的BIM服务器是一个大的趋势。同时在使用过程中我们也发现，Solidworks软件虽然使用方便、建模效率高、对二维出图支持好，但在管理大模型（如全桥模型）时性能下降明显。
基于以上考虑，我们引进了CATIAV6平台，与原有的Solidworks软件一起形成一个高低搭配的BIM环境。在这个环境中，Solidworks作为BIM创作工具对钢桥节点、杆件、锚箱等次级装配进行建模，CATIA V6平台负责全桥模型组装、融合其它专业数据、设计协同、生成供发布用的轻量级模型等工作。这里首先需要解决的问题是如何将现有Solidworks钢桥三维模型导入到CATIAV6平台，由于现有BIM软件特别是不同厂商的软件间还不能做到无缝数据交换，存在不同程度的信息丢失，比如Solidworks中的自定义属性信息就不能传递到CATIA V6平台中，为此我们专门在CATIA V6平台上开发一个专用软件工具，用于将Solidworks 2015模型及自定义属性字段导入达索CATIA V6 2015X系统，从而使得用户在V6系统中可以读取Solidworks模型中的所有几何信息和属性信息。图6 所示为Solidworks装配模型，图7为Solidworks模型导入到CATIA V6平台后的效果，对比看出，两种软件平台的模型传递未造成几何、装配等信息的丢失。
图6 Solidworks装配模型
图7Solidworks模型导入到CATIA V6平台后的效果
由于CATIA V6对中文属性名的支持存在一些问题，转换时需要对属性名称进行修改，下表部分属性映射关系：
实际上，在实施BIM的过程中，类似的细节问题会大量存在，相信随着技术人员熟练程度的提高、BIM软件的不断升级和BIM应用的深化二次开发等，BIM技术对桥梁设计的巨大推动作用将会逐渐显现。
结论
1、目前与BIM相关的标准正在形成与完善阶段，相关人才培训、技术政策、软件研发还不能完全满足BIM实施的要求，因此在桥梁设计中全面采用BIM技术会遇到相当大的困难。中铁建大桥院在实践过程中牢牢把握“以三维设计提升设计质量与效率”这个抓手，扎实推动BIM技术的落地。
2、在BIM实施时，单一软件肯定不能满足桥梁设计的要求，需要对不同厂商的软件进行集成，搭建一个合适的BIM环境，可以通过定制开发等手段基本解决不同软件间的数据交换问题。
3、由于桥梁设计的特殊性，对现有BIM软件进行用户定制和二次开发不可避免。需要针对具体应用场景采用三维参数化模板、直接调用软件API等方式进行开发。
4、由于目前施工图交付还是以二维图为主，由三维模型生成二维施工图往往称为影响BIM落地的关键因素。在三维建模时考虑到二维出图的要求，可以减少后期工作量。