沪昆客专北盘江特大桥设计BIM应用

沪昆客专北盘江特大桥设计BIM应用
中铁二院工程集团有限责任公司
一、工程项目简介
沪昆客运专线为“五纵五横”的大通道之一，是西南和中南至华东最重要的铁路大动脉。

北盘江特大桥为全线最大跨度的桥梁工程。

大桥位于贵州省关岭县和晴隆县之间，在光照水电站下游跨越北盘江。

两岸均有贵州省光照水库库区公路从桥下通过，并与沪昆高速公路相通。

北盘江河谷深切，呈“U”字型，桥址处属构造剥蚀中山河谷地貌，两岸岸坡地势陡峻，岸坡自然坡度为37°～62°，局部为陡崖，桥高近300m，场地地震峰值加速度为0.089g，地震动反应谱特征周期为0.65s，场地类别为I类。

大桥主要技术标准如下：
铁路等级：客运专线、双线
轨道类型：有砟轨道
最高设计行车速度：350km/h。

（长昆段250km/h，基础预留进一步提速条件）
设计活载：ZK活载
桥上线路：线间距5m，直线、平坡
使用年限：正常条件下为100年
图1 主桥布置图
桥梁中心里程为D1K881+943.0，桥梁全长：721.25m。

主桥为中心跨度445m上承式钢筋混凝土拱桥，引桥及拱上孔跨布置为：1×32m简支箱梁+2×65m预应力混凝土T构
+8×42m预应力混凝土连续梁+2×65m预应力混凝土T构+2×37m预应力混凝土连续梁。

本桥建成之后为世界最大跨度的钢筋混凝土拱桥。

图2 大桥效果图
全桥主要工程量：主拱C60（C80）混凝土：2.9万方，梁部C55混凝土：1.17万方，拱座C30、C40混凝土：7.1万方，其余墩柱及基础C30、C40混凝土：2.6万方。

全桥混凝土总圬工约：13.77万方；钢筋约为16000t，钢管拱劲性骨架钢材约为5500t，土石方开挖约43万方，边坡防护约24000平方米。

北盘江特大桥主拱采用钢管混凝土劲性骨架法施工，施工过程结构体系转换多，结构复杂、工程规模大、施工步骤特别多、控制难度大、控制因素多。

全桥混凝土圬工总量：13.53万方，施工阶段：211个。

北盘江特大桥于2010年10月开工，预计于2015年5月竣工。

目
前拱座基础及102m高交界墩已经施工完成，正在进行钢管骨架的架拱施工，施工照片见下图。

图3 北盘江特大桥施工照片
二、BIM团队介绍
表1 北盘江特大桥设计BIM应用团队成员
三、 BIM技术应用软件配置
图4 软件实施流程图
1、DS-CATIA：产品设计平台，负责地质、隧道与桥梁BIM模型建立；
最有效的功能：
（1）二维和三维的参数化设计功能；
（2）模板的超级副本、特征模板和文档模板，特征模板的白盒和黑盒功能；
（3）知识功能模块；
（4）高速缓存读取轻量化模型；
（5）复杂实体的精确造型；
最需要改进的功能：
（1）BOM表功能无法对Body级别的对象进行工程量统计；
（2）零件和产品的梁杆单元有限元化；
2、DS-ENOVIA：数据管理平台，负责多专业协调设计及数据管理
最有效的功能：
（1）关联设计管理；
（2）完整变化的设计上下文环境；
（3）数据共享更安全；
（4）系统及时通知；
（5）CATIA应用性能提升。

最需要改进的功能：
（1）大尺寸问题，在VPM环境下，无法管理处于大尺寸标度的模型；只能管理标准标度的模型；
（2）装配参数和装配关系某些时候不方便管理，在VPM环境下仅能以技术包形式管理；
（3）VPM环境下，人员权限配置较为复杂，需要较为深厚的计算机功底；
（4）在VPM环境下，删除操作较为复杂，需要执行较为多的步骤；
（5）在VPM环境下，模版管理较为复杂，需要较多的步骤；
3、DS-DELMIA：仿真应用平台，负责BIM模型的施工四维仿真
最有效的功能：
（1）甘特图、PERT图关联的三维装配（人机）过程仿真；
（2）机械加工工艺规划、验证仿真；
（3）人、机和料的过程化信息查询；
（4）真实机器人的交互设计、仿真和离线编程；
最需要改进的功能：
（1）信息查询机相关报表输出需后期开发定制；
（2）动画效果在一定程度上不能很好的满足后期汇报要求；
4、DS-3DVIA Composer：三维动态演示平台，负责三维模型数据发布及设计成果集成
最有效的功能：
（1）多种CAD模型数据处理：支持大部分三维CAD设计软件模型数据的转换和导入；
（2）精确三维模型交互式浏览：能对显示最大能够达到零件级的三维模型进行实时交互浏览操作，如旋转、缩放等；
（3）轻量化模型数据：通过自身算法，模型文件大小被压缩到很小，普通地质场景的模型仅几十兆；
（4）实时测量：可以在交互浏览的过程中对任意边线点进行测量，获得真实的尺寸数据；
（5）动画：软件内能够实现漫游动画及装配动画的制作和播放；
最需要改进的功能：
（1）对模型精细化显示有一定的性能要求：对大场景显示达到以万计的零件级别的场景会有一定的性能要求；
（2）无物理仿真效果：由于3DVIA Composer主要面向CAD三维模型展示，所以不支持水流等效果引擎；
5、AUTODESK-AutoCAD2012二维设计工具，负责编辑地形及地质剖面模型
最有效的功能：
（1）二维绘图非常方便；
（2）对模型的建模和修改范围没有限制；
（3）图层、标注和线型的管理；
最需要改进的功能：
（1）二维和三维的参数化设计；
（2）模型附加参数比较困难，参数的种类比较少；
6、AUTODESK-Navisworks2012适时漫游平台，负责BIM模型的适时漫游
最有效的功能：
（1）数据整合---兼容设计行业内50种以上文件格式，支持将设计、施工和其他项目数据整合进单一集成的轻量级项目模型；
（2）设计优化---支持模型的碰撞和冲突检测，能够帮助分析空间问题，解决专业间冲突，在施工前预测和避免潜在问题，提升协同和设计质量；
（3）项目可视化校审---通过可视化功能完成渲染，制作照片级别三维动画和图像，完成项目校审；并可创建对象动画，支持项目施工进度模拟和特定工序的流程
规划；
（4）施工模拟和算量统计---能够完成模型对象和施工进度关联，验证施工活动的可行性，优化施工方案；并通过基于模型的快速工程算量统计，完成项目概预算；（5）项目协同---平台提供了各个专业的设计协同平台，标注、视图等功能提高了协同效率；同时模型能够发布云端，在Ipad上浏览，促进多地区、多团队的全
方位协同。

最需要改进的功能：
（1）模型数据格式更加轻量化，提升模型协同效率；
（2）提供针对施工可建造模型的功能，针对施工实际诉求进行更加精细化的施工方案模拟；
（3）算量部分，计价标准本地自定义，或者本土化计价体系嵌入；
（4）提升渲染效率，缩短渲染时间，降低对本地资源的占用；
（5）其他施工管理软件，以及施工现场硬件与Naviswork的集成，能够直接从模型中提取需要施工数据。

7、Skyline:三维GIS平台，负责测绘数据发布
最有效的功能：
（1）海量三维地形的快速索引与浏览技术；
（2）多源数据、多专业设计数据的集成共享、展示技术；
（3）铁路沿线三维模型的快速匹配与生成技术；
（4）基于三维GIS平台和三维地形，可开展多种多样的分析功能，如碰撞检测、剖面提取等；
（5）可将三维GIS平台与海量的空间数据关联，实现一种“所见即所得”的数据管理方式。

最需要改进的功能：
（1）三维GIS平台的可扩展性；
（2）三维GIS平台模型的精度；
（3）三维GIS平台与BIM模型的兼容性。

四、硬件配置
服务器：HP Z800工作站+HP Z420工作站×5+HP EliteBook 8560w工作站×2
五、BIM应用情况
1、BIM在设计中的应用
BIM在设计中的应用主要分为以下几个方面：
1）三维地质信息模型
通过逆向工程建立地形、地质三维信息模型，下图在以爆炸视图的方式表现地质构造。

图5 轻量化的三维地质信息模型
2）模板与知识工程
采用骨架式建模思想，建立全桥模型的骨架，通过模板实例化实现构件在三维空间的定位；利用三维参变功能，实现构件的变形设计；通过知识工程模板的黑盒功能保护设计者的知识产权。

图6 模板与知识工程应用实例图
3）三维模型驱动二维工程图
将指定的三维模型在二维工程图上投影、剖切并添加特定的标注构建出二维工程图模板，再使之与三维模型相关联，从而实现快速生成二维工程图。

构建与三维模型相关联的二维工程图模板，实现快速生成二维工程图。

图7 二维工程图模板
4）工程量统计
采用BOM表功能快速统计节段劲性骨架工程量。

图8 BOM表工程数量统计图
5）碰撞检查
通过碰撞检查功能，可以检测构件的接触和碰撞问题，从而实现结构的数字化预拼装。

图9 节段劲性骨架碰撞检查
6）有限元分析
利用分析模块，实现CAD与CAE的一体化。

此处以交接墩为例，进行了背索的优化分析，计算结果表明根部背索可以优化。

图10 交界墩实体有限元分析
7）设计库管理
通过建立中铁二院桥梁设计库，实现了设计知识的记录、封装和积累，可以有效地保护企业知识产权。

用户可以随时从设计库中选取需要的模板进行实例化，从而极大地提高了设计效率。

图11 设计模板库管理
8）海量数据管理
利用协同设计系统的产品数据管理功能（PDM），可以实现设计模型、二维图纸和各种文档的统一管理。

利用协同设计系统可以将通用零件库、标准件库统一管理调用。

减少计算机资源消耗的方式：高速缓存模式可以后台实现模型轻量化；上下文追加模式快速构建设计环境；实时数据卸载减轻计算机负担。

图12 PDM产品数据管理
9）制造一体化
利用NC加工模块在BIM三维设计模型上添加加工制造信息，可以生成数控加工程序，并直接被数控加工设备识别使用。

图13 制造一体化流程
10）制定数据命名规则
通过北盘江大桥三维设计BIM应用，初步制定了桥梁专业结构树、模板命名和文件命名规则。

图14 桥梁结构树命名规则
表2 文件后缀名表
11）地形图插件
研究了地形等高线加密算法，基于AutoCAD编制了等高线加密插件，针对CATIA开发了接口，实现了AutoCAD与CATIA的数据交换。

图15 不同地形比较
12）轻量化模型展示
利用3DVIA Composer展示了轻量化的桥梁模型。

图16 轻量化模型展示
2、BIM在施工中的应用
BIM在施工中的应用主要分为以下几个方面：
1）龙门吊预拼装杆件
采用DELMIA将吊装顺序与甘特图相关联进行了三维装配过程仿真；
图17 龙门吊预拼装杆件
2）施工工序优化
采用DELMIA劲性适时碰撞检查，发现了施工中不合理的地方，对杆件拼装工序进行了优化。

图18 施工工序优化
3）吊装辅助定位
采用DELMIA模拟了吊装辅助定位及螺栓安装过程，对现场施工人员起到一定指导
作用。

图19 吊装辅助定位
4）焊接模拟
采用DELMIA模拟了杆件的焊接过程，对施工人员起到一定的指导作用。

图20 焊接模拟
5）节段吊装
采用DELMIA模拟了复杂的劲性骨架吊装过程，对施工起到了很好的指导作用。

图21 劲性骨架节段吊装
6）拱圈外包混凝土
采用3DVIA Composer模拟了复杂的劲性骨架外包混凝土过程，对施工起到了很好的指导作用。

图22 拱圈外包混凝土
7）T构挂篮模拟施工
采用3DVIA Composer模拟了T构挂篮施工的过程，对施工起到了一定的指导作
用。

图23 T构挂篮模拟施工
3、BIM在运维中的应用
BIM在设计中的应用主要分为以下几个方面：
1)桥梁工程管理系统
基于物联网架构初步构建了桥梁工程管理系统，该系统以桥梁BIM模型为核心，将远程访问控制、模型管理、信息查询、文档管理、传感器数据传输、施工控制和运营维护集为一体。

图24 桥梁工程管理系统架构
图25 桥梁工程管理系统架构
图26 桥梁工程管理系统界面
2)模型信息查询系统
通过建立轻量化的设计模型和数据信息库，使用信息查询系统可以查看每个模型关联的CAD图纸、设计施工材料、预计工程量等设计数据，方便快捷的获得设计文档及关联
数据。

图27 基于3DVIA Composer的模型信息查询系统
3)移动设备应用
将轻量化的模型发布到服务器上，可通过移动设备远程访问和浏览该模型。

图28 移动设备应用展示
4、采用BIM技术的原因
北盘江特大桥结构复杂、工程规模量大、施工步骤特别多、控制难度大和控制因素多，因此需要采用BIM技术为大桥设计、施工管理、建设管理和运营维护提供有效、直观的信息服务。

六、BIM应用主要效果和效益
1）进行数字化预拼装，提前发现设计中的差错漏碰；
2）通过四维模拟施工，有效的指导了现场施工；
3）有效的将模型和各种文档进行统一管理；
4）通过交接墩背索优化节省了投资。

表3 BIM与传统方式综合效益比较表
七、主要经验教训
1）建模前必须建立好模型编码标准；
2）构建好整个模型的骨架，做好顶层设计；
3）采用三维协同设计，做好任务的分解和发布；
八、BIM应用改进方向
1）跨平台模型信息互通；
2）员工掌握深度有待提高，加强员工培训。

九、下一步计划
1）解决物联网在桥梁中的应用问题；
2）进行渝黔铁路白沙沱长江大桥（世界最大跨度的多线铁路斜拉桥）的三维设计BIM 应用；
3）项目成果在铁路领域内推广应用；
4）制定铁路桥梁BIM标准。