基于BrIM的桥梁建模技术及其应用

                                                                   基于BrIM的桥梁建模技术及其应用
                                                                        
作者： 孙 伟  安学才
BENTLEY软件（北京）有限公司    北京  100025

摘要
信息技术的发展对工程设计工具及设计思想的的变革产生了巨大的影响，数字化设计技术已经成为当今CAD系统的核心技术。目前，以建筑信息模型(BIM)为基础的设计理念，正在引发工程建设行业一次史无前例的变革，相比制造业及建筑业而言，公路行业的CAD技术应用和软件产品的开发一直稍显落后。本文将结合桥梁大师软件的设计思想和技术特征介绍“ BrIM(桥梁信息模型) ”理念在桥梁设计软件开发及其应用过程的价值。

关键词：BrIM=Bridge Information Modeling ,桥梁信息模型；特征设计技术；尺寸驱动；数据互用

1 引言
      近几年，我国的交通建设事业得到了迅速发展，国家加大了项目建设投资规模，并计划陆续投入4万亿巨资拉动内需。当前正处在基础建设的高峰时期，公路方面，根据交通部的规划，到2010年，我国公路总里程要达到210万至230万公里，2020年，全国公路总里程要达到260万至300万公里。
随着工程建设项目增多，公路桥梁设计单位任务也明显繁重，尤其对于我国西部地区的高速公路项目，由于地形、地质条件复杂，在很多路段经常是“以桥代路”，桥梁数量众多，如何在时间紧、任务急的情况下，提高设计效率、保证设计质量，是各设计单位迫切要解决的问题。
      在过去的20多年中，CAD技术的普及推广使设计师、工程师从手工绘图走向电子绘图，甩掉图板，将图纸转变成计算机中2D数据的创建，这是工程设计领域的一次革命。CAD技术的发展和应用使传统的设计方法和生产模式发生了深刻变化。AutoCAD作为平台已经为国内广大工程技术人员所熟练掌握，但对于专业设计人员， CAD只是图形创建平台，而不是设计平台。基于桥梁设计需要，国内一些设计单位及科研机构在早期陆续研发了一系列应用软件，这些软件工具的应用，为我国桥梁设计水平和效率的提高起到了很大的推动作用，但随着计算机软、硬件技术的发展，工程设计指导思想及设计方法的不断变革，传统的辅助设计平台及应用软件所存在的问题也逐渐暴露出来，主要表现在以下几个方面：

1.1对于AutoCAD平台，由点、线及圆等基本元素构成的图形表达了大量的几何信息，但缺少针对对象属性进行描述的工程信 息，因此不具有工程意义。
1.2参数化软件的开发和设计思想只侧重于解决单个构件的出图问题，系统里没有对整座桥梁的完整定义和描述，软件结构模块之间缺乏数据互用性，构件之间缺少关联。
1.3设计过程的智能化程度低，数据输入量大，相关设计数据经常需重复输入。
1.4不利于反复设计和修改，一旦遇到设计变更就需要重新进行图形创建或数据输入。
1.5设计与出图过程脱节，由于系统里没有统一的桥梁数据模型，因此软件的功能可扩充能力也较弱。

由于以上所述的问题的存在，其结果就导致了目前桥梁设计工程师的大部分时间和精力耗费在绘图和改图的工作上，而真正用于方案推敲、优化和改进的时间很少。这种模式不但设计效率低，也难以保证高质量的设计成果，高速公路上常规桥具有数量大，结构形式规范统一，便于批量化设计的特点，因此实现设计的标准化也是需要考虑的一个重要方面。传统的参数化设计工具由于存在技术和设计思想方面的约束，因此难以有效的解决这些问题。

2  特征设计技术与桥梁信息模型（BrIM）
      随着软件技术的发展，计算机处理的已不仅仅是文字或图形，对于一个工程设计对象，仅有几何图形是远远不能对其进行完整描述的，还需要描述它的装配关系、材料特征、功能特征等等，这种解决对工程对象的特征进行描述的技术称为特征设计技术，特征设计技术出现于20世纪90年代，并最早应用于制造业领域，目前已成为主流CAD系统的核心技术，它不仅解决了设计对象的图形问题，还解决了设计对象的实际工程含义的处理问题。
       我们把用数字信息描述的工程对象称之为对象的数字化模型，当以桥梁作为工程对象时，特征设计技术的实质是在系统里创建以实际的构件如盖梁、墩台身、承台、基础等作为设计对象，这些对象是描述桥梁各细部的有参数化信息的“零部件”，用户只需按实际的工程含义来定义这些对象如几何尺寸、材料属性、配置特征，然后通过一定的组合关系将这些部件集成，建立包含全桥工程信息的数字化特征模型，这个模型就是桥梁信息模型。由于模型是由桥梁上部结构、下部结构及附属构件通过特征关系装配起来的，因此一旦该模型创建，即可以通过属性控制调用相关信息输出全桥的工程信息，如特征点标高、坐标及工程数量。
       因此，BrIM，即Bridge Information Modeling 可被定义为以特征设计技术为基础创建的协调的、内部一致的、包含全桥工程信息的数据模型。是用于进行桥梁设计、计算分析、特征点信息输出及图纸生成的基础模型。该模型具备良好的可扩展能力，通过不断的强化，可以发展成不仅用于解决设计过程，也为远期的建造及运营等环节输出必要的工程数据信息。

桥梁信息模型具有以下特点：
1）桥梁模型反映了全桥构造特征，是全桥信息的集成。
2）模型与一般构造是关联的，采用统一的数据类型，便于关联设计。
3）模型是可变更的，以利于反复的设计和修改。

                                                                    图1         基于BrIM的桥梁设计系统结构简图
基于BrIM理念构建的设计系统里，以桥梁模型为核心，设计人员的工作模式将由“基于图形”转变为 “基于模型”。以桥梁方案信息模型为核心，实现反复及变更设计，图纸的生成完全转变为自动输出的过程。信息模型可以大幅度的提高数据互用性， 并降低输入错误的发生几率。通过预定义工程标准模板及配置的方式，也便于解决公路全线上多座桥梁的批量设计，实现标准化的设计过程。

3 基于BrIM的自动化出图系统
3.1自动化出图与参数化出图的区别
       以往的参数化CAD系统仅生成桥梁各构件的图纸，图纸由直线、圆弧、标注等基本的几何图素如构成，图纸生成后计算机无法认知各部分图形的实际工程含义，所以不能再通过实际的工程参数进行再修改，而只能重新输入数据重新生成图纸或者用图形编辑命令修改图纸，效率低下，不便于重复修改和使用。由于不能从图形中导入数据，图纸和图纸之间没有数据关联和传递，所以重复输入的数据繁多，出错率高，并且只能针对构件对逐个桥梁设计，无法实现自动对全线桥梁进行设计。
以BrIM理念为基础，通过自动套用标准图、读取数据资料、工程配置及模板等，建立数字化的桥梁模型，计算机可理解模型各部分的实际工程含义，模型建立后，设计人员仍可直接修改原始的工程设计参数，通过数据修改可自动更新设计模型，在出图阶段自动提取模型中的标高、坐标及工程量数据，系统可根据桥梁特征自动合并同类墩台、定义变量参数，最终可自动生成各构件的图纸。如果出现设计变更，只需要重新导入数据或配置，改变标准图尺寸，刷新模型即可，从而可避免数据的重复输入，大大降低了出错的概率，提高了出图效率，保证了设计和出图质量。

3.2 桥梁大师(BridgeMaster)设计系统
桥梁大师是基于特征设计技术开发的以桥梁信息模型（BrIM）为核心的设计出图软件，是面向桥梁、面向设计、面向工程的软件系统，着重定位于解决高速公路上常规梁式桥梁的设计。在本系统中，桥梁信息模型是全桥的核心，通过改变模型的配置方式即可以实现不同方式的建模，如错墩台桥梁设计、基于模型的曲线桥布梁设计功能的实现、半幅中心及内弦法建模、满足山区桥梁设计的全桥各部横坡控制设置、同幅连接不同桩长、基于横断面地面线的桩顶标高及埋深设置方式等都可以通过桥梁大师完成。

3.3构建桥梁大师系统的几个配置模块介绍
3.3.1.桥梁上下部标准图的定义与应用
由于全线上多数常规桥梁采用的下部结构墩台类型一般仅为有限的几种，因此系统支持用户自定义标准图，标准图包括截面、墩、台实体的所有尺寸信息和装配信息，用户可以通过尺寸驱动及属性修改来完成对标准图的定制。给定标准图的适用范围，便于建模过程中根据桥梁项目的特征进行信息提取。
    标准图应可以在同一个工程的不同桥梁设计过程以及不同的工程项目中可以重复被应用。以往CAD系统只能逐个输入设计数据，不能只能从图形中导入数据，所以数据输入量大，只能逐个设计，不能自动对全线桥梁进行设计。
3.3.2.设计数据接口的实现
目前维地、Card 1 、DI/EICad、 RoadMaster及Bid-Road等已经成为国内主流的公路设计软件，桥梁大师的数据资料管理器可以直接读取路线软件的平、纵、横及超高等总体数据并自动进行数据检索，避免了手工输入数据的过程。直接的数据导入是基于整个工程项目，建立桥梁模型时，系统根据桥梁长度读取指定范围的设计数据。
                                       
                                               图2  与多种路线软件的数据导入接口
3.3.3.工程配置与BM模板
为了装配桥梁模型，实现对桥梁特征的描述，除构成全桥主体的上、下部结构标准图以外，还需进行桥梁信息的配置，如标高控制计算控制位置、系梁的设置原则，多种条件下支座及垫石规格的应用设置等，这些统一在工程配置模块里完成。对于同一工程项目，一般采用相同的信息配置原则，系统支持可在不同的工程项目之间导入工程配置。在本系统中，通过Bm模板存储字体、线性及图层等信息，有利于实现出图风格的统一。
由于采用面向工程的设计思想，因此对于全线上多座同类型桥梁的设计，通过配置、标准图的导入等方式可进行批量化和标准化设计，有助于设计效率的提高，缩短时间，节省设计成本。
3.4 基于BrIM的桥梁设计流程
在工程设计过程中，设计团队的一般工作流程是在项目设计开始之前绘制完成基于全线桥梁设计需要的上下部标准图，定义全线工程标准及出图风格等内容，作为项目组的通用标准，桥梁专业设计人员根据每座桥梁的工程特征采用对应的标准图，组织设计数据资料，完成桥梁的方案及施工图设计。
在桥梁大师系统中，采用与传统设计方式相似的流程，进行数据资料的导入、工程配置的建立、上下部标准图的定制，建立桥梁模型，并对其进行修改达到设计成果最终可满足实际工程需要。以桥梁信息模型为基础，自动完成构造图、坐标图及工程量等信息的输出。
                                                  
                                                           图3  基于BrIM的桥梁设计流程图
4 结语
工程项目信息是设计单位最有价值的资产，计算机及网络技术的发展和普及对设计单位信息化程度和生产效率的提高起到了极大的促进作用。但相比建筑行业及制造业而言，公路设计行业对先进设计技术及生产工具的应用仍停留在较低的水平，工作流也仍然处于电子化出图时代的模式。因此，需要改变的不仅是作业环境，设计思想也需要调整，最大化的利用信息技术，发挥先进设计生产工具的优势，提高设计效率，改善工作流。
当前，国际上一些知名工程软件公司都在发展以信息模型为基础的技术，桥梁大师软件的设计和开发正式基于这样的一种趋势，以BrIM思想为核心，实现了桥梁工程师由以往的以“绘图、改图”为工作重心转变为以“桥梁方案模型的创建”为核心，成为真正的设计者，而不是绘图员，并代表了从“基于图形”到“基于模型”的设计方式转变，是一种领先的设计思想，符合信息化土木工程设计的发展趋势。