我国西部山区和东部沿海地区的高速铁路建设逐年增多，而跨越河流、沟谷的高墩以及软基沉陷地区的深基础桥梁占比较大，墩台基础较高。当桥梁跨度大于32m时，多采用现浇桥梁（包括简支梁、连续梁、连续刚构等），其经济性下降，且质量控制难度较大。为此，我国多个单位合作成功研制了40m预制简支箱梁。
2018年底中国高铁运营里程超过2.9万公里，占全球高铁运营里程的三分之二以上，超过其他国家总和。为保证列车运行的安全与舒适、节约土地和保护线路周边环境，在跨越河谷及平原高架区段，高速铁路主要以桥梁跨越的形式通过。目前我国高速铁路桥梁长度占线路总长的50%以上，主要为标准跨度预应力混凝土简支梁桥。
高铁40m简支梁在规划伊始便提出了设计-建造-运维全生命周期的应用设想，确定了基于技术的智能设计、制运架一体化和智能运维的实施内容。
本文介绍BIM技术在40m简支梁设计中的研究和应用工作，涉及结构分解、精细化BIM模型构建和BIM设计交底系统研发3个方面，以期为全生命周期BIM模型使用和信息流转奠定基础。
面向装配化的模型结构分解
高速铁路40m简支梁具有跨度大、技术含量高等特点，反映到BIM模型上则表现出模型体量大、构成单元多、层级结构复杂的特性，因此制定一套完整、的模型结构至关重要。借鉴制造业产品生产管理方式，采用基于BOM(Bill of Material)的模式对40m简支梁进行模型结构分解，一方面依据设计固有表达方式，体现详细的构造细节，准确反映设计意图; 另一方面考虑简支梁制造、运输、架设乃至运营一体化管理和模型精细度的对应要求，实现设计、制造环节数据传递和信息集成的渠道贯通，并为后期运营提供数据信息接口，统筹全生命周期的应用需求。
为此，将40m简支梁视为装配化的综合平台，实现不同构件层级的装配化: 充分考虑简支梁制造需求，提供如预应力自动张拉、管道智能压浆等施工数据匹配的对象实体，将简支梁主体结构合理拆分，形成面向装配化的主梁结构; 考虑铁路不同结构形式的常用跨度简支梁应用模式，搭载附属设施( 包括线路结构) 产品库，对简支梁主体结构与附属设施进行一体化BIM设计，实现两者的标准化设计和模块化的灵活组装。
模型结构分解的具体原则如下:
涵盖40m简支梁综合平台的所有组成单元，并赋予唯一编码标识;
清晰地划分层级结构和逻辑关系，为不同业务子系统数据共享、集成和追溯提供实体;
作为制造阶段计划编制、物料领用、成本核算等过程管控对象的最小划分粒度，为精细化管理提供条件。
按照上述原则，将40m简支梁分为主梁、支座和附属设施三大类。根据具体工程项目采用不同的通用图灵活组合装配，输出40m简支梁不同结构形式的整体BIM设计模型。
40m简支梁主梁信息模型结构分解
属性信息的定义和赋加是设计阶段BIM应用的重要环节，直接关系到后续信息流转和应用效率。基于确定的模型结构划分，梳理简支梁构成单元的设计信息，如下表所示。
40m简支梁典型构成单元设计信息示例
表中将设计信息划分为基本信息、技术参数和工程数量3类，通过BOM表内的唯一ID标识，采用二次开发插件批量赋予对象实体，实现结构树-模型-数据的互关联。进一步研究不同构成单元基本信息与工程数量的逻辑关系，可实现设计工程量的自动统计。
IFD编码是构成单元的基本信息之一，在分类、统计中发挥重要作用。桥梁构件模型结构分解一般基于《铁路工程信息模型分类和编码标准》( 1. 0 版) 中的53表，按照功能特征对构件进行分类，但对单独的箱梁梁体不完全适用。考虑到梁体结构由多种铁路工程产品构成，结合53表及扩展补充58表的分类，编制完成每一类构成单元的编码。
BIM 模型构建
受BIM技术成熟度和管理交付模式所限，BIM正向设计还处于探索阶段，目前仍以翻模为主。40m简支梁BIM模型构建也是采取此种模式。本文基于CATIA进行建模，涉及模型精度和衍生的产品库，具体要求为: 按照LOD3. 5模型精度对混凝土梁体、普通钢筋、预应力筋、轻质桥面、近轨矮屏障、无砟轨道等构成单元进行精细化建模，建模过程中开展信息集成、碰撞检查、方案优化、工程量统计等辅助设计工作; 立足装配化思想，对标准化产品开展参数化建模，逐渐积累铁路简支梁的配套产品库。
基于BIM 的设计优化
通过图纸审核和模型碰撞实现基于BIM的设计优化。首先根据设计图纸进行BIM建模，基本原则是保持与二维设计图纸的一致性，建模过程完成图纸的校核; 然后通过BIM技术进行碰撞检测，输出分析报告，反馈至设计人员，由其确定修改方案，进而更新BIM模型，优化二维设计图纸。重复上述过程，直至二维设计图纸差错漏碰问题基本解决，误差在允许范围内; 最后进行设计钢筋大样图输出及分类工程量统计，形成交付成果。
基于BIM的40m简支梁辅助优化设计流程
基于BIM的设计优化包括以下工作重点:
图纸审核
模型创建过程中对图纸的数量、标注、空间关系等内容进行校核，实质是二维设计成果的过程审查。
碰撞检查
在二维设计图纸中，预应力筋与梁体配筋是分开布置的，对于空间出现的碰撞问题无法避免，只能通过施工人员自行调整，这不仅给施工过程带来困扰，也给设计质量带来一定的不确定性。
为了避免施工过程中的无序修改，借助BIM技术进行几何体的碰撞检查，可深度分析基于二维设计成果中钢筋、预应力筋与其他零件的空间关系。直观反馈其中的不合理之处，实现问题前置化，进而提前调整相应单元的空间布置，减少变更及现场返工。
碰撞检查内容主要包括普通钢筋与预应力筋管道的碰撞、普通钢筋与梁体的碰撞、预埋件与预应力筋管道的碰撞。
普通钢筋与预应力筋管道的碰撞
信息精准输出
40m简支梁BIM模型承载了混凝土数量、预应力筋长度、管道压浆体积等详细工程信息，可精准分类、输出工程量信息，辅助二维设计成果的完善。以钢筋为例，结合规范规定的弯钩长度要求对带肋钢筋进行准确放样，自动输出二维钢筋大样图，可直接指导现场应用。
钢筋大样输出图( 单位: mm)
参数化建模及产品库
参数化是BIM技术的显著特点之一，考虑40m简支梁具有不同的结构类型以及配套的附属设施，可通过控制多类型参数调整模型中数据关系，实现模型属性信息对应改变，提高建模效率。
梁体及钢筋
将梁体各项指标( 包括长、宽、高等各种几何尺寸，共计53个) 设置为参数，通过BIM建模软件以.xls导出各项指标，基于.xls 格式改变参数输入量值，基于参数驱动实现不同跨度梁体模型的快速调整。
根据钢筋弯折角度( 135°，90°) 绘制模板，将几何信息( 如长度、直径等) 进行参数化设置，实现模型批量实例化。针对长度随梁体造型变化的部分钢筋，根据其渐变规律在CATIA中自动弯折点后进行钢筋实例化。
铁路标准产品库
铁路简支梁设计中应用了多种产品，如锚垫板、锚具、支座、防落梁装置等，这些产品标准化程度高、重复使用率高。因此，可根据标准产品的几何尺寸、属性信息，搭建简支梁常用配套标准产品库，方便在不同类型简支梁设计中调用，从而提高设计效率，实现标准产品的累积和继承。
通过获取并存储相关产品的设计参数，建立铁路常用跨度简支梁所配套的产品模型，借助目录编辑器模块逐渐形成标准产品库。
标准产品库的建立流程
BIM设计交底系统研究
BIM技术不仅在设计优化中发挥了重要价值，而且为设计交底提供了丰富的展现方式。考虑简支梁设计交底内容形式的通用性，泛化了设计交底系统定位: 不局限于40m梁，而是立足不同铁路等级( 高速铁路、城际铁路、客货共线铁路以及重载铁路) 、结构形式、设计时速、跨度、线路类型形成的标准简支梁和常用跨度连续梁，支持不同BIM设计软件的三维模型导入、多方式的设计交底与信息传递。目的是实现铁路常用跨度混凝土梁模型可视化，设计信息综合展示和一致性传递，拓展设计方与建设、施工及监理方的交流手段，提升设计单位的服务水平。
基于40m简支梁全生命周期BIM技术应用规划及模型成果，确定了BIM设计交底系统架构，包括展示层、应用层和数据层。
系统架构
为丰富设计交底内容和形式，设计了梁体模型、附属设施模型、图纸查看、三维设计交底、资料管理、模型装配、模型上传等功能模块。
简支梁BIM模型包含单元种类多，关系错综复杂，通过整体BIM模型很难查看特定元素之间的相互关系。为此，对梁体模型和附属设施模型模块的展示内容进行开放式设计，通过灵活定义不同单元的组装，实现简支梁不同装配单元的对应、查看和对比，满足不同人员对设计模型的使用需求。
以梁体模型装配为例，通过模型上传完成梁体混凝土、普通钢筋、预埋钢筋、加强钢筋、预应力钢筋、锚垫板、支座预埋钢板等单元轻量化格式的分类存储，根据不同需求形成了桥面布置、翼缘板构造、接触网加强构造、综合接地、电缆上桥等多个固定组合单元。还可以选择不同装配模型结构树中的子类，实现具体元素组合，其组合内容包括空间相对关系及参数信息。
系统架构
构建面向全生命周期的40m简支梁设计BIM模型时，通过图纸审核和碰撞检查辅助二维设计图纸优化，对梁体、普通钢筋进行了参数化建模，实现钢筋大样图输出，构建了锚垫板、支座等简支梁标准产品库。
秉承装配化管理理念，开展了BIM设计交底系统原型设计及研发，通过对不同装配单元的自由组合，实现模型的灵活查看及相对空间位置的准确展示，丰富了设计交底表达方式。
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