京张高铁是北京至西北地区快速通道和京津冀地区城际铁路网的重要组成部分,既是支撑2022年冬奥会的交通保障线,也是促进京津冀一体化发展的经济服务线。
现阶段铁路行业的BIM应用研究主要以总体协同设计、选线优化、施工监控、运营维护为主, 针对设计的专项研究较少。以桥梁工程为例，传统的设计过程以二维设计为主，从方案比选到设计出图再到施工阶段，中间的交互数据均以图纸为基础。在铁路工程项目中，约90%的铁路桥梁使用预应力混凝土标准简支箱梁(以下简称标准梁)，其具有结构简洁、标准化程度高、易于参数化等特点。基于这些特点，BIM技术与标准梁设计有很好的适应性。
基于现有的BIM平台Revit软件，通过C#语言进行二次开发，结合PPC2019有限元计算软件以及实际设计施工经验，对BIM技术在京张高铁标准梁设计中的运用进行研究探索。
数据输入
结合铁路预应力混凝土简支梁的设计构造特点以及Revit平台强大的族开发功能，将BIM模型的输入数据分解为以下几部分。
简支梁混凝土参数
以京张高铁某特大桥32 m铁路预应力标准简支梁通用图为例。该标准梁在顺桥向有腹板、顶板、底板宽度以及倒角等参数，截面顶板有多个排水坡。因此，可将截面信息整合为30个独立参数并对各截面进行描述；再填入相应的梁体参数(如梁长、梁面坡度信息、变截面长度、支点位置、腹板坡率、通风孔、排水孔信息等)，程序可通过这些参数准确地生成箱梁模型。
跨中处截面参数信息
支点处截面参数信息
依次填写不同截面的参数，程序自动计算出各截面(包括过渡渐变段)的尺寸参数，并将各部分的实际形状参数传给族模型并生成截面形状，再传入整体模型中，生成标准梁模型并放入工作空间。
生成的标准简支箱梁模型
输入参数信息示意
预应力钢束空间参数
在箱梁设计时,预应力筋一般为曲线平弯和曲线竖弯，再加上腹板倾斜的影响，预应力筋的实际形状为复杂的空间曲线。同样，通过Revit强大的族功能，以水平面与腹板斜平面的相交定位空间曲线，再导入平弯要素和竖弯要素，对相交平面产生的曲线形状进行样条拟合，形成三维空间曲线。
3D预应力曲线拟合族
预应力筋竖弯示意
如锚穴参数的填写步骤为：输入相应的参数后，程序通过布尔运算，将锚穴印刻在梁体上，使箱梁的细节与实际情况一致；同时，锚穴的中心点也是预应力筋的起点，空间预应力筋曲线通过族驱动形成的预应力钢束模型放在对应的锚穴位置处。
锚穴示意
BIM模型与有限元计算软件的数据交互
以PPC2019有限元计算软件为研究对象，实现BIM模型到计算软件的数据交互过程。
由PPC2019执行结构计算时，需要几何信息、预应力信息与荷载信息等内容；在建立BIM模型时，箱梁的截面形状、整体结构信息已被完整读取，该部分内容可以直接调用；截面有效宽度、惯性矩、面积矩、预应力形状位置等几何信息可通过已有数据自动计算。而其余的信息(如预应力张拉信息、施工阶段信息、约束信息、荷载信息等)数据则需要额外输入。
所有信息输入完毕后，即可调用软件进行计算。在此基础上，可通过二次开发，将相关信息输入BIM模型，并统一通过封装好的数据格式导入计算软件中，完成计算后，根据计算结果对相关信息进行调整，再导入BIM模型中，实现BIM数据与计算数据的交互与自动化调整。
图纸自动输出
BIM技术的特点包括强大的三维模型展现、工程量自动计算等，Revit平台对三维模型与二维图纸的关联已经进行了很多优化，可以实现基本的出图功能。铁路预应力标准简支箱梁图具有图幅固定，出图内容、图纸结构明确等特点，通过适当的二次开发，可以实现自动出图的功能，并达到施工图精度。
自动出图流程
由此可实现BIM模型的快速出图和有限元计算模型的快速修改。
自动出图-概图、预应力筋布置
自动出图-预应力筋定位网坐标图、锚穴布置
(1)以BIM平台Revit软件为基础，研究了BIM技术在京张高铁预应力标准箱梁中的应用，通过C#语言二次开发，实现了BIM 模型的快速建立、修改以及标准数据结构的交互
(2)实现了从BIM 模型到有限元计算软件的数据交互，方便设计者快速计算并修改模型，将原本基于二维的工作在三维实现，对实现正向设计提供了指导作用
(3)根据软件自身的特点，开发了自动绘制图纸的功能，可以快速自动绘制施工图，计算工程量及统计相关信息，极大节省了修改图纸的时间，提高了设计效率并实现了完整的BIM设计流程。
文章来源：铁路BIM联盟成员单位——中铁工程设计咨询集团有限公司，罗天靖.京张高铁标准梁BIM技术应用研究[J].铁道勘察.
