短线预制拼装技术诞生于法国。1962年,J M Muller设计建造了第一座采用短线拼装施工技术的大桥(Choisy-Le-Roi)[1],此后该方法不断进步成熟,并推广到美洲的桥梁建设项目中。我国最早于1965年由交通部公路规划设计院与江苏省公路部门合作,建成了采用短线法施工工艺的连续钢构试验桥[2],此后陆续建成了一些预应力混凝土梁桥,如集美跨海大桥、南京长江四桥、苏通长江公路大桥等跨江、跨海特大桥,其引桥均采用短线拼装施工工艺[3]。新加坡的YML公司研究开发的几何控制软件包Geom Pro,率先在苏通长江公路大桥中得到应用。王侃等[4]通过对节段预制工艺、施工流程和几何控制点测量等内容的研究,分析得到了实际施工中可行的误差纠正方法,并在理论研究的基础上,开发了控制系统GCSB。李学仕等[5]介绍了节段线形控制的基本原理与数据流,通过软件平台开发和编码,形成了一款输出坐标位置的软件控制系统,并应用于东莞城轨交通R2线2312标桥梁工程。方蕾[6]依托苏通长江公路大桥某标段连续梁桥,采用桥梁结构分析软件ASCB对桥梁的施工过程进行正装模拟,并将现行计算结果用于预制和拼装施工时的线形控制模拟计算。不难看出,现阶段短线预制箱梁桥的施工线形监控大多数都是通过第三方软件计算生成,数据的获取、记录和调整过程是以数据坐标形式输出的,无法通过直观的图形演示达到方便一线工程人员日常作业的目的。
BIM(Building Information Modeling)是“建筑信息模型”的简称。BIM作为一种全新的理念,涉及工程项目从规划、设计、施工到运营维护全生命周期的技术和管理创新,由建筑模型、过程模型和决策模型构成[7]。BIM技术的主要特点表现在以三维信息模型为载体,实现“所见即所得”,从项目设计、施工、运维等整个建设过程直观可视;信息模型中的对象可识别且相互关联;建造过程是利用数字模型不断优化的过程;除了对工程对象进行3D几何信息表达外,还包括4D和5D甚至更多维度属性信息的完整描述,方便做出适宜的管理决策等四个方面[8]。数据信息的创建、传递、存储都离不开软硬件的支持,软硬件的进步也离不开对数据信息的进一步探索[9]。当前,具有国际和行业影响力并应用于中国市场的BIM核心建模软件主要有Autodesk Revit/Inventor,Bentley MicroStation/OpenBridge/Navigator/LumenRT,Nemetschek AchiCAD和3D Experience CATIA四种。应用于民用建筑的建模软件主要是Revit及Bentley旗下的系列产品,国内一些软件公司通过二次开发的方式,正在逐步完善与Revit和Bentley数据信息的交互,其中包括方案设计软件Sketchup,Rhino;结构计算软件PKPM,YJK;机电分析软件博超和鸿业;深化设计软件探索者;造价管理软件鲁班等。近几年,部分设计院联合高校、研究机构及软件开发商,进行符合国内设计习惯的软件开发,并取得了一定的研究成果。
由于以上显著优点和平台优势,BIM在公路和铁路桥梁工程领域的应用发展迅速。张贵忠[10]在沪苏通长江公铁大桥的建设过程中,基于“三端一云”的应用模式,以业主为主导、以各参建单位为核心,搭建了参建各方共享信息的BIM建设管理平台。傅战工等[11]在常态长江大桥主航道桥设计阶段全面采用BIM技术进行正向参数化设计,对多种复杂的桥梁结构采用不同的建模方式,不仅提高了设计效率,还利用BIM模型进行了多次优化。史瑞英等[12]应用Revit平台建立永川长江大桥三维模型,在进行碰撞检查分析后,将BIM模型与施工进度甘特图导入到Navisworks中,直观、精确地模拟了整座桥梁的施工过程。桥梁工程作为一种特殊的建筑,三维信息化的生产模式使得建设方、设计方和施工方都能很快地全面掌握项目信息,从而降低了项目参与方,尤其是非专业认识对项目信息的理解难度,减少了项目变更,提升了不同专业间与不同参与方之间对项目的协同能力[13]。然而,现有客观条件下,施工单位将长期面临二维图表模式与信息化模式共存的工作局面。如何将现有的二维图表转换到信息化建模上,同时又尽可能地保留传统图表模式积累下来的经验和习惯,是现阶段项目施工监控应用BIM必须考虑的问题。因此,针对某一固有桥型和施工工艺进行定向研发,提供保留二维图表模式的优点,又能兼顾信息化建模的工具,成为传统数据坐标监控向三维一体化监控平稳过渡的可行方案。
BIM具备模型几何表达和信息综合的双重角色,可以将桥梁全生命周期内的数据进行整合,形成统一的有机体,实现每个施工工序的数据化显示与查看。据此,本文首先通过基于Bentley旗下桥梁核心软件OpenBridge Modeler进行二次开发的环境配置,结合短线预制箱梁桥施工监控方案的研究并提出BIM模块插件的编制原理,并对编译模块的功能与可视化交互系统流程进行阐述。最后,以香港莲塘-香园围口岸基础建设工程中的不等跨径连续变截面预应力箱梁桥为示例,应用所开发模块开展施工监控,分析并评价BIM模块研发的实际效果。
根据Bentley桥梁工程解决方案的特点,各个模型均以*.Dgn格式为主,运用实景建模技术创建全线地面实景模型和三维地质模型,使用Open-Roads Designer道路设计软件进行桥位选线;同时基于OpenBridge Modeler(简称OBM)进行施工模块插件二次开发,快速创建和布置复杂桥梁结构;最后,利用Bentley Lumen RT对集成的模型进行了道路方案景观方案设计、交通导改方案及整体项目方案的比选和优化(如图1所示)。这一解决方案充分发掘了3D模型的可视化和数据化价值,简化了设计流程,给施工管理平台研发预留了空间,较好地提升了生产效率,减少了项目时间和成本。
图1 Bentley桥梁工程解决方案流程图
不同操作系统(Windows,MacOS或Linux)的计算机均需成功预装官方稳定版本OpenBridge Modeler CONNECT Edition,并匹配安装软件开发工具包(SDK,Software Development Kit)。SDK提供了可扩展产品功能的应用程序编程接口,包括访问文档中对象API、用户选择交互API、文档级别事件API等开发辅助工具,功能十分丰富。
当面向OBM创建自定义代码时,通常会有两种类型的项目可选,对应各自不同的SDK[14]。第一种是托管型SDK,项目开发代码需要采用C#或者托管的C++语言编写;另一种是非托管型SDK,此时项目代码必须使用原生的C++来编写,并且需要通过包含SDK安装中所带头文件及库文件的方式来访问SDK的功能。不管何种类型的项目,开发访问SDK时所需引用的动态链接库(DLL,Dynamic Link Library)都已包含在OBM的安装包内部。
Visual Studio是最流行的Windows平台应用程序的集成开发环境。使用Visual Studio.NET开发应用程序,可用创建解决方案来完成。解决方案是把多个项目组织在一起的项目集合。解决方案允许在开发环境的同一实例上管理多个项目,允许同时处理一组项目的子项,允许统一管理解决方案或项目的其他外部文件。项目是解决方案中的一个容器,用户通过它可以对其组成部分进行编译、调试,以及进行逻辑上的管理。
C#语言是一种现代的、完全面向对象的语言。它简化了C++语言在类、命名空间、方法重载和异常处理等方面的操作,摒弃了C++的复杂性,同时也吸收了Java和Pascal的编程理念和技术,能够完全支持.NET Framework代码库的各种功能,更易使用[8]。一般情况下,开发者通过Visual Studio 2017和.NET Framework 4.6.1(或更高级版本)平台,利用C#语言中丰富的数组表达式、函数、流程控制等数据表达结构,可以高效率地完成基于OBM的开发任务。
项目实际开发需要在建立SDK和Visual Studio的有效连接的基础上,采用正确的定制和编译方法对代码进行调试。
1.3.1 定制项目文件
开发人员既可以使用常规文本编辑器直接打开文件来编辑,也可以采用Visual Studio来编辑。若是使用后者,则应先在Solution Explorer中就项目节点选择Unload Project,之后再次对项目节点设置“Edit Project Name.csproj”,项目文件会被作为XML文件打开。其中,项目代码参考路径ReferencePath应设置为OBM安装的相对路径$(OBM),Release和Debug的输出路径Output Path设为$(OBM)\mdlapps,设置命令表文件的Logical-Name为定制keyin命令层次的Command Table.xml。最后,为确保其他开发者可以直接打开和调试此项目,需要将所有程序集的引用路径都设置成相对于$(OBM)目录的格式。
项目开发通常创建Keyin.cs来定义Command Table.xml中用于mdl映射命令的函数,这些函数将实际调用映射到Project Name.cs的主Addin类中。Command Table.xml文件通过层级命令将主Add-in类编译打包到最终的DLL文件中。
在托管型SDK开发项目中,主Add-in类一般作为模块主类,派生自Bentley.MstnPlatform-NET.AddIn,且需要一个Mdl TaskID将类的继承关系建立起来。主Add-in类内部除构造函数外,需要实现Run函数和Instance函数,其中Run函数必须显式初始化OBM SDK,否则任何后续对SDK的调用都将失败。
以上文件设置及代码架构共同构成了项目开发的基本框架,后续开发任务便是使用托管型SDK或非托管型SDK从激活的*.Dgn文件中读取与应用数据,实现模块目标功能。
1.3.2 构建开发测试
项目开发具体地调试方法分为静态调试和即时调试两种。静态调试相对独立和滞后,需要在关闭OBM软件进程的情况下,将Visual Studio中的代码编译输出路径设置到OBM安装目录下的Mdlapps文件夹。即时调试通过进程Attach的方式将项目代码直接依附到正在运行的OBM上来启动调试。即时调试降低了调试的时间成本,但对开发系统的性能要求较高,可能会出现卡顿或闪退等情况。
以托管型SDK开发项目为例,静态调试构建完成后,$(OBM)\Mdlapps文件夹会新生成Project-Name.dll和Project Name.pdb两个文件。即时调试要求先以正常方式启动OpenBridge Modeler,之后切换到Visual Studio中并选择Debug＞Attach to Process,在可选的进程表对话框中找到Open-Bridge Modeler.exe,集成环境一旦完成对应用程序符号的加载,底部状态栏上显示“准备就绪”后,可以设置断点进行调试[15]。
为保证开发环境配置的便捷性和高效率,本研究采用的技术方案基于OBM托管型SDK结合.NET Framework版本为4.6.2的Visual Studio 2017集成开发环境。
短线匹配法是将连续梁划分为多个短节段,考虑荷载、预拱度、混凝土弹性模量、收缩徐变等因素后,将桥梁结构线形整体坐标转换成预制单元局部坐标系(原点一般设置在固定端模上部的中心),以相邻的前一梁段作为匹配梁段来控制待浇梁段的几何尺寸和线形,确保相邻梁段的拼接精度的预制和拼装工艺。
图2为预制阶段控制点布设图[16],每个预制梁段定位6个控制测点。平面测控点标识为BH和FH,高程测控点标识为BL,FL,BR,FR。测控点埋设于匹配梁段顶板上,高程控制点预埋件采用镀锌十字头螺栓,平面控制点预埋件采用U型圆钢,误差在20 mm以内。浇筑段与匹配段形成两条重要的控制线,即水平控制线和高程控制线,其中水平控制线确定平面线形,它与BH和FH组成的顶面中心线在同一个平面内,而高程控制线决定立面线形和接缝横坡,分别与腹板顶部的BL,FL和BR,FR组成的两条线相接[16]。
图2 预制阶段控制点布设图
2.1.1 预制阶段几何控制
箱型梁段预制施工过程中,短线匹配法一般通过专用线形控制软件将箱梁各梁段控制点的坐标及预拱度以数据库的形式输入,结合所给定的理论值及梁段在匹配段生产时的实测值,经过必要误差修正,精确地计算出成型梁段在匹配位置时应处的空间位置。
2.1.2 拼装阶段几何控制
箱型梁段拼装施工过程中,从理论上讲,只要还原预制时的拼装过程,按部就班地进行梁体的吊装到位、梁端面处理、接缝浇筑、体内体外预应力张拉等施工即可达到预期设计目标。但预制时因为施工、测量以及天气等诸多复杂因素,必然导致一定的误差存在,拼装及合拢温度也可能不尽相同,如果放任误差的累积,可能最终与设计预期相差较大。
针对此情况,处理的思路主要是以节段预制线形为目标,将预制节段的实测坐标转换为整体坐标,而坐标原点设置在一联的第一个拼装桥墩顶部,指导首节段定位安装,并结合拼装现场实际情况对未安装节段几何数据进行修正。
因此,短线预制法施工监控的重点内容落在预制阶段控制点坐标的偏差程度上。
假设预制节段顶面理论上是一个平面,若高程控制点误差发展延伸到整个节段,则箱梁顶面将会成为一个翘曲的双曲面,四个高程控制点很难恰巧处于同一个平面内。因此,几何控制点偏离其理论高程位置,将形成高程误差和接缝面横坡误差。
在忽略新浇筑节段在其浇筑位置发生平面位置偏离的前提下,采用分段阈值逐次纠偏法对短线匹配法的线形进行纠偏,即不在当下新浇筑的箱梁节段的浇筑过程中一次性地将误差调整掉,而是期望在之后的若干个节段的浇筑过程中,逐步地将此前存在的高程偏差分摊掉,达到误差纠正的目的。根据节段施工的经验性误差数据,设定相对高程误差阈值η,计算公式为
式中 η为节段高程控制线控制点的相对高程误差;Zi为节段高程控制线控制点的整体坐标系下理论高程;Z j为节段高程控制线控制点的整体坐标系下实测高程。具体纠偏策略如下:
(1)相对高程误差η≤a%,新浇筑节段一次性纠正上一节段的误差;
(2)相对高程误差a%＜η≤b%,待浇筑两节段平均纠正当前节段的误差;
(3)相对高程误差b%＜η≤c%,待浇筑三节段平均纠正当前节段的误差;
(4)相对高程误差η＞c%,当前浇筑节段相对误差严重超限警告,节段预制或拼装存在重大施工纰漏或失误,为保证程序正常运行,待浇筑四节段平均纠正当前节段的误差。
根据短线预制箱梁桥的线形监控要点和纠偏策略,本研究基于OpenBridge Modeler CONNECT Edition软件托管型SDK和Visual Studio 2017开发环境,采用C#开发语言,进行施工监控BIM模块研发,总体开发流程见图3。
图3 BIM模块总体开发流程
本文采用Bentley.MstnPlatform NET和Bentley.Geometry NET类库作为程序的主要开发工具。其中,图线绘制功能和标注技术采用SDK提供的相关API实现。开发需求主要包括以下6个方面:
一是获得模型的单元设置工具信息创建“DgnElementSet Tool”,在其子类构造初始化时加载Menu窗体,其核心代码如下:
插件窗体加载完成后,需要获取模型信息“Get-ModelInfo”,开发导入控制点坐标数据功能,并设置分段逐次纠偏法的阈值a,b和c。其核心代码如下:
五是针对“Get ActiveDgn Model”和“Get ActiveDgnFile()”实例,对节段控制点绝对误差值进行文本标注,并对不同阈值区间的误差以“圆锥”进行差异显示。其核心代码如下:
基于BIM模块研发的编制原理和代码架构,OpenBridge Modeler二次开发插件需要实现一定的功能。商业化软件GUI操作的普及和发展,要求开发者设计友好的用户交互界面,实现数据的可视化呈现。
BIM系统的优势之一在于可以实现设计、施工和管理养护的4D全寿命周期运营,节段预制拼装过程中的线形高程误差应以图线非表格文字的形式呈现。既省去大量一手表格填写汇总的繁琐劳动,又使施工一线操作管理人员对控制点偏差有直观、清醒的认识。为此,程序插件应具备的误差分析功能:
ⅰ.支持以外部文件形式导入控制点理论坐标数据;
ⅱ.支持绘制设计节段理论高程控制曲线;支持阶段性手动输入控制点实测高程数据;支持绘制预制节段实测高程控制曲线;
ⅲ.提供绘图窗口曲线放大倍数选择功能;提供用户自定义相对高程误差阈值设定功能;以弹窗的形式给出相对高程误差的严重超过阈值警告;
ⅳ.提供必要的高差标注和其他文字标注;自动生成对应控制点高差连线,并以圆锥尺寸、颜色表示绝对偏差大小;
ⅴ.支持对完成线形纠偏节段的数据自动生成报表。
基于BIM的短线预制箱梁桥设计模型,预制和拼装施工过程中的人机交互应该有差别地进行,本研究旨在预制施工阶段进行线形纠偏的可视化交互页面设计。如图4所示,Visual Studio中的BIM模块窗体由顶部的菜单栏控件menStrip、上下文菜单栏context MenuStrip和下部的数据表格DataGrid-View三种控件组成。
图4 可视化交互页面设计
菜单栏控件menStrip将需要开发的模块功能从左到右依次整合成“文件”、“编辑”、“绘图”和“帮助”四个选项卡。其中,“文件”选项卡的下拉菜单列表包括“新建”与“导入”两个用于批量导入*.txt格式测控点监控理论数据;“报表”则是最终呈现的节段纠偏报告;“退出”则供用户安全退出监控模块界面。“编辑”选项卡的下拉菜单列表包括“缩放比例”、“调差”、“图线模式”子窗体和“刷新”按钮,主要用于施工监控数据的误差计算和分配。“绘图”选项卡下分为“理论线形Z”和“纠偏线形Z’”两种绘图方式。“帮助”选项卡则是模块的开发版本说明。
具体地,“缩放比例”子窗体显示图线的绘制放缩比例,一般开发者可以设为0.1,1,5或10倍。“调差”子窗口用于设置相对误差阈值,一节段阈值a%、两节段阈值b%和三节段阈值c%。“图线模式”子窗体供用户选择绘制水平控制线或高程控制线的位置和数量。
从左至右四个数据表格DataGrid View依次记录测控点理论高程Z(x,y,z)、设计立模高程Z′c、施工监测实际高程Z c1、当前测控点绝对误差Error以及调整立模板高程Z c2。当预制阶段的高程测控点FL,BL,FR&BR的实测坐标填入数据表格,用户点击“编辑”选项卡下的“刷新”按钮,施工监控模块自动计算最后一个DataGrid View的Error和后续测控点调整立模高程Zc2。若计算过程中的相对高程误差η超过三节段纠偏阈值c%,插件自动弹出严重超限弹窗。
本模块以香港莲塘-香园围口岸土地平整及基础建设工程第6合同段中的节段梁预制施工项目段为应用案例,介绍具体的预制线形监控纠偏流程以及所研发模块在其中的应用。
该项目主要包括兴建一条双程双线分隔主干路以连接拟建的口岸与沙头角公路交汇处,其中包括3.3 km高架公路、0.6 km里地面道路及0.7 km行车隧道。工程总承包单位为中国路桥(香港)公司/CEC/KADEN联营体,承揽工程任务是莲塘A,B,C,D桥上部结构节段梁预制。项目执行的标准包括香港现行通用规范GS:2006、混凝土试验规范CS1:2010、钢筋混凝土规范CS2:1995、骨料混凝土规范CS3:2013及英国表钢筋加工规范BS8666:2005。
其中,A桥按南北分为A-N1,A-S1,A-N2和A-S2共四联,两主联(A-N1和A-S1)各10跨,两副联(A-S2和A-N2)各4跨,均属于不等跨径连续变截面预应力箱梁桥。A-N1的上部结构的节段预制混凝土箱梁段10跨,共有154个标准块,端头块和墩顶块共11个。
工程采用三维激光扫描数据获得现场点云数据,将获取的三维点云数据导入GIS软件平台中,得到节段预制梁桥场地及其周围环境的三维地形*.dgn格式文件。根据A桥主梁中心线BCL的平面线控制点(直线长度、缓和曲线长度和曲率半径等)的设计要素,在Open Roads Designer软件平台内进行桥位走向线的建模。
将*.dtm地形和*.Dgn路线模型导入Open-Bridge Modeler,选择节段预制拼装桥梁类型,放置布跨线对称生成箱梁段,参数化定义主梁截面尺寸。主梁箱型截面定义完毕后,选择窗口工具栏“实体约束定义”,设置A桥纵向上截面和梁高变化。调用OpenBridge Modeler模板库中的桥墩(台)模板,进行参数化修改匹配生成下部结构,较为复杂的花瓶墩使用MicroStation平台进行自定义设计,默认采用橡胶支座。成桥状态下的护栏等附属设施,可参照常规图纸进行设计。整桥最终参数化、精细化的BIM模型如图5所示。
图5 A桥BIM设计模型
考虑到施工监控模块应用的针对性和代表性,选取A桥中的A-N1主联(如图6所示)作为的主要研究对象,BIM模型细部放大图如图7所示。
图6 A-N1桥BIM设计模型
图7 A-N1桥细部对称梁段模型
4.3.1 施工监控数据
OpenBridge Modeler中所建立的模型本身蕴含丰富的设计信息,包括但不限于按施工计划划分桥梁节段的长度和指定主梁断面上测控点几何坐标的导出,如表1所示,其中预拱度以Co(mm)表示。
表1 A-N1桥节段测控点坐标及预拱度(节选)
4.3.2 模块验证
使用“mdl load”和Command Table.xml文件通过层级命令,在OBM平台载入基于BIM的施工监控的模块,“文件”下拉“导入”了各箱梁节段测控点的理论高程(X c,Y c,Zc)和设计立模高程Z′c。选取“缩放比例”窗口中的曲线放大倍数为“5倍”,可在OBM视图漫游高度默认不变的情况下,将图线放大到适宜高度,点击“绘图”下选项绘制“理论线形Z”。图线放大倍数数值越大,“理论线形Z”绘制高度越高,坐标轴原点与BIM模型直线距离越远。
测控点理论高程导入后,用户将每个预制节段的监控数据补齐“施工监测Z c1”高程处,计算出对应的“相对误差”。以设定的相对高程误差阈值为界限,如“一节段阈值:2%”、“两节段阈值:5%”和“三节段阈值8%”,保存后续节段几何控制点的理论高程,扣除对应节段预拱度可获得“调整立模Z c2”高程,如图8和图9所示。
图8 BIM模块控制点高程纠偏
图9 节段箱梁桥高程线形与纠偏线形
为了进一步表征几何控制点实测与理论高程间的相对误差,模块采用“颜色误差锥体”展示程序插件的纠偏效果。颜色程度越深(绿—黄—红)、圆锥高度越大,节段测控点的绝对误差计算值越高,甚至可能超出最大阈值界限,触发弹窗警告。
如图10所示,高程理论线形与纠偏线形位于图片下方,每个测控点用的理论高程点与实测高程点直线连接,映射成上方的误差圆锥的颜色和高度差异变化。同时,实测高程点附近注释图11中的对应高程误差值。
图10 BIM模块误差标注与圆锥表征
当变换窗口显示视角,可以获取坐标轴的刻度信息以及误差连续的文字标注信息,直观清晰地观察实测节段高程线形与理论线形之间的差距,更方便地在OpenBridge Modeler中查看节段预制所产生的误差,从而指导下一步线形纠偏。
重复上述纠偏步骤,施工模块可以给出箱梁节段预制纠偏的数据报表(如图11所示),供现场施工人员查阅,降低工程项目的施工管理成本和风险。
图11 BIM模块节段纠偏报表
通过短线预制箱梁桥施工监控BIM模块的研发,本研究配置了基于Bentley旗下OpenBridge Modeler软件的BIM二次开发环境,提出了节段箱梁预制线形施工监控BIM模块编制原理,实现了可视化交互的模块功能。通过基于BIM的短线匹配法节段预制实际项目的应用,BIM技术贯穿于设计和施工两个重要工程阶段,促进了短线预制箱梁桥从传统数据坐标线形监控到三维一体化监控的有效发展,提升了行业内企业或单位工程施工的综合实力和竞争能力,更为BIM技术在桥梁领域更广泛而深入地应用提供了宝贵经验。
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BIM module of construction monitoring for short-line-prefabricated box girder bridges
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