CN107545080B - 一种基于bim模型的钢桥虚拟预拼装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于BIM模型的钢桥虚拟预拼装的方法，所述方法包括：步骤1)按照骨架线框、杆件的顺序创建铁路钢桥的BIM模型，并对建立的模型进行调整和优化；步骤2)采用最小二乘拟合方法对拼装的各杆件的位置进行调整，并在拟合过程中加入温度补偿因素，完成整个模型的虚拟拼装。本发明的方采用BIM参数化建模手段替代原预拼装系统中的一次性建模方式；可以通过调节参数调节和优化模型，使建模过程简单易操作；此外在本发明的方法中，在虚拟预拼装过程中添加了温度补偿功能，进一步提高了预拼装系统的拼装精度。

Description

一种基于BIM模型的钢桥虚拟预拼装方法

技术领域

本发明涉及铁路钢桥制造领域，具体涉及一种基于BIM模型的钢桥虚拟预拼装方法。

背景技术

随着计算机信息化技术的发展与多元化网络的实现，当今社会已进入信息化时代，制造业也随着硬件技术的提高，逐步通过信息化手段代替过去的人为管理，而铁路钢桥制造业在数字化管理、信息化过程管控等方面远落后于其他行业。钢桥制造的合理性、先进性主要体现在科学性、自动化、经济性、高效性。通过信息化管理，可减少人工技能差别造成产品质量的不稳定性。因此，铁路钢桥制造技术水平的升级离不开数字化、信息化和智能化理念。

预拼装是将分段制造的大跨度柱、梁、桁架、支撑等钢构件和多层钢框架结构，特别是用高强度螺栓连接的大型钢结构、分块制造和供货的钢壳体结构等，在出厂前进行整体或分段分层临时性组装的作业过程。预拼装是控制质量、保证构件在现场顺利安装的有效措施。就铁路钢桥预拼装而言，其拼装过程往往需要耗费大量的人力物力，效率低下、成本高昂，对制造成本、质量、效率均有严重影响。

传统预拼装往往只考虑无应力状态的拼装状态，即平面拼装，其拼装过程无法考虑侧向应力以及温度造成的杆件形变，且由于钢桥杆件往往过于庞大，预拼装需要运用与现场施工几乎相同的机械设备、足够大的场地、足够的人工和工时，成本很高，占到钢构件制造总成本的10-25％，且考虑到搬运以及操作的难度，很难进行局部调整，只能通过人工的锤击、冲钉矫正等方式进行微调。

与实体预拼装相比，数字模拟预拼装可以极大的节约成本并缩短工期，对于大型复杂工程和施工条件恶劣的工程尤其如此。近年来，随着计算技术的发展和虚拟拼装，在模拟拼装过程中，每个杆件按照栓孔匹配的原则虚拟定位。当所有杆件拼装完成后，再检验结果是否满足拼装要求。如果检验结果不能满足相关指标，则需要对一些构造尺寸如构件拱度、工地连接的间隙、主梁间距等进行综合调整。反复的调整直到所有指标均满足要求。最终由计算机给出的杆件组装信息，如成桥线形、栓孔错位的信息等。

现阶段的虚拟拼装方式，是依据实际杆件的孔位空间坐标，与设计模型中的设计坐标进行对比分析，从而确定误差。这样的过程能基本满足钢桥预拼装的模拟，然而此过程依然存在着如下问题：

(1)拼装过程中的拱度控制只能取决于设计模型中的拱度值，但设计模型的创建过程复杂，当模拟拼装过程发生误差值较大等问题时，只能通过反复创建模型来修改，操作繁琐，浪费了较多的时间与精力，如何简便地对整体设计模型进行调整并对实测点信息进行局部坐标转换，是现阶段铁路钢桥虚拟预拼装中的一个重要问题。

(2)现阶段虚拟拼装只可对测量温度为20±2℃内的测量结果进行正常使用，但是温度总是在一个范围内变动的，根据钢结构材质的热膨胀系数为0.0000121mm/℃，温度变化超过10℃以上时，温度产生的误差将会超过每米0.12mm，这个误差值在拼装过程中是很难接受的，如果不考虑温度影响，测量结果的误差会被严重放大，对在不同情况下对温度引起的测量误差进行补偿是现阶段钢桥虚拟预拼装中一个重要的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服目前钢桥虚拟拼装方法存在的上述缺陷，基于BIM技术，提出了一种基于BIM模型的钢桥虚拟预拼装方法，通过该方法，在虚拟预拼装过程中，无需对设计模型进行反复建模，而是通过BIM的参数化建模方式完全模拟杆件的最佳拼装状态，并可通过调整参数完成杆件拼装状态的调整。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于BIM模型的钢桥虚拟预拼装方法，所述方法：

步骤1)按照骨架线框、杆件的顺序创建铁路钢桥的BIM模型，并对建立的模型进行调整和优化；

步骤2)采用最小二乘拟合方法对拼装的各杆件的位置进行调整，并在拟合过程中加入温度补偿因素，完成整个模型的虚拟拼装。

上述技术方案中，所述步骤1)具体包括：

步骤1-1)创建构造平面，在构造平面中，将预拱度、杆件长度和角度这些几何约束参数加入拼装杆件的中心线，对铁路钢桥的骨架线框进行建模；

步骤1-2)按照模型的划分层次，以单根骨线为参照，对铁路钢桥的各杆件进行建模；

步骤1-3)调整骨线模型的约束参数，利用杆件模型与骨线模型之间的约束关系，对建立的模型进行调整和优化。

上述技术方案中，所述步骤1-1)具体包括：

步骤1-1-1)创建骨线文件；

步骤1-1-2)在骨线文件中，在零件设计模块中，根据基础坐标平面与设计需求，创建杆件拼装的构造平面；

步骤1-1-3)在对应的构造平面中，根据设计需求绘制所需拼装杆件的中心线，并添加参数化约束，将预拱度、杆件长度和角度的几何约束以参数形式录入；

步骤1-1-4)选中所有杆件中心线并输出；

步骤1-1-5)将输出后的所有杆件中心线重命名；

步骤1-1-6)选择全部输出后的杆件中心线并发布；

步骤1-1-7)骨线文件创建完毕。

上述技术方案中，所述步骤1-2)具体包括：

步骤1-2-1)选择装配设计模块并创建装配文件；

步骤1-2-2)在装配文件下加载骨线文件；

步骤1-2-3)在装配文件下创建新的零件文件，将骨线以链接形式复制到新的零件文件中；

步骤1-2-4)根据发布好的骨线进行基准几何元素的创建，参数化功能会自动保持其于骨线之间的约束关系；

步骤1-2-5)以创建好的基准几何元素为基础，绘制截面草图与螺栓孔位草图，并分别输出每个杆件的轮廓；

步骤1-2-6)将每个杆件的单元分别创建于单一几何体中，采用凸台命令完成拉伸，并通过凹槽命令进行螺栓孔的修建，完成模型后进行保存。

上述技术方案中，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)将杆件设计模型与实测点信息的组合统称为杆件信息组合，在钢桥拼装过程中，以螺栓孔中心为拼装位置的关键控制因素，利用最小二乘法对杆件信息组合进行误差分析，分析出杆件中所有实际孔位与设计孔位之间的误差，通过误差的分析完成各杆件拼装位置的调整；

步骤2-2)在虚拟拼装过程中进行温度补偿；

步骤2-3)将所有杆件模型统一到一个整体坐标系中，将实测点在整体坐标系中直接与最佳位置进行拟合，并判断与最佳位置的误差，从而对整体模型的位置进行调整，直至误差满足要求。

上述技术方案中，所述步骤2-2)的具体实现过程为：

温度膨胀公式为：

ΔL＝ΔT×C×L

其中：C＝12.1*10^-6mm/℃，L为标准温度下杆件的长度，ΔT为与标准温度的偏差，ΔL为杆件的温度膨胀值；

在对各杆件进行测量的过程中，记录测量温度ΔT，代入温度膨胀公式计算出杆件温度膨胀值，以杆件中心线为方向、中心线中点为起点，所有实测点等比向两侧移动0.5倍的杆件温度膨胀值，在杆件实测点与设计模型拟合中进行温度补偿。

本发明的优势在于：

1、本发明的方采用BIM参数化建模手段替代原预拼装系统中的一次性建模方式；可以通过调节参数调节和优化模型，使建模过程简单易操作；

2、在本发明的方法中，在虚拟预拼装过程中添加了温度补偿功能，进一步提高了预拼装系统的拼装精度。

附图说明

图1为本发明的基于BIM模型的钢桥虚拟预拼装方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细的说明。

如图1所示，一种基于BIM模型的钢桥虚拟预拼装方法，所述方法包括：

步骤1)创建铁路钢桥的BIM模型；

在铁路钢桥BIM模型的创建中，使用的CATIA版本为CATIA P3V5-62012进行BIM模型创建。BIM模型创建可采用以下流程：

步骤1-1)对铁路钢桥的骨架线框进行建模；

骨架线框(以下简称骨线)是Catia软件建模过程中至关重要的参照元素，骨线可以表现完整的骨架，也可以是骨架中可重用的部分。一般选取杆件的空间中心线，骨线制作过程中有如下要点：

(1)骨线创建过程中需要命名：骨线在模型刷制过程中起到定位以及输入条件的作用，为确保模型刷制过程的正确，需要对骨线进行命名。骨线的命名规则必须与构件名称相关联，保证对应关系。

(2)保持骨线之间的参数化关联

通过参数化方式进行骨线的创建，保持骨线之间矢量关系的参数化驱动。采用这种方式创建的整体骨线，可随时通过调整局部参数自动调整整体骨线，避免出现局部骨线调整后与其他骨线出现无法搭接的情况。

(3)骨线与模型关联性，在创建模型的过程中，模型需要以骨线为基准，保持与骨线完整的参数连接，骨线多为空间矢量，具有端点、方向、长度等几何信息，根据这些基础信息，通过参数化建模方式创建出的杆件模型，会时刻与骨线保持关联，当骨线的矢量信息发生变化时，模型会自动做出空间位置、尺寸信息的相关调整。

所述步骤1-1)具体包括：

步骤1-1-1)创建骨线文件；

步骤1-1-2)在骨线文件中，使用CATIA软件，在零件设计模块中，根据基础坐标平面与设计需求，创建杆件拼装的构造平面；

如果要进行整体虚拟拼装，则需要创建多个构造平面。

步骤1-1-3)在对应的构造平面中，根据设计需求绘制所需拼装杆件的中心线，并添加参数化约束，将预拱度、杆件长度、角度等几何约束以参数形式录入；

步骤1-1-4)选中所有杆件中心线(避免选中辅助点、坐标轴等其他元素)并输出；

步骤1-1-5)将输出后的所有杆件中心线重命名，命名标准可根据项目自定义；

步骤1-1-6)选择全部输出后的杆件中心线并发布；

步骤1-1-7)骨线文件创建完毕。

步骤1-2)对铁路钢桥的杆件进行建模；

杆件模型是设计信息中几何信息的承载体，承载了所有设计信息中孔位坐标、杆件形状等重要几何信息，是铁路钢桥预拼装中重要的信息来源。在构件建模的过程中有如下要点：

(1)杆件是有层级的，铁路钢桥由多组杆件组成，所以杆件模型的层级划分，应与拼装过程中的层级划分一致，以便在拼装过程中使用。如表1所示，对拼装项目的简支钢桁梁总成分级进行如下划分：

表1

(2)杆件在建模过程中应参照相应的单根骨线独立创建，不可与其他骨线进行关联。

(3)杆件建模尺寸应完全遵照加工图纸，保证设计信息传递过程中的正确性。

以8m工字钢梁为例，所述步骤1-2)具体包括：

步骤1-2-1)在CATIA中选择装配设计模块并创建装配文件(product)；

步骤1-2-2)在装配文件下加载骨线文件；

步骤1-2-3)在装配文件下创建新的零件文件(Part)，命名并双击进入后，将骨线以链接形式复制到新建零件文档中；

步骤1-2-4)根据发布好的骨线进行基准几何元素的创建(点、线、面)，CATIA的参数化功能会自动保持其于骨线之间的关系约束；

步骤1-2-5)以创建好的基准几何元素为基础，绘制截面草图与螺栓孔位草图，并将工字钢中每块钢板的轮廓分别输出，

这样的操作有益于建模中的问题查找。

步骤1-2-6)将工字钢中的每块钢板分别创建于单一几何体中，采用凸台命令完成拉伸，并通过凹槽命令进行螺栓孔的修建，完成模型后进行保存；

步骤1-2-7)完成所有虚拟预拼装杆件的构件建模；

步骤1-3)对建立的模型进行调整和优化；

在模型创建好后，可在装配文件下进行查看，如杆件空间位置需要变换，可直接进入骨线文件进行杆件中心线的调整，更新装配文件后，由于杆件模型与骨线模型之间具有约束关联，杆件模型会自动根据骨线模型的调整进行匹配跟随。用此种方式创建的BIM模型，除了可以满足铁路钢桥虚拟预拼装的使用要求，更可以随时根据拼装分析结果进行调整，极大提高了虚拟预拼装的效率。

步骤2)对构建的模型进行虚拟拼装，具体包括：

步骤2-1)将杆件设计模型与实测点信息的组合统称为杆件信息组合，在钢桥拼装过程中，以螺栓孔中心为拼装位置的关键控制因素，通过对杆件信息组合进行利用最小二乘法进行误差分析，可分析出杆件中所有实际孔位与设计孔位之间的误差，并通过系统判定，超出阈值的误差部位会自动报警，以指导制造人员进行修改与制造工艺过程的反推；

步骤2-2)在虚拟拼装过程中进行温度补偿；

传统的虚拟预拼装系统在导入并分析成果后，无法对杆件测量成果进行温度补偿，很难保证预拼装过程中的精度。所以基于原虚拟预拼装平台的设计原理增加了温度补偿功能。

温度膨胀公式为：

ΔL＝ΔT×C×L

其中：C＝12.1*10^-6mm/℃，L为标准温度下杆件的长度，ΔT为与标准温度的偏差，ΔL为杆件的温度膨胀值；

在对各杆件进行测量的过程中，记录测量温度ΔT，代入温度膨胀公式计算出杆件温度膨胀值，以杆件中心线为方向、中心线中点为起点，所有实测点等比向两侧移动0.5倍的杆件温度膨胀值，在杆件实测点与设计模型拟合中进行温度补偿。

步骤2-3)以设计模型为驱动，拟合到整体设计模型中，统一到一个整体坐标系中。这样的拼装方式可以将实测点在整体坐标系中直接与最佳位置进行拟合，并判断与最佳位置的误差。

为了确保正确的拼接，除了直接与最佳位置进行拟合外，系统还应当具有手动调节拼装关系与位置的功能，同时保持拟合点之间的关联，可随时更新调整后的误差结果。

Claims (1)

1.一种基于BIM模型的钢桥虚拟预拼装方法，所述方法包括：

步骤1)按照骨架线框、杆件的顺序创建铁路钢桥的BIM模型，并对建立的模型进行调整和优化；

步骤2)采用最小二乘拟合方法对拼装的各杆件的位置进行调整，并在拟合过程中加入温度补偿因素，完成整个模型的虚拟拼装；

所述步骤1)具体包括：

步骤1-1)创建构造平面，在构造平面中，将预拱度、杆件长度和角度这些几何约束参数加入拼装杆件的中心线，对铁路钢桥的骨架线框进行建模；

步骤1-2)按照模型的划分层次，以单根骨线为参照，对铁路钢桥的各杆件进行建模；

步骤1-3)调整骨线模型的约束参数，利用杆件模型与骨线模型之间的约束关系，对建立的模型进行调整和优化；

所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)将杆件设计模型与实测点信息的组合统称为杆件信息组合，在钢桥拼装过程中，以螺栓孔中心为拼装位置的关键控制因素，利用最小二乘法对杆件信息组合进行误差分析，分析出杆件中所有实际孔位与设计孔位之间的误差，通过误差的分析完成各杆件拼装位置的调整；

步骤2-2)在虚拟拼装过程中进行温度补偿；

步骤2-3)将所有杆件模型统一到一个整体坐标系中，将实测点在整体坐标系中直接与最佳位置进行拟合，并判断与最佳位置的误差，从而对整体模型的位置进行调整，直至误差满足要求；

所述步骤2-2)的具体实现过程为：

温度膨胀公式为：

ΔL＝ΔT×C×L

其中：C＝12.1*10^-6mm/℃，L为标准温度下杆件的长度，ΔT为与标准温度的偏差，ΔL为杆件的温度膨胀值；

在对各杆件进行测量的过程中，记录测量温度ΔT，代入温度膨胀公式计算出杆件温度膨胀值，以杆件中心线为方向、中心线中点为起点，所有实测点等比向两侧移动0.5倍的杆件温度膨胀值，在杆件实测点与设计模型拟合中进行温度补偿；

所述步骤1-1)具体包括：

步骤1-1-1)创建骨线文件；

步骤1-1-2)在骨线文件中，在零件设计模块中，根据基础坐标平面与设计需求，创建杆件拼装的构造平面；

步骤1-1-3)在对应的构造平面中，根据设计需求绘制所需拼装杆件的中心线，并添加参数化约束，将预拱度、杆件长度和角度的几何约束以参数形式录入；

步骤1-1-4)选中所有杆件中心线并输出；

步骤1-1-5)将输出后的所有杆件中心线重命名；

步骤1-1-6)选择全部输出后的杆件中心线并发布；

步骤1-1-7)骨线文件创建完毕；

所述步骤1-2)具体包括：

步骤1-2-1)选择装配设计模块并创建装配文件；

步骤1-2-2)在装配文件下加载骨线文件；

步骤1-2-3)在装配文件下创建新的零件文件，将骨线以链接形式复制到新的零件文件中；

步骤1-2-4)根据发布好的骨线进行基准几何元素的创建，参数化功能会自动保持其于骨线之间的约束关系；

步骤1-2-5)以创建好的基准几何元素为基础，绘制截面草图与螺栓孔位草图，并分别输出每个杆件的轮廓；

步骤1-2-6)将每个杆件的单元分别创建于单一几何体中，采用凸台命令完成拉伸，并通过凹槽命令进行螺栓孔的修建，完成模型后进行保存。

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