桥梁是交通建设环节中一个重要的组成部分，随着时代的发展和人们审美水平的提高，桥梁设计趋向于实用与美观相辅相成。BIM技术以其特点正在快速而深远地影响着桥梁工程建设的发展，已逐渐成为提高桥梁技术水平和管理效能的重要信息化手段。桥梁景观的要求，使得构件的形状日趋复杂。如何将BIM技术应用于钢筋混凝土构件任意截面的双向大偏心受压计算，是一个值得研究的问题。

    钢筋混凝土构件双向大偏心受压计算问题较为复杂，一般的钢筋混凝土结构设计原理书籍都没有进行论述，国内学者在此方面做的研究较少。其中，余琪研究了矩形截面的配筋计算问题，从切角矩形截面的力学性质入手，运用平移轴、转轴定理寻求主形心轴，再通过坐标变换，将零应力线方程及应力函数限制在原形心坐标系内，运用迭代法求解最终零应力线，求出混凝土最大压应力和钢筋最大拉应力。童森林研究了圆端形截面的配筋计算问题，将有效面积视作成几个简单图形的组合，再运用平移轴、旋转轴、坐标变换，迭代求解最终零应力线，从而求解出了混凝土最大压应力和钢筋最大拉应力，并给出了圆端形截面的应力重分布系数算图。杨咏漪研究了任意截面非均匀配筋计算问题，并基于AutoCAD开发了计算程序。

    达索系统3DE平台是一个开放互联、数据驱动、基于模型和虚实融合的业务平台。作者以3DE为二次开发平台，本着尽量利用既有BIM模型的原则，采用解析法、迭代法和图解法相结合的方式，运用材料力学的原理，基于BIM技术成功解决了钢筋混凝土任意截面的强度计算问题，并编制了达索3DE平台下的允许应力法任意配筋程序（ArbitraryFabricationProgramforAllowablestress简称AFPA）。

    基于达索3DE平台的二次开发

    CGM模型操作开发

    由于截面形状和钢筋布置的复杂性，为了减少人工输入，截面强度计算程序充分利用了参数化BIM模型，计算所需的几何参数都是从BIM模型中获取。用户仅需选择几何实体、相交平面和截面轴系，强度计算涉及的其余几何参数都从三者的几何布尔和几何拓扑运算结果中获得，程序涉及3DE平台CGM模型数学操作、几何操作、拓扑操作和特征操作的二次开发。不同操作的使用范围、占用时间、占用资源和所需元素的级别都不同，从占用内存和时间角度排序：特征操作>拓扑操作>几何操作>数学操作。

    The3DEGeometricModelerArchitecture

    程序将截面离散的点钢筋换算为连续的钢筋带进行计算，由于截面强度计算涉及几何迭代运算，为了提高运算速度和减少内存消耗，程序大量使用几何、拓扑操作和数学函数提高运算效率，主要涉及的框架包括：Mathematics、GMModelInterfaces和GMOperatorsInterfaces等。

    接口和组件开发

    软件组件结构（SCI）是软件工程继过程模型和面向对象模型的下一代逻辑模型，面向对象技术只能通过重用类库已有的类来实现有限的重用，而软件组件机构提供了最高层次的代码重用。软件组件结构有三个基本的概念：框架、组件和对象总线。达索3DE平台采用了多种支持组件技术的软件技术，内部模块全部采用CNEXT实现。

    作者从业务角度出发，编制了截面强度计算接口，并将程序封装为组件（AFPAImpl），客户端可通过暴露的接口使用可执行代码，这种方式不仅隐藏了实现细节，同时也确保了使用它的客户应用程序向上兼容。

    交互操作开发

    3DE中命令主要有三种：单步命令、对话框命令和状态命令。（1）基本命令，也称（BasicCommands）：运行时用户不能有附加选项，从其开始运行直至其结束期间无法停止，也称单步命令，该类命令派生自CATCommand类。（2）对话框命令（DialogBoxCommands）：用户可以输入参数值或选择选项，对话框本身即命令，而不是其他命令的一部分，该类命令派生自CATDlgDialog类。（3）状态命令（StateCommands）：状态命令被模拟为状态机，通过状态、迁移（或转换）的组合可构成高级对话命令。命令中可有数个状态，每个状态让用户选择对象、输入参数或选择选项。根据选择的对象、输入参数或选项判断是否满足条件。如果满足相应条件则触发迁移，跳转到下一状态执行，直到命令结束。对话框可用于状态对话命令作参数或选项输入界面。该类命令派生自CATStateCommand类。

    程序采用状态命令，通过状态迁移依次过滤选择输入对象；为了方便地显示中文，采用代码方式在AFPAPanel类中定义对话框。

    命令和对话框派生、聚合关系图

    命令状态迁移图

    程序介绍

    本文作者以DassaultSystemes3DEXPERIENCER2018X和VisualStudio2015为开发平台，编写了允许应力法任意截面强度计算程序。该程序与现行的铁路规范紧密结合，可以进行任意双向受力压弯构件的钢筋混凝土配筋和混凝土应力重分布计算，程序具有友好的界面和良好的纠错能力，可以对用户的一些误操作给出相应的提示。

    算例

    圆端形空心截面的双向受力计算分析

    (钢筋混凝土)

    本算例具体计算参数见表1，计算结果见表2，从表2可以看出AFPA的计算结果和文献的结果吻合得非常好。

    表1中参数分别为直线段长度，圆弧段外半径，圆弧段内半径，圆弧段钢筋半径，钢筋单位长度宽度。

    AFPA截面强度计算对话框

    圆端形实体截面应力重分布计算分析

    （混凝土）

    本算例具体计算参数见表3，计算结果见表4，从表4可以看出AFPA的计算结果和文献的结果吻合得非常好。

    结论

    （1）BIM技术应用于任意截面强度计算是可行的；

    （2）基于BIM技术的计算程序可充分地利用BIM模型，减少用户数据输入量；

    （3）将截面强度计算程序封装为3DE平台组件，更方便于平台的扩展和维护；

    （4）下一步将截面强度计算组件与3DE平台的扩展特征技术结合，可实现基于模型的关联设计。

    本文刊载/《桥梁·BIM视界》杂志

    2020年第1期总第12期

    作者/杨咏漪徐海艳

    作者单位/中铁科学研究院有限公司

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