BIM技術(shù)在橋梁施工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探索

■ 胡杰

BIM技術(shù)在橋梁施工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探索

■ 胡杰

20世紀(jì)80年代CAD繪圖軟件推出，設(shè)計(jì)人員從手工勞動(dòng)向計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)發(fā)展，帶來設(shè)計(jì)行業(yè)的第一次技術(shù)革命。隨著社會(huì)的發(fā)展，二維設(shè)計(jì)逐漸暴露出一些不足，三維建筑信息模型（BIM）技術(shù)正在悄然發(fā)展。通過分析當(dāng)前CAD二維設(shè)計(jì)技術(shù)在橋梁施工設(shè)計(jì)中的現(xiàn)狀，依托新白沙沱長江特大橋的施工設(shè)計(jì)，介紹BIM設(shè)計(jì)技術(shù)的特點(diǎn)及對(duì)橋梁施工設(shè)計(jì)的影響。

CAD二維設(shè)計(jì)；BIM三維設(shè)計(jì)；橋梁施工設(shè)計(jì)

橋梁施工設(shè)計(jì)主要為橋梁施工中所用的大型臨時(shí)結(jié)構(gòu)，包括基礎(chǔ)施工的鉆孔平臺(tái)及圍堰、墩身施工的模板及支架、主梁施工的現(xiàn)澆支架或掛籃等，目前設(shè)計(jì)過程中都應(yīng)用CAD（Computer Aided Design）技術(shù)繪制設(shè)計(jì)圖紙。隨著社會(huì)不斷向前快速發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)形體越來越新穎、越來越復(fù)雜，大型臨時(shí)結(jié)構(gòu)需要與橋梁結(jié)構(gòu)相匹配，設(shè)計(jì)人員需在較短的時(shí)間內(nèi)完成大規(guī)模復(fù)雜臨時(shí)結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量設(shè)計(jì)，同時(shí)還面臨著橋梁具體施工時(shí)的條件與設(shè)計(jì)時(shí)的有所不同，臨時(shí)結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行多次修改，嚴(yán)重制約著橋梁施工設(shè)計(jì)的發(fā)展。BIM（Building Information Modle，三維建筑信息模型）技術(shù)的出現(xiàn)，將能夠解決目前施工設(shè)計(jì)中所面臨的一些挑戰(zhàn)及困難，為設(shè)計(jì)人員所接受及認(rèn)可。

1 CAD與BIM的設(shè)計(jì)技術(shù)

1.1 CAD設(shè)計(jì)技術(shù)的現(xiàn)狀

現(xiàn)行CAD技術(shù)包含二維設(shè)計(jì)和三維設(shè)計(jì)技術(shù)，其中三維技術(shù)中三維建模不可逆，在設(shè)計(jì)過程中只是起輔助作用，常用的還是二維設(shè)計(jì)技術(shù)，主要通過三視圖（立面圖、平面圖及側(cè)面圖）、剖面圖描述一個(gè)三維結(jié)構(gòu)體。CAD技術(shù)在具體設(shè)計(jì)過程中所遇到的困難有：

（1）圖紙信息表述繁冗。二維設(shè)計(jì)方法是把三維的結(jié)構(gòu)體用離散的線條和文字按設(shè)計(jì)在平面表達(dá)出來，具體表述某個(gè)構(gòu)件時(shí)，為了更好的描述其空間位置，需要把與之相關(guān)聯(lián)的構(gòu)件示意出來，并配文字加以說明。

（2）設(shè)計(jì)過程中協(xié)同困難。大型復(fù)雜的臨時(shí)結(jié)構(gòu)往往是由多個(gè)設(shè)計(jì)人員共同去完成，若某個(gè)設(shè)計(jì)人員在具體設(shè)計(jì)過程中，如果發(fā)現(xiàn)局部不滿足要求，需要改變結(jié)構(gòu)形式，就需要與其他設(shè)計(jì)人員進(jìn)行溝通，其他設(shè)計(jì)人員的圖紙很多需要重新繪制，造成工作量加大。如果溝通不及時(shí)或不透徹，就會(huì)出現(xiàn)反反復(fù)復(fù)的修改，易使設(shè)計(jì)人員之間產(chǎn)生一定的矛盾，進(jìn)而影響設(shè)計(jì)整體進(jìn)度。

（3）設(shè)計(jì)質(zhì)量難以控制，影響施工。CAD二維設(shè)計(jì)中，對(duì)同一個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，需要使用多個(gè)視圖才能表達(dá)，同一個(gè)構(gòu)件需要繪制多次，效率低下。一旦方案發(fā)生變化，許多地方都需要重新繪制，加上時(shí)間緊迫，容易造成有些地方修改不到，施工現(xiàn)場按圖紙加工制造，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)與實(shí)際不符，導(dǎo)致工期延誤，增加施工成本。

1.2 BIM設(shè)計(jì)技術(shù)的特點(diǎn)

目前，BIM在歐美發(fā)達(dá)國家正在迅速推廣使用，很多國家都發(fā)布了相應(yīng)的BIM實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)BIM的應(yīng)用主要在建筑領(lǐng)域，并已取得一定成效。

BIM是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了建筑工程項(xiàng)目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，BIM是對(duì)工程項(xiàng)目設(shè)施實(shí)體與功能特性的數(shù)字化表達(dá)。BIM具有單一工程數(shù)據(jù)源，可解決分布式、異構(gòu)過程數(shù)據(jù)之間的一致性和全局共享問題。一般具有以下特點(diǎn)：

（1）模型信息的完備性：對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D幾何信息和邏輯關(guān)系的描述，包括構(gòu)件名稱、結(jié)構(gòu)類型、建筑材料，構(gòu)件之間的工程邏輯關(guān)系等。

（2）模型信息的關(guān)聯(lián)性：信息模型中的對(duì)象是可識(shí)別且相互關(guān)聯(lián)的，系統(tǒng)能夠?qū)δＰ偷男畔⑦M(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，并生成相應(yīng)的圖表。如果模型中的某個(gè)構(gòu)件發(fā)生變化，與之相關(guān)聯(lián)的所有構(gòu)件都會(huì)隨之更新，以保證模型的邏輯關(guān)系。

（3）模型信息的一致性：建筑結(jié)構(gòu)的同一信息無需重復(fù)輸入，且信息模型能夠自動(dòng)演化，在3D信息模型中進(jìn)行修改，二維工程圖中也隨之修改，只需對(duì)工程圖中的僅有的標(biāo)示進(jìn)行修改，避免了工程圖前后信息不一致的錯(cuò)誤。

1.3 BIM應(yīng)用于橋梁施工設(shè)計(jì)的價(jià)值

BIM的出現(xiàn)，使橋梁施工設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S設(shè)計(jì)。使用基于BIM的軟件系統(tǒng)，先進(jìn)行結(jié)構(gòu)的三維設(shè)計(jì)，然后通過生成二維的工程圖，再將工程圖交付施工現(xiàn)場。在設(shè)計(jì)過程中可以隨時(shí)直觀地看到結(jié)構(gòu)的三維模型，這個(gè)三維模型不同于CAD中的三維模型，它包含結(jié)構(gòu)構(gòu)件名稱、生成方法、與其他構(gòu)件的邏輯關(guān)系等信息。

BIM使設(shè)計(jì)過程中協(xié)同更簡便。BIM將整個(gè)設(shè)計(jì)整合到一個(gè)共享的三維信息模型，各個(gè)設(shè)計(jì)人員通過這個(gè)共享的三維模型進(jìn)行分項(xiàng)設(shè)計(jì)，同時(shí)可以通過這個(gè)三維模型查看到其他設(shè)計(jì)人員的動(dòng)態(tài)，隨時(shí)發(fā)現(xiàn)相沖突的地方，并及時(shí)調(diào)整自己的設(shè)計(jì)。修改后的設(shè)計(jì)可以即時(shí)地反饋到其他設(shè)計(jì)人員，將原來設(shè)計(jì)人員的口頭溝通轉(zhuǎn)化為軟件系統(tǒng)識(shí)別，極大地提高了設(shè)計(jì)效率，保證了信息傳遞的完整和準(zhǔn)確性。

BIM使得設(shè)計(jì)修改更便捷。如果結(jié)構(gòu)體系沒有發(fā)生原則性的變化，僅為三維模型的局部設(shè)計(jì)修改，則修改后的結(jié)果會(huì)在各個(gè)工程圖中自動(dòng)協(xié)調(diào)更新，并對(duì)工程圖中的標(biāo)示進(jìn)行局部調(diào)整修改，修改出圖效率大大提高。

2 CAD與BIM的工程應(yīng)用比較

2.1 工程概況

新白沙沱長江特大橋是渝黔鐵路的關(guān)鍵控制性工程，全長5.32 km，主橋布置為（81+162+432+162+81）m，是世界上首座雙層六線雙塔雙索面鋼桁梁鐵路斜拉橋。上層四線客車線，下層兩線貨車線，同時(shí)也是世界上延米載荷最大的橋梁，活載達(dá)33.6 t/延米，恒載達(dá)99 t/延米。

主塔為2#、3#主塔，采用H形橋塔，2#塔高175.45 m（含塔座）， 3#塔高192.45 m（含塔座），2#塔與3#塔在下橫梁以上高度外輪廓完全一致，下橫梁中心線以上橋塔主體高度為147.75 m，上塔柱高64.75 m，中塔柱高81.20 m。2#塔下塔柱高度為23.7 m，3#塔下塔柱高度為40.7 m。下橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，采用雙室空心矩形結(jié)構(gòu)，高7.0 m，寬10.0 m，頂、底板厚0.8 m，腹板厚0.7～1.0 m，支座處設(shè)有橫隔板，橫隔板厚2.0 m。上橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，采用單室空心矩形結(jié)構(gòu)，高7.0 m，寬7.5 m，頂、底板厚0.7 m，腹板厚1.0 m。

2.2 3#主墩施工方法

3#基礎(chǔ)位于水中，墩位處部分河床已侵入承臺(tái)范圍內(nèi)，因此在基礎(chǔ)施工前需進(jìn)行河床的水下爆破清理。為快速形成鉆孔能力，保證長江汛期來臨以后鉆孔的安全性，同時(shí)考慮到主墩距離川黔線白沙沱橋距離較近，故采用先平臺(tái)后圍堰的方案。下塔柱采用翻模施工，中、上塔柱采取液壓爬模施工。下橫梁采用鋼管柱支架法施工，混凝土分兩次澆注，第一次澆筑總高度為4.0 m的底板及腹板，第二次澆筑高度3.0 m，下橫梁和同一高度范圍內(nèi)的塔柱同時(shí)澆注。上橫梁待與橫梁相交段塔柱爬模施工通過后，再搭設(shè)支架施工上橫梁，支架采用在塔柱上設(shè)置預(yù)埋牛腿和預(yù)埋件搭設(shè)現(xiàn)澆支架。

2.3 3#主墩下橫梁施工設(shè)計(jì)比較

以下擬對(duì)3#主墩下橫梁支架設(shè)計(jì)分別采用CAD設(shè)計(jì)技術(shù)及BIM設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行的設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行比較。

2.3.1 CAD設(shè)計(jì)方法

準(zhǔn)備工作：繪制主塔結(jié)構(gòu)主要為下橫梁及下塔柱的三視圖，此結(jié)構(gòu)二維電子圖紙可從橋梁設(shè)計(jì)單位得到。

支架系統(tǒng)的布置：下橫梁底模布置，可采用整體鋼模和木模，此時(shí)僅需確定模板高度；模板底部分配梁布置，此時(shí)也僅需預(yù)留一定的高度（常用的工字鋼高度）；鋼桁梁的布置，主要是根據(jù)下橫梁斷面布置其間距，桁架的結(jié)構(gòu)形式需通過計(jì)算確定；鋼管立柱系統(tǒng)的布置，與鋼桁梁之間需預(yù)留一定的高度設(shè)置后期支架卸落的裝置，鋼管之間的間距需要與鋼桁梁共同計(jì)算考慮，保證兩者受力滿足要求，同時(shí)結(jié)構(gòu)形式簡便合理。

3#主墩下橫梁現(xiàn)澆支架總體布置見圖1。

下橫梁支架布置出來后，即可與施工現(xiàn)場交流溝通，確定結(jié)構(gòu)所用鋼材的形式，就可進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可分幾大塊進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，主要包括承臺(tái)上設(shè)置的預(yù)埋件、鋼管立柱系統(tǒng)、卸落結(jié)構(gòu)裝置、鋼桁梁、模板系統(tǒng)、邊支點(diǎn)等。各部分設(shè)計(jì)完成后，在總布置圖上將各結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新組拼，進(jìn)一步檢查確定各部分之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)問題各部分重新修改設(shè)計(jì)，重復(fù)上述過程直至結(jié)構(gòu)完善，最后打印出圖，設(shè)計(jì)任務(wù)完成。

2.3.2 BIM設(shè)計(jì)方法（從上而下設(shè)計(jì)）

準(zhǔn)備工作：根據(jù)主塔結(jié)構(gòu)圖紙繪制三維BIM模型，由于目前國內(nèi)橋梁設(shè)計(jì)單位無可直接用于設(shè)計(jì)的三維BIM模型，此工作量較大。

支架系統(tǒng)的布置：底模系統(tǒng)的布置，此時(shí)僅需布置模板的中心線或者定位線，同時(shí)定義模板系統(tǒng)與下橫梁底面的邏輯關(guān)系；模板底部分配梁的布置，僅需布置分配梁的中心線，同時(shí)定義分配梁與模板底面、分配梁之間的邏輯關(guān)系；鋼桁梁的布置，需布置鋼桁梁的骨架線，定義其與上面分配梁的邏輯關(guān)系，由于分配梁數(shù)量較多，定義邏輯關(guān)系時(shí)需要一定的技巧，同時(shí)定義多片鋼桁梁間的邏輯關(guān)系；鋼管立柱系統(tǒng)的布置，從上而下定義出各節(jié)段鋼管的軸線，并定義各鋼管與鋼桁梁及承臺(tái)預(yù)埋件間的邏輯關(guān)系。上述過程中需要對(duì)每根桿件進(jìn)行命名且名稱不能重復(fù)。

具體設(shè)計(jì)：結(jié)構(gòu)布置完成后，將模型信息進(jìn)行共享，該工程施工設(shè)計(jì)項(xiàng)目其他成員根據(jù)此數(shù)據(jù)信息進(jìn)行各分部的具體設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程中可適時(shí)的保存數(shù)據(jù)信息，其他成員可立即獲得最新修改信息，再對(duì)自己所負(fù)責(zé)的分部進(jìn)行調(diào)整。三維BIM模型設(shè)計(jì)完成后，再對(duì)各部件及零件出工程圖。設(shè)計(jì)任務(wù)完成之前重復(fù)修改設(shè)計(jì)的過程比較少或者不會(huì)出現(xiàn)。

2.3.3 BIM設(shè)計(jì)方法（從下而上設(shè)計(jì)）

根據(jù)主塔結(jié)構(gòu)圖紙繪制三維BIM模型，根據(jù)以往類似結(jié)構(gòu)將支架拆分為多個(gè)零件，并繪制成多個(gè)零件圖，同時(shí)對(duì)零件進(jìn)行命名，再對(duì)繪制好的零件進(jìn)行逐個(gè)裝配，裝配的過程中逐一定義各零件間的邏輯關(guān)系，同時(shí)調(diào)整各零件的定義參數(shù)的具體數(shù)值，使之滿足總體設(shè)計(jì)，BIM三維模型設(shè)計(jì)完成后，再對(duì)各部件及零件出工程圖。

圖1 新白沙沱長江特大橋3#主墩CAD設(shè)計(jì)

2.3.4 CAD與BIM在修改設(shè)計(jì)工程中的比較

假設(shè)已分別采用CAD技術(shù)及BIM技術(shù)設(shè)計(jì)將下橫梁支架設(shè)計(jì)完成。以下橫梁支架中的鋼管立柱系統(tǒng)需要進(jìn)行修改設(shè)計(jì)（見圖2），分別采用CAD二維和基于BIM的三維軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)修改比較。

由于某種原因鋼管立柱下部立柱間距減小3 m，外面一排鋼管由豎直變成傾斜，鋼管立柱系統(tǒng)細(xì)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的有：立柱A2結(jié)構(gòu)（含底部連接法蘭）、立柱C2結(jié)構(gòu)（含底部連接法蘭）、連接系A(chǔ)1結(jié)構(gòu)、連接系A(chǔ)2結(jié)構(gòu)等（見圖3）。

采用CAD二維設(shè)計(jì)時(shí)，先在總布置圖進(jìn)行修改，再到各個(gè)具體結(jié)構(gòu)詳圖中修改，涉及到修改地方較多，往往會(huì)出現(xiàn)有些地方已經(jīng)修改，某些局部由于人為疏忽而未修改，造成圖紙前后不對(duì)應(yīng)的情況，這就要求設(shè)計(jì)人員和圖紙審核人員非常認(rèn)真仔細(xì)的核對(duì)。

采用基于BIM的三維軟件設(shè)計(jì)時(shí)，先在三維模型中進(jìn)行修改，由于構(gòu)件名稱是一一對(duì)應(yīng)的，需要對(duì)桿件重新命名編號(hào)，在對(duì)細(xì)部結(jié)構(gòu)連接法蘭處理也較困難，由于結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生新的結(jié)構(gòu)工程圖中需要重新生成。在三維模型修改時(shí)，特別是在細(xì)部結(jié)構(gòu)處理時(shí)所耗時(shí)間精力較多，在材料統(tǒng)計(jì)方面，模型雖然可以自行生產(chǎn)，但與傳統(tǒng)表述還有一定的差異，還需進(jìn)一步修改，同時(shí)還需要對(duì)新增的結(jié)構(gòu)零件進(jìn)行出工程圖。

但是如果設(shè)計(jì)方案修改方向相反，即外側(cè)鋼管由傾斜變成直立，采用基于BIM的三維軟件設(shè)計(jì)將會(huì)非常方便快捷。

3 BIM應(yīng)用于橋梁施工設(shè)計(jì)的總結(jié)及展望

圖2 下橫梁支架中鋼管立柱立面（修改前）

圖3 下橫梁支架中鋼管立柱立面（修改后）

通過與CAD設(shè)計(jì)技術(shù)的比較，在現(xiàn)階段BIM設(shè)計(jì)技術(shù)還無法完全取代CAD設(shè)計(jì)技術(shù)。BIM是一個(gè)全新的理念，涉及到一系列的改革和創(chuàng)新，國內(nèi)尚無與之配套的軟件，國外主流的軟件與國內(nèi)實(shí)際工程不是很配套，由此造成的工作效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及CAD二維設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員使用的熱情不高。BIM的三維模型信息多，初次設(shè)計(jì)建模時(shí)所耗時(shí)間精力較多，且不能快速出成果。對(duì)待一些特別復(fù)雜的施工結(jié)構(gòu)，采用BIM進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要處理大量的邏輯關(guān)系，對(duì)于設(shè)計(jì)員在短時(shí)間內(nèi)無法在設(shè)計(jì)過程中一次理清，同時(shí)由于當(dāng)今工程建設(shè)的工期非常緊迫，設(shè)計(jì)人員假如使用BIM軟件將無法按時(shí)完成設(shè)計(jì)任務(wù)。

建立三維模型需要的電腦硬件配置很高，目前設(shè)計(jì)人員所用電腦硬件的更新遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上基于BIM三維軟件的更新速率，直接造成繪圖速度降低，同時(shí)容易給設(shè)計(jì)人員造成情緒性的抵觸。

但隨著BIM在其他行業(yè)不斷應(yīng)用，實(shí)用價(jià)值會(huì)不斷地體現(xiàn)出來，同時(shí)國內(nèi)基于BIM的三維軟件也會(huì)不斷涌現(xiàn)，BIM終將會(huì)被橋梁施工界所接受及認(rèn)可，加之國內(nèi)工程建設(shè)的速度將逐步放緩，從快速施工轉(zhuǎn)變成精細(xì)化施工，BIM設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用更是迫不及待。橋梁施工設(shè)計(jì)人員應(yīng)該走在工程建設(shè)行業(yè)的前頭，要敢于接受新東西，敢于應(yīng)用新技術(shù)行，敢于接受新技術(shù)的挑戰(zhàn)。

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胡杰：中鐵大橋局股份有限公司設(shè)計(jì)分公司，設(shè)計(jì)員，湖北 武漢，430050

責(zé)任編輯楊倩

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1672-061X（2014）02-0063-05