既有橋梁養(yǎng)護(hù)中BIM模型構(gòu)件拆分與模型細(xì)度的討論

柏平　馬志華

摘 要：針對(duì)既有橋梁的BIM應(yīng)用問(wèn)題，討論了面向養(yǎng)護(hù)的模型構(gòu)件拆分及模型細(xì)度問(wèn)題。提出在構(gòu)件拆分方面應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)功能、空間界限、施工次序等因素，確定三維模型細(xì)度時(shí)需滿足位置準(zhǔn)確、幾何界限清晰和較高的曲線精確度等要求；針對(duì)若干實(shí)際情況進(jìn)行了舉例說(shuō)明。該文研究成果對(duì)于既有橋梁管理系統(tǒng)的三維化升級(jí)具有參考意義。

關(guān)鍵詞：BIM 既有橋梁 橋梁養(yǎng)護(hù) 構(gòu)件劃分 模型細(xì)度

中圖分類號(hào)：U495 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）01（c）-0028-04

Abstract：Aiming at the problem of BIM application of existing bridge， the division of structural elements and the problem of model fineness are discussed. It is proposed that the factors such as structural function， space boundaries， the construction sequence etc. should be considered for elements division， and for the model fineness， the factors including accurateposition， clear geometric boundaries and higher curve accuracy etc. should be considered.For some practical cases， examples are proposed to illustrate those viewpoints. The research results of this paper have referential meaning for the three dimensional upgrade of existing bridge management system.

Key Words：BIM；Existing Bridges；Bridge Maintenance；Division of Structural Elements；Fineness Degree of the BIM Model

BIM（Building Information Modeling，譯為“建筑信息模型”）是目前在國(guó)內(nèi)外工程界較為流行的一項(xiàng)技術(shù)，其技術(shù)核心在于“信息”，因而該技術(shù)的本質(zhì)屬于信息技術(shù)領(lǐng)域。在“建筑信息模型（BIM）”這個(gè)概念出現(xiàn)之前，“信息模型”就已經(jīng)存在于信息技術(shù)領(lǐng)域了[1]。通過(guò)使用信息模型，我們可以使用不同的應(yīng)用程序?qū)λ芾淼臄?shù)據(jù)進(jìn)行重用，變更以及分享。信息模型技術(shù)首先應(yīng)用于制造業(yè)[2]，后來(lái)擴(kuò)展至建筑業(yè)，形成了建筑信息模型。BIM技術(shù)在建筑工業(yè)中應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，不同使用者對(duì)BIM的詮釋也不盡相同。美國(guó)國(guó)家BIM標(biāo)準(zhǔn)[3]對(duì)BIM的釋義相對(duì)完整，該釋義該由三部分組成：（1）BIM是一個(gè)設(shè)施（建設(shè)項(xiàng)目）物理和功能特性的數(shù)字表達(dá)；（2）BIM是一個(gè)共享的知識(shí)資源，是一個(gè)分享有關(guān)這個(gè)設(shè)施的信息，為該設(shè)施從建設(shè)到拆除的全生命周期中的所有決策提供可靠依據(jù)的過(guò)程；（3）在項(xiàng)目的不同階段，不同利益相關(guān)方通過(guò)在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自職責(zé)的協(xié)同作業(yè)。

BIM技術(shù)是一項(xiàng)適合進(jìn)行結(jié)構(gòu)物全壽命管理的有效方法。許多既有橋梁在建設(shè)期并未采用BIM技術(shù)，在引入BIM技術(shù)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)管理時(shí)，需要重新建立三維BIM模型。與新建項(xiàng)目相比，既有橋梁的一些特點(diǎn)需要我們特別關(guān)注。首先，在新建項(xiàng)目中，BIM模型，或者說(shuō)數(shù)字信息模型，是伴隨著項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工過(guò)程的自然產(chǎn)品，不需要進(jìn)行專門(mén)的建模工作；而對(duì)于建設(shè)期未采用BIM技術(shù)的既有橋梁，技術(shù)資料以二維的紙版圖紙或者CAD圖紙的形式存在，沒(méi)有現(xiàn)成的三維圖紙，為了實(shí)現(xiàn)基于BIM技術(shù)的全壽命管理，需要進(jìn)行專門(mén)的建模工作，為后續(xù)工作奠定基礎(chǔ)。其次，建設(shè)期的BIM模型，作為設(shè)計(jì)的結(jié)果，絕大部分幾何信息會(huì)精確的反映在模型中（一些構(gòu)造詳圖的做法有時(shí)在BIM模型中會(huì)進(jìn)行忽略）；而作為全壽命期管理的BIM模型，若建立同樣細(xì)度的模型，會(huì)耗費(fèi)大量的人力及時(shí)間成本，而很多幾何細(xì)節(jié)并不是全壽命管理所需關(guān)注的，例如：將橋梁拉索作為一個(gè)構(gòu)件時(shí)，其錨杯內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息并不需要三維的形式在管理中來(lái)體現(xiàn)。

該文將結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，討論如何建立拆分合理、細(xì)度合適的BIM模型。

1 橋梁BIM模型的構(gòu)件拆分

建立橋梁養(yǎng)護(hù)的BIM模型需研究橋梁的構(gòu)件拆分方式：拆分過(guò)細(xì)會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件數(shù)量繁多，數(shù)據(jù)庫(kù)中會(huì)被大量?jī)r(jià)值較低的細(xì)節(jié)信息占據(jù)，增加信息維護(hù)和系統(tǒng)運(yùn)行的成本；拆分過(guò)粗會(huì)導(dǎo)致必要信息的缺失，使得運(yùn)營(yíng)分析工作受到限制。構(gòu)件拆分方式與信息整理工作密切相關(guān)，拆分后的構(gòu)件作為信息描述的最小單元，其建造、損壞、維修、更換信息都將進(jìn)行記錄。在BIM模型中，構(gòu)件的幾何體與數(shù)據(jù)庫(kù)中的構(gòu)件ID綁定，進(jìn)而與數(shù)據(jù)庫(kù)中所載的構(gòu)件信息進(jìn)行掛接。

橋梁養(yǎng)護(hù)信息模型的構(gòu)建是建立在部件、構(gòu)件對(duì)象基礎(chǔ)上，目前《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[4]已對(duì)橋梁部件的劃分提出了建議，模型中也根據(jù)《評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行部件劃分，但橋梁構(gòu)件的拆解目前沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。由于構(gòu)件是重要的對(duì)象，是大部分信息的載體，所以，需要對(duì)養(yǎng)護(hù)信息模型中構(gòu)件對(duì)象的劃分方式進(jìn)行研究。在信息模型中，對(duì)象是“獨(dú)立的、分離的、用戶需要跟蹤和報(bào)告的事物”，可以從這個(gè)角度出發(fā)，確定針對(duì)橋梁養(yǎng)護(hù)工作的構(gòu)件劃分方法。

1.1 構(gòu)件劃分的考慮因素

養(yǎng)護(hù)領(lǐng)域信息模型面向考慮橋梁全壽命的過(guò)程，主要從結(jié)構(gòu)功能、施工次序、空間界限和其他構(gòu)件對(duì)象屬性區(qū)別等方面進(jìn)行劃分。

1.1.1 結(jié)構(gòu)功能

橋梁各個(gè)部件，如：上部承重部件、支座部件、橋墩部件、橋臺(tái)部件等，實(shí)際上已經(jīng)將構(gòu)件按照功能進(jìn)行了初步的分類。但部件中的各個(gè)構(gòu)件又有其功能上的區(qū)別，如：橋墩部件中的墩身、蓋梁、系梁等構(gòu)件。另外，對(duì)于箱梁節(jié)段而言，翼緣、頂板、底板、腹板等部位分別呈現(xiàn)出懸臂受彎、主要受拉、受壓和受剪等受力特征，且不同位置的病害對(duì)結(jié)構(gòu)整體的影響方式也不相同，因而，在以養(yǎng)護(hù)為目的的模型中，宜將各部分劃分為不同的構(gòu)件，如圖1所示。

1.1.2 空間界限

大部分構(gòu)件在空間上界限都是清晰的，如，系梁和橫梁、梁體與支座、鋼結(jié)構(gòu)的各個(gè)桿件等。有些構(gòu)件雖然連接面較大，但各個(gè)部分空間界限清晰，比如：支座墊石和蓋梁（如圖2所示），由于各自發(fā)生病害時(shí)的影響也是不同的，所以這種情況宜按照空間界限劃分為不同的構(gòu)件。由于根據(jù)空間界限劃分的各部分，結(jié)構(gòu)功能也都相對(duì)獨(dú)立，因而這一因素與前述“結(jié)構(gòu)功能”因素有所交叉。

1.1.3 施工次序

有些體量較大的結(jié)構(gòu)體需要分批次施工制作，例如：大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，會(huì)根據(jù)施工方便分為若干的節(jié)段，每個(gè)節(jié)段依次進(jìn)行獨(dú)立懸臂澆筑，在記載構(gòu)件澆筑時(shí)間等施工期信息時(shí)，各節(jié)段有所不同，此時(shí)應(yīng)該將各個(gè)節(jié)段分劃分為不同構(gòu)件。另外，如圖3所示鋼拱肋，在制作時(shí)，采用了分段制作，現(xiàn)場(chǎng)焊接的工藝、考慮到各段之間并非一個(gè)整體，在建造時(shí)也有各自的制作、安裝進(jìn)度，這種鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件也應(yīng)劃分為不同的構(gòu)件。

1.1.4 其他屬性區(qū)別

由于信息模型中會(huì)記錄構(gòu)件的材料類型、強(qiáng)度等級(jí)、施工方等信息，當(dāng)一個(gè)結(jié)構(gòu)件中的不同組成部分存在不一致的信息時(shí)，宜將該結(jié)構(gòu)件中的不同組成部分劃分為獨(dú)立構(gòu)件。

1.2 橋梁構(gòu)件拆分方式舉例

構(gòu)件劃分宜盡量滿足上述各因素，即將構(gòu)件對(duì)象劃分至信息層面的最小單位，以免信息主體劃分過(guò)粗，導(dǎo)致一些信息沒(méi)有對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)位置。下文對(duì)常見(jiàn)的幾類橋型的結(jié)構(gòu)劃分進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

1.2.1 上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件劃分

（1）裝配式梁橋。由于這種梁在空間上是相互獨(dú)立的，所以每一跨上部承重部件分為各獨(dú)立的預(yù)制梁組成，上部一般部件大多為連接預(yù)制梁的構(gòu)件。舉例如下：①1跨空心板梁橋有12片空心板梁，那么上部承重部件梁體的構(gòu)件總數(shù)即為12，上部一般部件分為11道鉸縫。②4跨T形梁橋，每跨有7片T形梁，那么上部承重部件梁體的構(gòu)件總數(shù)即為28；上部一般部件分為每跨6個(gè)濕接縫及橫隔板。

（2）整體現(xiàn)澆箱梁。由于該橋型截面高度和寬度均較大，且頂?shù)装寮耙砭壈宓染歇?dú)特受力特性，故而將每一跨箱形梁分為左翼板、左腹板、底板、頂板、右翼板和右腹板6個(gè)構(gòu)件。例如：3跨現(xiàn)澆箱梁即存在18個(gè)承重構(gòu)件，一般構(gòu)件根據(jù)橫隔板自然個(gè)數(shù)確定。

（3）懸臂澆筑/拼裝連續(xù)箱梁。懸臂澆筑/拼裝連續(xù)箱梁在施工時(shí)為分節(jié)段澆筑而成，每個(gè)節(jié)段在施工期均相互獨(dú)立。因而建議將橋梁沿縱向按塊段劃分后，再分為頂板、腹板、翼緣板等構(gòu)件。例如：1座（50+80+50）的懸澆連續(xù)箱梁共有0#至10#塊10個(gè)懸澆塊段、2個(gè)邊跨現(xiàn)澆段、2個(gè)邊跨合攏段及1個(gè)中跨合攏段，那么上部承重部件梁體的構(gòu)件即為270個(gè)構(gòu)件對(duì)象，一般構(gòu)件根據(jù)橫隔板自然個(gè)數(shù)確定。

1.2.2 下部結(jié)構(gòu)構(gòu)件劃分

下部結(jié)構(gòu)中，橋墩、橋臺(tái)、墩臺(tái)基礎(chǔ)部件較為復(fù)雜，其所包含構(gòu)件存在“空間界限”及“結(jié)構(gòu)功能”的區(qū)別。其余構(gòu)件數(shù)量的劃分基本上按照構(gòu)件的自然單位進(jìn)行計(jì)算。舉例如下：（1）橋臺(tái)。U型橋臺(tái)：臺(tái)帽、前墻、側(cè)墻；一般分為1個(gè)臺(tái)帽、1個(gè)前墻、2個(gè)側(cè)墻；肋板式橋臺(tái)：臺(tái)帽、肋板、承臺(tái)。柱式臺(tái)：臺(tái)帽，承臺(tái)及臺(tái)柱。（2）橋墩。柱式墩：墩柱、蓋梁、橫系梁；重力式墩：墩身、墩帽。（3）基礎(chǔ)。樁基礎(chǔ)：樁身、系梁；擴(kuò)大基礎(chǔ)：基礎(chǔ)。

1.2.3 橋面系構(gòu)件劃分

主要有橋面鋪裝、伸縮縫裝置、人行道、欄桿、排水系統(tǒng)及照明標(biāo)志。橋面系所含部件均為構(gòu)件組成較為簡(jiǎn)單的構(gòu)件，故而按照構(gòu)件的自然單位進(jìn)行計(jì)算。例如：1個(gè)3孔的高速公路橋梁，含有3孔橋面鋪裝構(gòu)件，0#、3#臺(tái)頂2個(gè)伸縮縫，無(wú)人行道，左右2個(gè)護(hù)欄。

2 橋梁構(gòu)件的模型細(xì)度

在確定構(gòu)件劃分方式之后，確定合適的建模細(xì)度。在業(yè)內(nèi)，關(guān)于BIM三維建模有一個(gè)形象的說(shuō)法：“搭積木”。構(gòu)件劃分的過(guò)程是確定橋梁由哪些“積木塊”組成，在確定構(gòu)件劃分方式之后，需確定構(gòu)件合適的三維模型細(xì)度，即確定“積木塊”的精細(xì)程度。過(guò)于粗糙的模型，幾何形狀與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物有較大出入，會(huì)導(dǎo)致尺寸偏差大、關(guān)鍵點(diǎn)位高程、樁號(hào)等信息失效等問(wèn)題，無(wú)法充分利用BIM技術(shù)發(fā)揮三維模型的價(jià)值；過(guò)于精細(xì)的模型，可能會(huì)使得大量沒(méi)有價(jià)值的信息占據(jù)模型，例如：欄桿上的雕花等，不僅會(huì)大幅增加建模工作量，也無(wú)謂地消耗大量的三維顯示系統(tǒng)軟、硬件資源。

構(gòu)件三維模型細(xì)度與BIM三維模型的使用方法有關(guān)系。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)、施工階段對(duì)于BIM的細(xì)度要求本身也不完全相同，如同設(shè)計(jì)圖紙、施工圖所表達(dá)的信息不同。因此，在BIM的相關(guān)工作流程中，各階段人員在項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)就需介入，協(xié)調(diào)建模、文件版本、數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀黝悊?wèn)題。同樣的，養(yǎng)護(hù)運(yùn)維階段也有其特定的需求。該節(jié)即從橋梁養(yǎng)護(hù)工作的需求出發(fā)，闡述關(guān)于構(gòu)件三維模型細(xì)度的若干要求。

以養(yǎng)護(hù)為目的的BIM三維模型，需要反映出結(jié)構(gòu)形體、病害分布，以滿足分析構(gòu)件受力特征、制定維修加固方案、進(jìn)行工程量計(jì)算以及設(shè)施管理等工作的要求。以下從構(gòu)件的位置、構(gòu)件內(nèi)部幾何界限、曲線精確度方面闡述具體的細(xì)度要求，并討論了一些細(xì)節(jié)可以忽略的情況。

2.1 位置準(zhǔn)確

距離或者角度參照應(yīng)準(zhǔn)確。在用“積木”搭建模型的時(shí)候，需要從兩方面考慮：積木塊自身形狀的細(xì)致程度和積木塊的放置方式。同樣的，BIM三維模型中的構(gòu)件也是這樣。構(gòu)件在三維模型中放置時(shí)，通過(guò)高程、軸網(wǎng)系統(tǒng)或者其他構(gòu)件的關(guān)鍵點(diǎn)、線、面對(duì)構(gòu)件進(jìn)行定位：將構(gòu)件的“基點(diǎn)”根據(jù)參照距離放置在模型中，并通過(guò)參照角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。一個(gè)構(gòu)件上除了放置“基點(diǎn)”外，還有很多反應(yīng)其空間位置的點(diǎn)，如一個(gè)立方體構(gòu)件的8個(gè)頂點(diǎn)。此時(shí)，除了基點(diǎn)位置準(zhǔn)確外，構(gòu)件其他、關(guān)鍵點(diǎn)的位置也應(yīng)該與實(shí)際位置一致，才能保證構(gòu)件的模型形狀與實(shí)際構(gòu)件基本相同、與相鄰各個(gè)構(gòu)件的相對(duì)位置關(guān)系正確。

以連續(xù)梁各節(jié)段是否需反映橋梁縱坡為例，來(lái)說(shuō)明上述問(wèn)題：?jiǎn)尉湍骋还?jié)段而言，只要根據(jù)底面或頂面標(biāo)高進(jìn)行放置即可，即便不考慮縱坡，前后端的高程位置不會(huì)有較大偏差；但是，當(dāng)各個(gè)節(jié)段連接的時(shí)候，中間節(jié)段和端部節(jié)段由于距離較遠(yuǎn)，頂面高程相差較大，如果不考慮縱坡，所有節(jié)段的頂面中心線高程都按照中間節(jié)段（或者端部節(jié)段）頂面中心線高程確定，導(dǎo)致端部節(jié)段（或者中間節(jié)段）位置遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離其實(shí)際位置，進(jìn)而使得支座位置、橋墩頂面高程發(fā)生較大偏移（如圖4所示），因而，在橋梁建模時(shí)，橋梁縱坡導(dǎo)致的橋梁節(jié)段前后端高程差應(yīng)予以反映。

2.2 幾何界限清晰

清晰的界限是橋梁檢查時(shí)的重要參考，在可見(jiàn)區(qū)域，構(gòu)件各個(gè)面之間明顯的幾何界限應(yīng)在模型中保留。構(gòu)件的關(guān)鍵點(diǎn)、線信息應(yīng)能反映出構(gòu)件上各明顯的明顯界限。如箱梁內(nèi)部可見(jiàn)部分的腋角（如圖5所示）、齒板等，均建議在模型中加以反映。

2.3 曲線精確度

在工程結(jié)構(gòu)中，經(jīng)常存在一些曲線，例如拱、懸索的軸線等。此時(shí)在模型中盡量按照曲線的實(shí)際情況確定——在加工時(shí)根據(jù)函數(shù)精確放樣的預(yù)制構(gòu)件，如鋼拱肋，按曲線建模；對(duì)于在施工時(shí)以弦代弧的曲線，如：連續(xù)梁的立面下緣線，以折線建模。對(duì)于曲線建模的情況，對(duì)于高階建模軟件中，能夠用精確函數(shù)描述的應(yīng)采用函數(shù)描述的方式進(jìn)行建模，如：二次曲線、雙曲線等；對(duì)于一些曲線功能較弱的軟件，會(huì)以樣條曲線代替，此時(shí)應(yīng)保證各控制點(diǎn)的點(diǎn)位準(zhǔn)確。以鋼拱肋為例，應(yīng)保證各風(fēng)撐高程位置準(zhǔn)確，而避免使用僅由頂點(diǎn)和支座三點(diǎn)確定的樣條曲線表示拱肋的幾何形狀，如圖6所示。

其他曲面也總是可以由曲線（或者直線沿曲線）的平移、旋轉(zhuǎn)生成，在考慮模型細(xì)度時(shí)，也可參照上述原則進(jìn)行處理。

2.4 細(xì)節(jié)信息的處理

在滿足前述要求的前提下，對(duì)構(gòu)件的一些幾何細(xì)節(jié)可以適當(dāng)放松要求，這將對(duì)于三維顯示效率有所幫助。

對(duì)于構(gòu)件非關(guān)鍵點(diǎn)位處的幾何信息，可以采取以直代曲、忽略內(nèi)部細(xì)節(jié)等方式進(jìn)行簡(jiǎn)化：對(duì)于一些矩形截面橋墩的倒角、伸縮縫的內(nèi)部構(gòu)造等可以忽略。

對(duì)于隱蔽區(qū)域，可適當(dāng)簡(jiǎn)化。如封入拱肋的錨頭、混凝土構(gòu)件中的鋼筋等。當(dāng)然，很多隱蔽區(qū)域的信息對(duì)于養(yǎng)護(hù)工作來(lái)說(shuō)也非常重要，信息模型的重點(diǎn)也在于管理那些可見(jiàn)物體背后的信息，此時(shí)，可以通過(guò)其他方法顯示，如，在構(gòu)件對(duì)象中加掛相應(yīng)的圖紙鏈接，通過(guò)查看相應(yīng)部位的圖紙來(lái)獲取相關(guān)資料。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前BIM技術(shù)在橋梁養(yǎng)護(hù)階段應(yīng)用較少的情況，該文討論了針對(duì)橋梁養(yǎng)護(hù)工作的構(gòu)件劃分和三維模型細(xì)度問(wèn)題，得到如下成果：（1）構(gòu)件劃分時(shí)考慮結(jié)構(gòu)功能、空間界限、施工次序和其他屬性區(qū)別，并結(jié)合具體橋梁形式給出了構(gòu)件劃分示例；（2）確定構(gòu)件的三維模型細(xì)度需滿足位置準(zhǔn)確、幾何界限清晰和較高的曲線精確度；同時(shí)討論了可忽略之細(xì)節(jié)的信息承載方法。

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