合川渠江景觀大橋BIM技術(shù)應(yīng)用

(林同棪國際工程咨詢中國有限公司，重慶 401121)

圖1 總體布置圖(單位：m)

1 工程概況

1.1 工程簡介

合川渠江景觀大橋位于重慶市合川區(qū)渠江口上游800m處，連接云門片區(qū)與釣魚城半島，滿足機動車、非機動車、行人等過江需求，是渠江綠道工程重要的過江通道[1]。結(jié)合通航要求以及兩岸的地形特點，大橋采用單主纜地錨式懸索橋，橋跨布置為130 m+400m+146m，主纜矢跨比為1/9，單幅橋面寬8.5m[2]。本橋總體布置圖見圖1，總體透視效果見圖2。

圖2 總體透視效果

1.2 工程特點及難點

相對于常規(guī)橋梁，本橋技術(shù)特點突出，如表1所示。主塔采用曲面造型三角形拱塔，主梁為分離式變寬鋼箱梁，纜索系統(tǒng)采用部分斜吊索的布置形式，南岸為重力式錨碇，北岸采用隧道式錨碇。為滿足設(shè)計需求，本項目設(shè)計初期就明確采用BIM技術(shù)進行全橋的設(shè)計。

表1 本橋工程特點

2 BIM應(yīng)用環(huán)境

2.1 R+GH+R橋梁協(xié)同設(shè)計平臺

本橋橋塔曲面造型獨特，主纜及主梁的空間定位復(fù)雜，因此BIM協(xié)同設(shè)計平臺應(yīng)具備曲面造型、幾何精確控制的能力。與此同時，本橋在設(shè)計過程中存在大量專業(yè)間的協(xié)調(diào)工作，應(yīng)考慮信息的傳遞性與軟件間的互通性。為此，提出“R+GH+R”的橋梁BIM協(xié)同設(shè)計平臺。該平臺集成了三維造型軟件Rhinoceros(以下簡稱Rhino)、參數(shù)化軟件Grasshopper(以下簡稱GH)及信息化集成平臺Revit三款主流軟件的優(yōu)勢，使其具備造型能力強、易開發(fā)、輕量化、參數(shù)化程度高且高效協(xié)同的綜合性優(yōu)勢。

在充分發(fā)揮“R+GH+R”中各軟件優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，制定BIM制模標(biāo)準(zhǔn)，進而開展橋梁專業(yè)定制化的二次開發(fā)，為橋梁BIM實施提供更為完備、高效的解決方案。如圖3所示，其協(xié)同工作思路為：

1)在方案設(shè)計階段，借助Rhino和GH進行橋梁方案的參數(shù)化調(diào)整和造型研究，可實時呈現(xiàn)方案效果便于溝通及抉擇，大幅提升橋梁方案設(shè)計的效率；

圖3 BIM協(xié)同工作流程示意圖

圖4 云計算處理

2)借助GH定義橋梁中心軸線的“基準(zhǔn)控制線”，用于精確定位墩臺、橋塔、主梁節(jié)段及錨碇等構(gòu)件；

3)基于參數(shù)化骨架模型，在Revit中整合各專業(yè)模型，并在此幾何模型的基礎(chǔ)上批量為構(gòu)件添加材質(zhì)、配筋率等非幾何信息，實現(xiàn)各專業(yè)的協(xié)同和信息共享。

2.2 軟硬件環(huán)境

該BIM平臺以美國Robert McNeel & Assoc開發(fā)的專業(yè)級3D造型軟件Rhinoceros為三維核心，結(jié)合自主二次開發(fā)的R-BRG、G-BRG的橋梁輔助設(shè)計系統(tǒng)，綜合應(yīng)用Revit、Vray、Lumion、Fuzor、Midas、Abaqus等軟件，實現(xiàn)各軟件之間的信息傳遞與模型交互，并依托BIM模型進行三維模型和二維圖紙的交互。

硬件方面采用了大內(nèi)存和高性能的圖形級工作站，配合高效、先進的云計算技術(shù)，能快速接入國外云計算超級計算機集群，實現(xiàn)智能聯(lián)機與云端渲染(參見圖4)，同時也能處理各類復(fù)雜計算情形，使得結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化成為可能，極大地提升設(shè)計效率。

3 BIM設(shè)計與分析

3.1 BIM模型構(gòu)建

在信息化設(shè)計初期，應(yīng)明確大橋的建模及拆分原則，本項目參照重慶市市政工程信息模型設(shè)計及交付標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定[3-4]，對BIM模型進行拆分并分類進行協(xié)同管理。設(shè)定大橋的建模原則及構(gòu)件編碼體系，如圖5所示，使各專業(yè)設(shè)計人員在統(tǒng)一原則下建模，以保證后期的快速合模。

圖5 構(gòu)件編碼體系

圖6 參數(shù)化族庫構(gòu)件

橋梁模型信息化處理流程：

1)基于參數(shù)化設(shè)計軟件GH，建立實時可調(diào)的橋梁骨架模型，據(jù)此搭建Rhino與Revit的交互平臺，可批量驅(qū)動族構(gòu)件；

2)對于常規(guī)構(gòu)件，通過建立企業(yè)級豐富可調(diào)的橋梁參數(shù)化常規(guī)構(gòu)件族庫，如圖6所示，批量賦予結(jié)構(gòu)參數(shù)完成建模；

3)對于異型結(jié)構(gòu)，應(yīng)用自適應(yīng)族，借助參數(shù)化手段賦予構(gòu)件幾何控制信息，可準(zhǔn)確地建立空間異形結(jié)構(gòu)；

4)基于參數(shù)化骨架模型，批量賦予構(gòu)件定位信息，按照下部上部及附屬的順序進行組拼，完成橋梁幾何模型的建立；

5)為構(gòu)件批量添加配筋率、材質(zhì)等非幾何信息；

6)在橋梁BIM模型中集成機電、管線、照明等多專業(yè)模型，實現(xiàn)各專業(yè)之間的協(xié)同工作，滿足BIM應(yīng)用需求。

3.2 BIM模型應(yīng)用

在前期方案階段，借助自主二次開發(fā)的R-BRG及G-BRG輔助設(shè)計工具，結(jié)合GIS地理信息數(shù)據(jù)快速搭建橋位場地及周邊環(huán)境的地形地貌模型，同時錄入項目的基本信息，便于信息管理； 借助參數(shù)化手段，可快速進行方案的迭代和優(yōu)化； 加上自適應(yīng)的智能渲染技術(shù)，設(shè)計人員能夠非常便捷的邊調(diào)整邊觀察，大幅提升前期的創(chuàng)作、研判及抉擇效率，如圖7所示。

圖7 實時渲染技術(shù)

BIM設(shè)計內(nèi)容作用圖示可視化設(shè)計橋塔形體復(fù)雜,單純的二維設(shè)計相對困難,可視化的設(shè)計可保證信息傳遞和圖紙表達的一致性。性能化設(shè)計可視化性能分析能夠在方案前期輔助評估場地的使用條件、歸納特點,以便進行項目的場地規(guī)劃、交通組織等重要決策。參數(shù)化出圖由于橋梁專業(yè)BIM技術(shù)應(yīng)用尚處于探索應(yīng)用階段,相關(guān)BIM質(zhì)量管理體系尚未完善,二維圖紙表達尚不可或缺,因此BIM模型的智能2D出圖能力,極大保證了設(shè)計效率和質(zhì)量。工程量統(tǒng)計模型的信息化是BIM的基本屬性,模型自帶信息能夠用于工程造價管理,同時也能夠快速對構(gòu)件庫中各類組件進行統(tǒng)計分析,相比人工統(tǒng)計,大幅提升了信息統(tǒng)計的精準(zhǔn)程度。計算交互基于二次開發(fā)和BIM模型,利用GH生成MCT文件,可快速交互橋梁結(jié)構(gòu)的三維桿系模型; 對于結(jié)構(gòu)應(yīng)力擾動區(qū),可快速將BIM三維幾何模型交互有限元計算分析軟件Abaqus,指導(dǎo)施工圖設(shè)計,做到結(jié)構(gòu)精細化設(shè)計。

在設(shè)計階段，設(shè)計人員可借助BIM模型輔助進行復(fù)雜節(jié)點的三維設(shè)計，并對復(fù)雜空間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以第一視角進行結(jié)構(gòu)合理性及操作空間可達性的檢查，以保障后期實施的可操作性。借助碰撞檢查的功能可避免結(jié)構(gòu)布置上的軟、硬碰撞問題。在BIM平臺內(nèi)完成工程量的統(tǒng)計，解決傳統(tǒng)二維設(shè)計中易出錯、難復(fù)核的難題。在結(jié)構(gòu)出圖方面，借助BIM模型可對復(fù)雜節(jié)點進行更為直觀的三維視圖表達，同時借助參數(shù)化設(shè)計手段可將BIM信息模型的三維成果批量轉(zhuǎn)換為二維圖紙，深度可達施工圖設(shè)計要求，該橋異型橋塔結(jié)構(gòu)的出圖率達到70%以上。

圖8 環(huán)境模擬與智能建模

圖9 BIM+VR應(yīng)用

在結(jié)構(gòu)計算方面，基于參數(shù)化骨架模型，以MCT命令流形式快速通過Midas軟件建立三維桿系有限元計算模型，可達一鍵運行計算并校核計算結(jié)果的效果[5]，并可快速進行結(jié)構(gòu)的迭代及優(yōu)化； 對于橋梁結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜的部位，BIM模型可直接交互實體有限元分析，進行力學(xué)仿真模擬。本工程的具體應(yīng)用詳見表2。

在設(shè)計審查階段，審查人員可基于BIM整合模型直觀地進行結(jié)構(gòu)的安全性和合理性審查，在平臺內(nèi)對出現(xiàn)問題的構(gòu)造進行批注，并將問題與構(gòu)件相掛接。審查批復(fù)的模型中批注的構(gòu)件均將以高亮的形式顯示，設(shè)計人員可快速地查閱有問題的構(gòu)造，并直接定位到問題構(gòu)件上，在平臺內(nèi)直接調(diào)用Revit信息模型，按照審查意見調(diào)整設(shè)計及信息模型，與此同時，調(diào)整后的模型將自動反饋到BIM平臺中，這樣審查工作將變得更加直觀高效。

4 BIM拓展應(yīng)用

4.1 專業(yè)化定制與二次開發(fā)

在項目設(shè)計過程中，基于“R+GH+R”協(xié)同平臺進行橋梁的定制化二次開發(fā)，涵蓋方案創(chuàng)作、前期設(shè)計分析和施工圖設(shè)計全過程，如圖8所示。

第一部分R-BRG是針對方案階段的二次開發(fā)，主要包含：

1)路面交通設(shè)施、城市及自然環(huán)境的智能集成化模擬，涵蓋車輛、人物、植被、建筑及交通標(biāo)識等各方面；

2)線型、色彩和圖層等建模環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)化，用戶可根據(jù)設(shè)計需求快速地切換和調(diào)整建模環(huán)境；

3)借助參數(shù)化隨機車輛和人群模塊，可快速地進行橋上行人、交通設(shè)施的隨機動態(tài)模擬；

4)橋面附屬設(shè)施的輕量化建模，并快速欄桿、護欄、立柱等形式的切換。模型和場景完成后，可實時查看方案效果。

第二部分G-BRG是針對橋梁設(shè)計階段的二次開發(fā)，主要包含橋梁主體結(jié)構(gòu)及下部結(jié)構(gòu)模型的快速搭建、橋梁各類族構(gòu)件參數(shù)化建模及批量出圖、借助參數(shù)化手段自動生成鋼筋圖紙，并與計算模型進行快速交互。最后形成一整套輕量化、標(biāo)準(zhǔn)化、自動化的三維設(shè)計流程。

4.2 VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實以信息技術(shù)為核心，在計算機數(shù)字化環(huán)境中建立一個多源信息融合和交互式的三維動態(tài)視景的仿真世界，用戶可從視覺、聽覺和觸覺等多方面感知途徑與虛擬世界的對象進行交互[6]。隨著計算機信息技術(shù)的發(fā)展，VR在橋梁中也得到了一定的應(yīng)用。本橋在設(shè)計過程中利用BIM+VR技術(shù)，一方面可幫助設(shè)計師更加準(zhǔn)確地把握項目中構(gòu)件的空間尺度； 另一方面能增強項目信息交互和傳遞時的直觀感受，VR體驗過程如圖9所示。

圖11 施工過程模擬

4.3 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)以BIM模型為基礎(chǔ)，運用快速成型的環(huán)境友好型聚乳酸(PLA)材料，借助逐層打印的方式來構(gòu)建形體[7]。因此，它具備復(fù)雜形體制作成本低、無須二次組裝、操作簡單、環(huán)保及模型精細度高等優(yōu)勢。

本項目結(jié)合3D打印技術(shù)進行橋塔造型的推敲和優(yōu)化，最終確定橋塔的造型方案，如圖10所示。為保證后期橋塔實施的便捷性，本項目在橋塔側(cè)面設(shè)計成單一曲率，可重復(fù)利用橋塔側(cè)模，節(jié)約橋塔的施工成本。

圖10 BIM+3D打印技術(shù)應(yīng)用

4.4 三維可視化技術(shù)交底

鑒于本橋施工過程的復(fù)雜性，為使參建各方更為直觀地把握項目建設(shè)全過程，借助BIM技術(shù)進行三維可視化的施工技術(shù)交底； 相對于傳統(tǒng)的二維交底，參建方能夠更加準(zhǔn)確地把握項目的關(guān)鍵施工工序； 同時，施工單位能夠在此模型的基礎(chǔ)上結(jié)合施工組織措施進一步細化施工步驟，服務(wù)于施工階段的BIM模型。本橋施工過程模擬如圖11所示。

5 總結(jié)

本文介紹了BIM技術(shù)在合川渠江景觀大橋設(shè)計階段的設(shè)計方法及應(yīng)用實踐，提出“R+GH+R”的橋梁設(shè)計協(xié)同平臺，該平臺具備造型能力強、易開發(fā)、輕量化、參數(shù)化程度高且高效協(xié)同等特點。在平臺內(nèi)進行橋梁定制化的二次開發(fā)，以實現(xiàn)不同軟件平臺間的信息交互，為橋梁BIM實施提供更為高效的解決方案。本項目首次嘗試在BIM信息平臺中直觀地進行設(shè)計過程的審查和批復(fù)工作，進一步發(fā)揮BIM的應(yīng)用價值。然而，如何將BIM設(shè)計階段的成果與施工和運維階段的BIM相結(jié)合，仍需進一步探究。希望本文能為橋梁設(shè)計領(lǐng)域的BIM應(yīng)用提供一種新思路。