超大跨度鋼桁架橋設計階段BIM技術應用實例

陳柳花

（上海公路橋梁（集團）有限公司，上海市 200433）

0 引言

近年來，BI M軟件作為一個新興技術，常被應用于隧道、綜合管廊、水力水電、房建等諸多領域。然而在橋梁領域，特別是大跨度鋼橋，由于BI M軟件中的橋梁模塊在國內(nèi)適用性不強以及設計過程中各專業(yè)人員存在協(xié)調(diào)困難等諸多原因，導致該軟件還無法針對鋼桁架橋開展正向設計，因此，BI M軟件在大跨度鋼橋的設計上，其深度應用較少，而現(xiàn)有的相關應用基本上都是施工圖設計的翻模工作，有別于真正的BI M應用。

本文將鋼結構行業(yè)應用成熟的T E K L A軟件應用于大跨度鋼桁架橋梁的設計階段。采用一個工程設計案例，介紹了T E K L A軟件在方案比選、參數(shù)化建模、構件自動算量、三維節(jié)點輔助自動出圖等方面的應用，為BI M技術應用于鋼桁架橋梁設計提供一個參考。

1 工程概況

1.1 項目概況

三官堂大橋位于浙江省寧波市，該大橋南起高新區(qū)江南路，北接鎮(zhèn)海中官西路，主橋全長785m，采用變高度連續(xù)鋼桁架橋，跨徑布置為160m、465m和160m，標準寬度45.9m，見圖1。主橋設非機動車道和人行道，主橋兩側通過引橋與地面道路連接，非機動車及行人采用主墩兩側的橋頭堡與地面溝通。

圖1 160 m+465 m+160 m連續(xù)鋼桁架橋

三官堂大橋主橋上部結構為三跨連續(xù)鋼桁梁，桁架采用變高桁，桁式采用“N”形桁橋，如圖2所示，主墩處橋面下設置V撐，橋面為正交異性板。全橋結構用鋼量約為29 400 t。

圖2 橋梁結構線形圖

1.2 項目應用背景

受設計單位委托，本項目嘗試利用BI M軟件進行大跨度橋梁的設計應用，以此來提高設計工程師畫圖和出圖效率，研究并探索BI M軟件在大跨度鋼橋上的設計應用點。

2 BIM總體策劃

本項目由一名資深BI M工程師與設計單位進行協(xié)同設計，過程中，BI M工程師建立直觀的三維模型，與設計人員就方案進行比選討論。方案確定后，進行施工圖階段的BI M模型整合和深化，并交付給施工單位。

本項目主體結構采用美國天寶公司的鋼結構詳圖設計軟件—T e k l a S t r u c t u re s進行建模工作，該軟件具備混凝土深化、參數(shù)化截面型材、自動算量、自動出圖等功能。環(huán)境模型選用歐特克公司的I N FRA W O R K S軟件，該軟件主要用于前期規(guī)劃的模型建立，具有快速建模、環(huán)境逼真、自帶地理信息等優(yōu)點。模型瀏覽討論采用T e k l a自帶的免費軟件—BI M si g h t，其具有輕量化、速度快、可制作小動畫等特點。機具設備的建模采用S k e t ch U p軟件。通過這些BI M軟件的協(xié)同使用，可完成本項目模型的建立、展示和工藝模擬。

3 初步設計階段的BIM應用

3.1 基于模型的橋梁方案比較

在初步設計階段，BI M軟件主要應用于比選橋梁的橋型和線型。通過三維模型，可對橋梁采用三片主桁或兩片主桁進行美學、工藝造型上的比選，見圖3。本項目最終確定采用三片主桁的橋梁方案。

圖3 不同橋梁結構形式的比選

本項目橋梁的節(jié)點結構形式繁多且復雜，每個節(jié)段的線型、角度、長度不一。BI M軟件的三維可視化功能有助于設計人員討論節(jié)點形式并確定最終方案。

3.2 合理施工方案的考察及施工空間邊界的確立

在設計的初期，對鋼桁架分塊吊裝的施工方案進行初步的模擬，見圖4。該施工模擬可給出施工所需的臨時征地范圍，并提前了解施工場地的占用以及對現(xiàn)狀重要基礎設施的影響，見圖5。

3.3 專業(yè)之間重大空間干涉的查找

初定的主橋模型建立后，可查找該橋梁與周邊加油站、未來規(guī)劃軌道交通車站、現(xiàn)有地下管線之間存在的多專業(yè)重大位置干涉問題，從而可提前在設計階段規(guī)避多專業(yè)干涉問題，見圖6和圖7。

圖4 施工方案初步模擬

圖5 現(xiàn)狀碼頭與新建橋梁的位置關系模擬

圖6 主橋與加油站位置關系

圖7 引橋樁位與地下管線位置關系

3.4 主橋上部結構初步復核圖紙工作量

初設階段的橋梁BI M模型建立后，可利用軟件自動提取清單功能計算出用鋼量。T e k l a軟件的鋼材重量分為凈重和毛重，凈重為鋼結構加工部件的實際重量，毛重為鋼結構加工部件所需的材料總重量。本項目采用毛重計量，提前估算橋梁的用鋼量，合理優(yōu)化結構。

4 施工圖設計階段的BIM應用

4.1 建立詳細的參數(shù)化BIM模型

利用BI M軟件對主橋的主桁、平聯(lián)及橫聯(lián)、橋面系、橋梁附屬（防撞護欄、橋面排水、橋面鋪裝、支座、人行欄桿等）、主墩基礎、邊墩蓋梁、立柱及基礎等進行詳細地建模。模型數(shù)據(jù)包括鋼材截面參數(shù)、鋼材型號、構件名稱、構件重量和體積等。在建模的過程中就將其信息錄入，便于后續(xù)快速查看修改。模型中可體現(xiàn)加勁肋、橫隔板、過焊孔、人孔、封頭板、主墩鋼筋等細部構造。模型深度達到類似房建專業(yè)《建筑工程設計信息模型交付標準》中L OD400建模精度要求，見圖8。

圖8 全橋精細化BIM模型

通過與負責主桁設計的工程師進行討論，對相同形式、長度不同、截面參數(shù)不同的標準節(jié)段上弦桿和下弦桿進行參數(shù)化開發(fā)。利用軟件的參數(shù)化組件功能，對弦桿的下頂板、腹板和加勁肋進行參數(shù)化設置，使得截面尺寸數(shù)據(jù)之間形成聯(lián)動，大大提高了建模效率，見圖9。同樣對相同形式、角度相同的標準化節(jié)點板進行參數(shù)化開發(fā)，使其角度和長度可以隨數(shù)值不同而變化，見圖10。

圖9 參數(shù)化弦桿展示

4.2 全專業(yè)的模型干涉檢查

（1）橋梁結構模型的干涉檢查。在橋梁深化建模過程中，共發(fā)現(xiàn)了近60處設計問題，包括兩個結構專業(yè)之間尺寸未統(tǒng)一、圖紙與數(shù)量表數(shù)據(jù)不統(tǒng)一、材料表統(tǒng)計遺漏、標注錯誤、材料表中構件尺寸有誤等各種小問題，也存在圖紙上同個節(jié)點的剖、立面二維圖不一致的大問題。通過及時與設計人員溝通后，這些問題在正式出圖前都被解決，大大減少了圖紙校對工作，并提高了圖紙的質(zhì)量。

圖10 參數(shù)化節(jié)點展示

（2）不同專業(yè)之間的模型干涉檢查。橋面系上有多處附屬結構，在二維平面圖上對路燈基座、防撞護欄基座、排水孔和人行欄桿立柱進行初步排布，隨后利用BI M軟件對這幾個附屬結構建立三維模型，該三維模型和橋梁結構整合后發(fā)現(xiàn)有一處路燈和主桁斜腹桿有沖突（見圖11）。通過BI M軟件，可給出路燈最佳擺放位置并反饋給電氣工程師進行圖紙修改。

圖11 路燈與主桁腹桿沖突布置

4.3 主橋上部結構精細化算量

三官堂大橋的上部結構為鋼桁架形式，基于詳細的橋梁結構模型，利用T e k l a軟件自動算量的功能，對橋梁結構 V1、V2、V3、X7、X14、X8、X13、S11、X5等多個復雜節(jié)點的用鋼量進行自動統(tǒng)計，如截面尺寸、重量、材質(zhì)、數(shù)量等，并形成匯總表與圖紙工程量進行比對復核，進一步提高了圖紙工程量的精確度。將本項目最復雜的節(jié)點V2進行自動算量與人工算量的數(shù)據(jù)比對，見圖12。該自動算量數(shù)據(jù)可導出成e x c el格式，并交付于設計人員進行校核。

圖12 軟件自動算量和CAD圖紙算量比對（單位：kg）

從圖12可知，軟件自動算量的數(shù)據(jù)為169 833.4k g，人工算量的數(shù)據(jù)為175 208.6 k g，兩者數(shù)據(jù)較接近。由于人工計算工程量時存在一定的人為誤差，而軟件計算的工程量是通過模型中的數(shù)據(jù)分析得到，數(shù)據(jù)更加準確且精度也更高。因此只要BI M模型準確，軟件可以計算更準確的用鋼量，且計算效率更高。

4.4 三維節(jié)點輔助自動出圖以及優(yōu)缺點

（1）自定義圖框

利用BI M軟件圖框編輯功能，可對出圖的圖框尺寸、平面圖和立面圖比例、平面圖和立面圖位置擺放、樣式、格式以及公司lo g o等進行自定義，調(diào)整到和現(xiàn)有圖框一致時，可保存在軟件中等待自動調(diào)用（見圖13）。

圖13 軟件自動出圖和CAD出圖的樣式比對

（2）三維自動出圖

軟件中編輯圖紙的界面和CA D界面相似，操作簡單。利用軟件三維出圖功能，對S11、X14、X8、X5等復雜節(jié)點處的構件進行自動出圖。調(diào)用前面定義好的圖框后，自動顯示出節(jié)點的平面圖、立面圖、剖面圖、局部詳圖、構件3D視圖，然后對標注樣式、虛實線表達、箭頭符號和方向、線條顏色、標注尺寸類型、文字樣式和大小、標注尺寸單位、標注線條的粗細、標注文字擺放位置、背景底色等進行編輯，調(diào)整成現(xiàn)有的風格。

（3）人工繪圖與軟件繪圖的比對

人工繪圖與軟件繪圖功能比對見表1。從表1可知，軟件自動繪圖基本能實現(xiàn)人工繪圖中的功能，同時軟件繪圖能自動出構件三維視圖，整體上使人更能理解圖紙。

軟件可對橋梁復雜節(jié)點進行出圖，軟件的剖切立面功能可在平面和立面圖中任意位置剖切，剖切線可以隨時調(diào)整，實現(xiàn)剖面圖和立面圖的聯(lián)動。軟件可以自定義剖切范圍，只要模型詳細準確，可以顯著減少出圖的工作量，且圖紙可清晰地展示橋梁復雜節(jié)點的內(nèi)部構造。同樣道理，局部大樣圖可以實現(xiàn)平面圖和大樣圖的聯(lián)動，節(jié)約出圖的時間。

圖紙完成后如有修改的部分，軟件的改圖可以產(chǎn)生聯(lián)動。例如，在平面圖上修改后，立面圖和剖面圖會自動進行修改，改圖更加方便和高效，且不易出錯。

但是軟件自動出圖后的標注工作依然繁多，由于標注樣式帶有強烈的個人風格和習慣，具有隨機性，因此沒法直接在軟件中自動標注，標注工作目前依然需要人工操作。

4.5 基于BIM模型的有限元性能分析

通過BI M軟件建立的橋梁三維模型，選取一個復雜節(jié)點V腿的部分，將其通過.o b g格式（見圖14）導入到ANSYS有限元分析軟件中，可得到一個無信息的三維幾何實體模型（見圖15）。隨后對該三維模型在有限元軟件中進行截面信息添加、網(wǎng)格劃分、支座約束后，進行力學分析。

5 BIM信息傳遞

在設計交底時，通過三官堂大橋模型的三維展示，可加強施工單位對設計圖紙的吸收和消化，同時也可將橋梁構件屬性信息通過BI M模型傳遞給施工單位。

6 應用總結

本文通過一個工程案例，系統(tǒng)地介紹了BI M技術在大跨度橋梁設計上的應用及其存在的優(yōu)缺點：

圖14 obg格式模型

圖15 Ansys網(wǎng)格劃分后的模型

（1）BI M技術輔助設計可減少不同專業(yè)設計工程師之間的位置干涉，減少修改，節(jié)約了設計周期。三維模型可提高出圖的準確性和質(zhì)量，顯著減少設計院的校對工作。

（2）完整準確的BI M模型可自動計算工程量，可用于校核人工計算的誤差。只是軟件的自動算量功能未考慮鋼結構加工廠所需構件材料的完整性，不能作為鋼構件生產(chǎn)的依據(jù)，但是可作為施工吊裝工藝的數(shù)據(jù)參考。

（3）初步探索了利用BI M模型直接生成平面圖的方法與關鍵點，只是由于圖紙中標注樣式的特殊性，日后需要在這方面作進一步的研究。

（4）BI M模型與力學分析軟件之間暫時只實現(xiàn)了模型導入功能，在力學分析軟件中利用BI M模型還需進一步的研究。

（5）本項目由一名熟練BI M工程師配合完成設計階段多項BI M應用。由此判斷，未來如果設計工程師直接建模并出圖的話，人員將大大節(jié)省且效率更高。

（6）在鋼橋這種特殊結構中，可以實現(xiàn)很多BI M正向設計以及多維度的應用，這得益于目前軟件本身的成熟度，也可看出BI M技術在橋梁設計上還存在很多潛力和價值。

表1 人工繪圖與軟件繪圖功能比對表