BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計中的應(yīng)用

摘要：橋梁工程有助于提高我國經(jīng)濟發(fā)展，近年來，我國橋梁建設(shè)工程不斷增多，造型獨特、復雜的橋梁工程不斷呈現(xiàn)，于是增強了橋梁工程的建設(shè)的難度。橋梁設(shè)計屬于橋梁建設(shè)周期中的重要階段，也是其基礎(chǔ)階段，直接影響著橋梁的安全性和耐久性。BIM技術(shù)在建筑行業(yè)中應(yīng)用廣泛，其功能強大，將BIM技術(shù)應(yīng)用到橋梁設(shè)計中具有較好的實際效果。文章首先對BIM技術(shù)的優(yōu)勢進行分析，發(fā)現(xiàn)BIM技術(shù)有助于提高橋梁設(shè)計的效率和成本。然后再分析了BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計中的具體應(yīng)用，分別為快速參數(shù)化建模、橋梁模型計算、二維圖紙的輸出和工程量的統(tǒng)計。通過應(yīng)用BIM技術(shù)，橋梁設(shè)計將會更加便捷，能夠提高設(shè)計效果。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù);橋梁設(shè)計;應(yīng)用

中圖分類號：U442.5

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）06-0179-05

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展，大型橋梁的建設(shè)越來越多，比如港珠澳大橋、各種長江大橋等，這些橋梁的建設(shè)會非常復雜，因其跨度大和造型獨特，采用傳統(tǒng)的方式對其進行設(shè)計是相相當困難[1]。因為大型橋梁在設(shè)計過程中不僅要能滿足精細化和復雜化的構(gòu)件需求，還要能夠與地理環(huán)境相符合[2]。傳統(tǒng)的橋梁設(shè)計中主要使用二維圖紙進行呈現(xiàn)，對于相當復雜的橋梁來講，比如其存在彎曲扭轉(zhuǎn)形狀，采用二維平面圖是很難表達出其實際的效果，其構(gòu)件在空間上的位置也難以表述，總體來講傳統(tǒng)使用二維平面圖進行表達的方式不直觀、不精確，難以發(fā)現(xiàn)設(shè)計圖紙的實質(zhì)問題[3]。在旋工過程中就會存在很多問題，從而造成工程質(zhì)量出現(xiàn)問題。然而BIM技術(shù)隨之不斷發(fā)展，各種功能不斷強化，具有計算穩(wěn)定和精確的效果，將其運用到橋梁設(shè)計中能夠發(fā)揮重要作用，從而沒計出更加穩(wěn)定、安全的橋梁模型，能夠保障橋梁的穩(wěn)定陛和耐久性[4]。于是本文將研究BIM技術(shù)橋梁設(shè)計中應(yīng)用。

1 BIM技術(shù)的簡介

1.1 BIM技術(shù)的概念

BIM技術(shù)一共有3個分支，分別為建筑信息模型、建筑信息制作和建筑信息化管理[5]。所以BIM技術(shù)具有強大的功能，能夠在建筑行業(yè)中發(fā)揮重要作用，能夠?qū)ㄖ畔⑦M行收集，然后對重要信息進行利用和整合，能夠?qū)ㄖこ痰男畔⑦M行仿真，構(gòu)建三維建筑模型，使得建筑更加真實和具體，從而獲得更好的管理和檢測，提高建筑的建設(shè)質(zhì)量[6]。

1.2 BIM技術(shù)的優(yōu)勢

BIM技術(shù)在橋梁工程同樣發(fā)揮重要作用。在對橋梁進行設(shè)計的初期，設(shè)計人員通過使用BIM技術(shù)能夠提前發(fā)現(xiàn)橋梁工程中的缺陷，從而可以提前發(fā)現(xiàn)問題解決問題，可以降低施工成本，加快建設(shè)效率，還能夠減少資源的浪費。由于我國的地理原因，橋梁工程較多.設(shè)計人員在橋梁設(shè)計過程中，通過使用BIM技術(shù)，能夠設(shè)計出更好的橋梁工程模型，并對其進行不斷的優(yōu)化，保障了橋梁工程的建設(shè)質(zhì)量[7]。

隨著BIM技術(shù)的不斷發(fā)展，先進的BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計過程中能夠?qū)崿F(xiàn)可視化，該功能有助于設(shè)計人員對橋梁內(nèi)部構(gòu)造進行詳細了解，有利于在施工階段時的方案制定，從而大幅度減低建設(shè)周期，降低施工成本。另外，在橋梁設(shè)計中使用BIM技術(shù)，還能夠?qū)こ讨械母黜棾杀具M行判斷，并且控制成本，使之在保證質(zhì)量的情況下盡量使得成本最低。BIM技術(shù)的優(yōu)勢較多，通過其在橋梁中的應(yīng)用，可以總結(jié)出其優(yōu)勢主要有6個方面，如圖1所示。

2 BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計階段中的應(yīng)用

圖2為橋梁工程建設(shè)的整個過程，其中一共包含5個階段，其中設(shè)計階段是整個過程中基礎(chǔ)性關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是直接決定整個工程質(zhì)量和成本的關(guān)鍵，并且也是使用BIM技術(shù)最為廣泛的階段。

設(shè)計師在對橋梁進行設(shè)計時，不僅需要考慮到橋梁自身的質(zhì)量和成本，還需要考慮到橋梁是否具有實用性和外觀是否與周圍景觀保持一致，所以設(shè)計師在橋梁設(shè)計時會相當復雜，尤其是使用傳統(tǒng)的設(shè)計方式，通過使用CAD繪制二維圖紙，使用有限元軟件進行檢測，從而改進設(shè)計圖紙，并且改正的方式比較繁瑣。通過使用BIM技術(shù)之后，由于其具有可視化、可出圖性、參數(shù)化、優(yōu)化性和模擬行等特征，設(shè)計師不僅可以更加快速的建立完三維模型，還能夠?qū)Σ煌臉?gòu)件進行驗算，將出現(xiàn)問題的地方快速修改，另外還能夠根據(jù)三維模型進行二維平面的出圖[8]。所以，在橋梁設(shè)計階段，使用BIM技術(shù)不僅能夠加快設(shè)計速度，還有助于提高設(shè)計的質(zhì)量。于是文章將從以下4個方面分析BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計階段中的應(yīng)用。

2.1 快速參數(shù)化建模

在橋梁設(shè)計過程中，需要進行三維建模，通過使用BIM技術(shù)中的快速參數(shù)化建模能夠更加快速建成橋梁的三維模型。在使用該功能之前，需要根據(jù)橋梁局部參數(shù)化構(gòu)件還有其骨架線參數(shù)。在應(yīng)用BIM技術(shù)時，會使用“骨架”加上“模板”的方式建立橋梁的三維模型。對模型進行修改時采用的形式就是“搭積木”，對于三維模型中同一類的構(gòu)件，則可以進行創(chuàng)建一個通用模板，對構(gòu)件進行修改就只需要通過通用模板修改相關(guān)尺寸和屬性即可。圖3即為使用BIM技術(shù)的樁基礎(chǔ)鋼筋的參數(shù)化構(gòu)件，圖中左側(cè)即為菜單欄，在對樁基礎(chǔ)鋼筋進行修改時，需要根據(jù)相關(guān)參數(shù)在菜單欄中直接設(shè)置，該方式相比于傳統(tǒng)的調(diào)整方式更加快捷、簡單。

由于橋梁設(shè)計需要與地理位置相適應(yīng)，但是地理位置存在差異性，所以每座橋梁在局部構(gòu)件之間會會存在一定的差異性，所以就很難有一樣的局部參數(shù)化構(gòu)件。當局部構(gòu)件存在差異性時，設(shè)計師需要手動繪制橋梁構(gòu)件，使之能夠滿足參數(shù)化建模的要求。當前，為了能夠簡化設(shè)計過程，某些設(shè)計單位會設(shè)計一個參數(shù)化構(gòu)件存儲庫，能夠存儲大量的構(gòu)件，對于一般簡單橋梁的參數(shù)化構(gòu)件都能夠在存儲庫中找到，能夠完成簡單的橋梁三維建模。另外，有些橋梁相當復雜，某些構(gòu)建在存儲庫中找不到時需要已經(jīng)存在構(gòu)件進行修改之后再將其運用到橋梁設(shè)計中。

2.2 橋梁模型計算

在橋梁設(shè)計過程中，還要考慮到橋梁的整體穩(wěn)定性和強度是否符合規(guī)定等，還需要檢測構(gòu)件是否滿足要求。然而當前有限元分析軟件和BIM建模軟件之間還不能進行信息傳遞和互導，就不方便分析橋梁整體結(jié)構(gòu)，即使BIM技術(shù)中包含一些有限元分析功能，但是其功能在分析整體結(jié)構(gòu)時效果不是很好，與MidasCivil軟件相比，BIM中的有限元分析功能非常差，并且也缺乏橋梁相關(guān)的技術(shù)支持。

對于驗算橋梁的局部構(gòu)件，可以通過使用之前的橋梁三維模型和BIM技術(shù)中的有限元法分析軟件。比如，在橋梁設(shè)計過程中，首先會建立三維模型，然后對需要驗算的構(gòu)件使用切割功能進行局部切割，將切割構(gòu)件導人到CATIA軟件中的某個模塊，然后進行有限元分析。圖4即為通過使用BIM技術(shù)的有限元分析對橋梁局部構(gòu)件進行驗算的過程。

2.3 二維圖紙的輸出

當前，使用BIM技術(shù)設(shè)計橋梁工程已成為一種發(fā)展趨勢，但是我國在設(shè)計階段的交付過程中然是以二維平面圖為主，但是隨著橋梁造型的復雜性，使用二維平面圖不利橋梁的施工，另外當需要進行修改時，使用二維平面圖的修改過程會比較復雜，從而降低了工作效率。隨著BIM技術(shù)的不斷發(fā)展和跟新，在設(shè)計橋梁的三維模型之后，可以將其三維模型進行二維平面的出圖，從而能夠符合當前我國已二維平面圖為主的需求，當設(shè)計圖出現(xiàn)問題需要進行修改時，也可以直接通過BIM技術(shù)進行修改，將修改的結(jié)果可以進行二維平面的出圖，從而提高修改和設(shè)計效率。

隨著BIM技術(shù)的快速發(fā)展和橋梁工程設(shè)計要求的不斷提高，三維模型將會取代當前我國主要使用的二維平面圖進行施工。因為建設(shè)過程中橋梁屬于一個立體，二維平面圖只能了解其平面效果，通過使用三維模型，能夠給人更加具體的直觀感受，有利于施工過程中工人對構(gòu)件位置的準確掌握，并且當前我國已有相應(yīng)的成功案例，在特大橋的設(shè)計中使用BIM技術(shù)，使用三維模型進行施工，如渝黔鐵路新白沙沱長江特大橋，如圖5所示，還有北盤江特大橋，該橋?qū)儆诖罂缍然炷凉皹?，如圖6所示。

2.4 工程量的統(tǒng)計

在橋梁設(shè)計階段對其進行工程量計算，采用傳統(tǒng)的方式是經(jīng)過二維平面圖的點線面的計算，然后利用Excel表格或者人工手動的方式進行計算，采用這種方式對于比較規(guī)則的橋梁計算能夠保證其精確度，但是隨著橋梁復雜性不斷提高，其結(jié)構(gòu)并不規(guī)則，如圖7所示的異型鋼橋塔，如果還是采用傳統(tǒng)的計算方式不僅誤差較大，只能計算近似值，還會花費大量的精力和時間。如果需要對設(shè)計方案進行修改，那么之前計算好的相關(guān)工程量就得重新進行計算。所以采用傳統(tǒng)的計算方式將會浪費掉設(shè)計人員非常多的時間和精力，而且還不能得到橋梁工程的精確工程量。

使用BIM技術(shù)，可以改善傳統(tǒng)方式的所有缺陷。通過使用BIM技術(shù)建立橋梁三維模型之后，然后直接選擇橋梁構(gòu)件需要使用到的材料，BIM技術(shù)中有自動測量功能，能夠?qū)蛄旱墓こ塘窟M行準確測量，對于復雜的橋梁工程都可以較為迅速的計算，另外，相比于傳統(tǒng)的計算方式，此計算方式能夠提高計算的準確度，較大范圍的降低誤差，另外，還能夠節(jié)約設(shè)計人員的精力和時間。如圖8所示的橋梁空間異構(gòu)型橋塔，采用傳統(tǒng)的人工方式，是很難精確計算橋塔分段部分的用鋼量，只能將彎妞部分簡化成方便計算的形式，然后再對其進行計算，這樣得到的結(jié)果也只能是大概值，橋粱工程的整體工程量就會存在相當大的誤差，但是BIM技術(shù)中的CATIA軟件，可以對彎妞部分進行直接的精準測量，能夠?qū)蛄旱娜魏尾糠诌M行長度計算、面積計算和體積計算，能夠精確的測量出鋼筋用量。得到橋梁工程量的精準計算，為工程建設(shè)提供了強大的數(shù)據(jù)支持，還有助于工程質(zhì)量和成本的控制。

3 結(jié)語

綜上所述，BIM技術(shù)功能強大，將其運用于橋梁設(shè)計中能夠提高設(shè)計的效率和效果。通過使用三維建模，有利于橋梁結(jié)構(gòu)的直觀性，更有助于后期施工的質(zhì)量保障;通過使用快速參數(shù)化建模，能夠提高橋梁設(shè)計的建設(shè)效率;通過使用測量技術(shù)，能夠?qū)碗s橋梁進行工程量計算，并且計算快速、結(jié)果精確;通過使用二維圖紙的輸出，能夠滿足當前我國主要使用二維平面圖進行表達的方式，當設(shè)計存在問題時，還能夠簡化修改程序?？傊?，BIM技術(shù)應(yīng)用于橋梁設(shè)計中具有非常多的優(yōu)勢。今后，隨著BIM技術(shù)不斷優(yōu)化和強化，有助于提高橋梁設(shè)計的完美性，更有利于提高橋梁工程的質(zhì)量和安全性。

參考文獻

[1]蘇權(quán)科，謝紅兵.港珠澳大橋鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)綜述[J].中國公路學報，2016，29（12）：1-9.

[2]洪駿飛.BIM技術(shù)在大型橋梁工程項目管理中的應(yīng)用研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學，2016.

[3]王月華.三維可視化橋梁鉆孔樁基礎(chǔ)及蓋梁繪圖CAD系統(tǒng)的開發(fā)研究[D].南京：東南大學，2005.

[4]盧飛，任有峰，李永華，三維CATIA軟件在橋梁工程設(shè)計中的應(yīng)用[J].西北水電，2014（04）：100-103+110.

[5]張力元.BIM技術(shù)在工程項目施工階段成本控制的應(yīng)用與研究[D].長春：長春工程學院，2020.

[6]郝飛翔，基于BIM的項目設(shè)計階段進度協(xié)同管理應(yīng)用研究[D].濟南：山東大學，2019.

[7]徐文，楊萬里.BIM技術(shù)在裝配式橋梁工程中的作用研究與探討[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2020（03）：153-154+157.

[8]管斌君，詹小平，基于BIM技術(shù)的建筑設(shè)計教學實踐探討[J].寧波廣播電視大學學報，2016，14（04）：124-127.

作者簡介：劉懷亮（1986-），男，漢族，甘肅武威人，大學本科，中級工程師，研究方向：橋梁工程。