基于BIM的三維參數(shù)化橋梁標(biāo)準(zhǔn)建模方法研究

孫建誠，蔣浩鵬，楊文偉，朱雙晗，王 坤

(1. 河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300400； 2. 河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，河北 石家莊 050000)

0 引 言

隨著建筑信息模型(building information modeling，BIM)在建筑領(lǐng)域中不斷開拓和應(yīng)用，在公路橋梁及水運(yùn)行業(yè)發(fā)展BIM技術(shù)已迫在眉睫。BIM技術(shù)以三維數(shù)字為基礎(chǔ)，不僅包括工程項(xiàng)目各種信息的數(shù)字化模型，同時也包括項(xiàng)目各階段與各參與方的信息共享[1]。隨著BIM技術(shù)的發(fā)展，某些橋梁建設(shè)項(xiàng)目中已經(jīng)應(yīng)用到了BIM技術(shù)，例如：張忻[2]通過對環(huán)線高架工作現(xiàn)狀進(jìn)行分析，以BIM建模為手段，引入GPS和GIS實(shí)現(xiàn)了道路橋梁設(shè)施管養(yǎng)的信息化。在橋梁病害處理方面，李成濤等[3]基于Revit軟件開發(fā)了WebGL的三維可視化軟件，完成了對橋梁裂縫和其他局部病害、構(gòu)件損傷程度的三維可視化展示，并實(shí)現(xiàn)了對圖文信息位置實(shí)時查詢，提高了橋梁后期養(yǎng)護(hù)的效率。

以上應(yīng)用中的工程數(shù)據(jù)文件交互十分困難，這就不僅要求各個軟件之間相互協(xié)同，同時模型數(shù)據(jù)信息和應(yīng)用更需要標(biāo)準(zhǔn)去規(guī)范操作并進(jìn)行明確界定。目前，BIM技術(shù)應(yīng)用于橋梁方面主要是結(jié)構(gòu)建模和碰撞檢查等方面，并不注重如何傳遞模型信息和減少信息丟失量等。

筆者立足于BIM特點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)，研究了BIM標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系，同時探索并構(gòu)建了基于BIM橋梁設(shè)計(jì)和施工管理標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)路線，利用IFC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了BIM橋梁設(shè)計(jì)具體思路，為三維BIM橋梁模型建立提供了理論依據(jù)和基礎(chǔ)。同時利用Revit軟件規(guī)范了三維橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式，最終得到了整體BIM模型，并通過深化設(shè)計(jì)得到了主梁工程數(shù)量表。研究結(jié)果表明：橋梁BIM模型方便了工程人員查閱構(gòu)件信息，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)路線可有效提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率，可減少重復(fù)設(shè)計(jì)工作量，相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段更加方便與準(zhǔn)確。

1 BIM概述

1.1 BIM特點(diǎn)

BIM技術(shù)是以三維動態(tài)顯示為基礎(chǔ)，包含了諸多信息的模型，其中包括項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維信息等。BIM技術(shù)具有可視化、協(xié)同性、模擬性、優(yōu)化性、出圖性等基本特點(diǎn)[4]。

可視化程度高代表了可更直觀使用整體模型，作為專注于三維設(shè)計(jì)橋梁模型的BridgeMaster、Midas與實(shí)際設(shè)計(jì)方案之間還存著相當(dāng)大差距，不僅包括構(gòu)件尺寸，其信息處理方面也不完美。目前橋梁形式多樣，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段已不能滿足工程人員需要，BIM通過技術(shù)和方式的提升真正實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)階段的“眼見為實(shí)”。不僅對外形結(jié)構(gòu)可以三維了解，對橋梁各構(gòu)件信息也可實(shí)時掌握，例如：使用混凝土體積、混凝土生產(chǎn)日期、使用鋼筋數(shù)量等。

協(xié)同性是BIM技術(shù)改變整個橋梁工程建設(shè)行業(yè)的關(guān)鍵[5-6]。對傳統(tǒng)橋梁設(shè)計(jì)方案而言，設(shè)計(jì)階段后期施工圖修改往往費(fèi)時費(fèi)力，但通過建筑信息模型可允許跨專業(yè)添加、傳遞、修改、保存結(jié)構(gòu)等信息，這就保持了原有模型信息的實(shí)時更新，改善了以往松散的管理體系，并利用數(shù)字模型將各方協(xié)同到同一平臺，這樣不僅減少信息流失和錯漏，也可在施工階段之前找到模型問題所在。

優(yōu)化模擬性是BIM技術(shù)最重要的組成部分[7]。BIM模型信息之所以能夠相互應(yīng)用和傳遞，是因?yàn)槠鋸?qiáng)大的三維模擬性，可通過gbXMI標(biāo)準(zhǔn)模擬光照時間和陽光位置，并進(jìn)行可持續(xù)設(shè)計(jì)。同時對施工進(jìn)度和施工組織方案也可規(guī)劃4D時間表，之后對于5D造價(jià)管理能準(zhǔn)確快速的計(jì)算出時間和經(jīng)濟(jì)成本，生成對應(yīng)的工程概預(yù)算，從而提高工程效率，縮短工期。

1.2 BIM標(biāo)準(zhǔn)

對于BIM標(biāo)準(zhǔn)，國際上將其分為3類：IFC、IDM、IFD。作為 BIM 技術(shù)主流數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)IFC(industry foundation class)提供了一個不依賴于任何具體信息管理系統(tǒng)、適合于計(jì)算機(jī)處理的建筑數(shù)據(jù)表示和交換標(biāo)準(zhǔn)[8]。而IDM(information delivery manual)標(biāo)準(zhǔn)即為信息交付手冊標(biāo)準(zhǔn)[9]。此外，IFD(international framework for dictionaries)為國際字典框架標(biāo)準(zhǔn)。這3種標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系如圖1。

圖1 BIM標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系Fig. 1 BIM standard relationship

其中：IFC作為最主要的BIM標(biāo)準(zhǔn)在建筑領(lǐng)域總共分為4個層面，分別為資源層、核心層、共享層和領(lǐng)域?qū)印蛄汗こ添?xiàng)目類型雖不同于公路工程，但其構(gòu)件類型相對較多，例如墩臺數(shù)據(jù)、上部梁板尺寸數(shù)據(jù)、護(hù)欄、標(biāo)線等都需要信息處理；而IFC標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)交換和兼容能力可極大程度解決橋梁構(gòu)件信息數(shù)據(jù)交換和共享問題，方便工程人員更直觀查看三維橋梁模型和橋梁構(gòu)件信息。

IDM描述的是項(xiàng)目指定時間和地點(diǎn)基于特定目的的信息集合，對于橋梁工程項(xiàng)目而言，例如施工開始時間和預(yù)估結(jié)束時間，施工地點(diǎn)精確位置等信息都可以通過IDM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制定。IDM旨在將IFC所定義橋梁構(gòu)件信息自動整理并標(biāo)準(zhǔn)化處理后交給領(lǐng)導(dǎo)層人員或工程項(xiàng)目人員使用，這樣不僅減少時間成本提高了效率，同時減少了傳遞過程中信息缺少、丟失的可能性。

IFD采用GUID(global unique identifier)的方式可進(jìn)一步降低全球語言差異帶來的編碼問題。IFC與IDM只是給技術(shù)人員提供了信息交互方式，但缺少信息編碼標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)過程中，國內(nèi)橋梁構(gòu)件的建造編號與國外可能大不一樣，在此利用IFD可保證國內(nèi)外工程數(shù)據(jù)互相共享，且構(gòu)件編碼統(tǒng)一方便工程的順利進(jìn)行。

2 基于BIM的技術(shù)模型

對于我國橋梁工程傳統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，可分為下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和交通附屬物設(shè)計(jì)。下部分為橋墩、橋臺、承臺、蓋梁等，上部分為支座、梁板、上部鋪裝層等。交通附屬物包括標(biāo)線、路燈等。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟簡練，符合工程人員設(shè)計(jì)思路和習(xí)慣，但往往設(shè)計(jì)過程之中會出現(xiàn)尺寸標(biāo)注錯誤、橋梁位置誤差、鋼筋數(shù)量計(jì)算等問題。

目前，我國已嘗試將BIM技術(shù)應(yīng)用到橋梁建設(shè)項(xiàng)目中，也已取得了相當(dāng)豐富的成果[10-12]，而目前正朝著交通與水運(yùn)行業(yè)發(fā)展。但BIM設(shè)計(jì)軟件類型較多，設(shè)計(jì)方式也不盡相同，這就導(dǎo)致了設(shè)計(jì)文件并不能統(tǒng)一和共享。且這些設(shè)計(jì)路線并沒有完全與BIM標(biāo)準(zhǔn)融合在一起，導(dǎo)致設(shè)計(jì)成果五花八門，進(jìn)而降低了效率、拖延了工期，故有必要在構(gòu)建橋梁設(shè)計(jì)路線中結(jié)合BIM標(biāo)準(zhǔn)。為此，筆者通過結(jié)合IFC標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域?qū)铀悸?，建立了基于BIM的橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)模型，如圖2。

圖2 BIM橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)模型Fig. 2 The technical model of BIM bridge standardization design

目前橋梁施工和運(yùn)營問題還是相當(dāng)嚴(yán)重，由于管理不當(dāng)或施工方案不合適等原因經(jīng)常會導(dǎo)致工期反復(fù)進(jìn)行進(jìn)而延誤工期。將IFC標(biāo)準(zhǔn)理念與施工組織相結(jié)合可有效提高工程信息傳遞效率，降低信息傳輸風(fēng)險(xiǎn)。BIM在橋梁施工時主要應(yīng)用包括：三維可視化施工、物料實(shí)時管理、施工圖及統(tǒng)計(jì)報(bào)表的輸出等。為此，筆者在BIM橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)路線的基礎(chǔ)之上繼續(xù)構(gòu)建了BIM橋梁施工管理標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)模型，如圖3。

圖3 BIM橋梁施工管理標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)模型Fig. 3 The technical model of BIM bridge standardizationconstruction and management

3 基于BIM的參數(shù)化橋梁模型建立

3.1 軟件選擇

BIM橋梁構(gòu)件模型較多且其種類、位置等都存在差異，故采用傳統(tǒng)BIM軟件并不能參數(shù)化建立模型，還可能產(chǎn)生較多錯誤和誤差。在建立BIM模型過程中，不僅要考慮可行的設(shè)計(jì)方案，同時要為各個構(gòu)件添加工程信息，在工程運(yùn)維階段中也要考慮后期的養(yǎng)護(hù)和車輛通行等問題。筆者通過綜合對比BIM軟件，選擇Autodesk公司系列軟件作為核心技術(shù)支持與主要設(shè)計(jì)手段。

Autodesk Civil 3D：主要應(yīng)用于公路或鐵路工程項(xiàng)目建模，其可建立三維地形圖，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行選線、平曲線、縱斷面及橫斷面等主體設(shè)計(jì)。

Autodesk Revit 2014：主要功能為結(jié)構(gòu)性建模，其可以通過拉伸、融合、放樣融合等功能對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，同時內(nèi)置的Dynamo插件對于異形結(jié)構(gòu)也可精細(xì)化建模。

Autodesk Navisworks 360：主要功能為橋梁結(jié)構(gòu)、公路及鐵路項(xiàng)目的深化設(shè)計(jì)，其可對工程的全生命周期進(jìn)行模擬，例如施工圖設(shè)計(jì)、概預(yù)算設(shè)計(jì)和三維施工模擬等。Autodesk Infraworks360：可將三維地形圖與三維路線、橋梁和交通附屬設(shè)施整合到一個文件中，且其信息處理功能非常強(qiáng)大。

3.2 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目為我國延崇高速公路赤城南互通式立交中紅河大橋建設(shè)工程。該大橋全長282 m，荷載等級為公路-Ⅰ級，橋面凈寬為16.5 m，全橋共3聯(lián)，分別為(4×25 m)+(4×25 m)+(3×25 m)。上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為第1、2聯(lián)采用預(yù)應(yīng)力砼小箱梁結(jié)構(gòu)，第3聯(lián)采用預(yù)應(yīng)力砼現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)。下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總共為10墩，橋臺采用肋板臺，橋臺采用柱式墩，墩臺采用樁基礎(chǔ)。

3.3 設(shè)計(jì)步驟

不同于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，為建模更方便和準(zhǔn)確，筆者采用由下部結(jié)構(gòu)向上設(shè)計(jì)，具體如下：

對下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程是先設(shè)計(jì)墩高、系梁，故而設(shè)計(jì)柱和蓋梁；對橋臺也可先設(shè)計(jì)墩、承臺、肋板，進(jìn)而設(shè)計(jì)蓋梁。

橋梁樁、承臺和蓋梁等構(gòu)件都是直接通過Revit軟件的“族”功能。首先在文件中設(shè)置好參照標(biāo)高線和參照平面，以方便繪制橋臺和橋墩平面尺寸，通過拉伸和融合操作創(chuàng)建出橋臺和橋墩三維實(shí)體模型，最終在模型基礎(chǔ)之上添加工程參數(shù)和材質(zhì)信息。

該橋梁整體造型設(shè)計(jì)并不復(fù)雜，但需注意的是箱梁高度會隨著高程的改變而改變，且三聯(lián)箱梁縱坡坡度也各不相同，故在上部結(jié)構(gòu)建模時需將三聯(lián)箱梁分開建模以保證兩邊橋臺位置更加精確。

對上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件具體設(shè)計(jì)時可先設(shè)計(jì)箱梁結(jié)構(gòu)，由于本項(xiàng)目為3聯(lián)，且分屬不同形式，故可分開設(shè)計(jì)，其后設(shè)計(jì)上部鋪裝層、護(hù)欄及標(biāo)線和其他交通附屬設(shè)施。

筆者以Revit 2014為主要設(shè)計(jì)軟件，其分為兩個設(shè)計(jì)文件：族文件與項(xiàng)目文件。在設(shè)計(jì)過程中，具體橋梁構(gòu)件會以族文件形式展現(xiàn)，將下部與上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后載入到項(xiàng)目文件中進(jìn)行拼裝，載入族文件的過程中需要注意單位變換，族文件和項(xiàng)目文件中的單位默認(rèn)為mm。

3.4 參數(shù)化建模

Revit是面向建筑結(jié)構(gòu)所制作的BIM軟件，其本身攜帶的構(gòu)件族庫較少，無法滿足橋梁建模需要。特別是墩臺構(gòu)件，由于墩臺數(shù)量較多，逐個建模定會效率低下，故筆者采用參數(shù)化建模方式對下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。在使用族庫創(chuàng)建下部結(jié)構(gòu)模型過程中，Revit可先將大橋平面圖以Cad格式導(dǎo)入，可在項(xiàng)目文件中按照橋墩、橋臺位置擺放即可，如圖4。

圖4 BIM下部結(jié)構(gòu)布置Fig. 4 BIM substructure layout

在族文件中建立上部結(jié)構(gòu)過程中，需考慮第2、3聯(lián)箱梁之間結(jié)構(gòu)形式的不同，且梁板縱坡分別為2.8%和2.95%。經(jīng)過與該大橋平面位置校核，構(gòu)建了預(yù)應(yīng)力砼小箱梁結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)，并將兩個結(jié)合進(jìn)行組合拼裝，如圖5。當(dāng)在族文件中分別對上部結(jié)構(gòu)和下部墩臺模型建立完成之后，可先導(dǎo)入護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)圖對左右護(hù)欄和中央分隔帶進(jìn)行建模，按照標(biāo)線標(biāo)準(zhǔn)圖將標(biāo)線位置導(dǎo)入到鋪裝層上，最后將族庫中所有模型文件整合到結(jié)構(gòu)項(xiàng)目文件中，但需要注意的是大橋兩側(cè)橋臺高程位置不容錯誤，在項(xiàng)目文件整合之中可先按照1、11號橋臺的高程位置設(shè)置結(jié)構(gòu)平面。整合之后的橋梁整體參數(shù)化模型如圖6。

圖5 現(xiàn)澆箱梁與預(yù)應(yīng)力砼小箱梁結(jié)構(gòu)對比Fig. 5 The comparison of cast-in-place box girder and prestressed concrete box girder structure

圖6 BIM參數(shù)化橋梁整體模型Fig. 6 Overall model of BIM parameterized bridge

3.5 深化設(shè)計(jì)及應(yīng)用

筆者在建模過程之中對橋面鋪裝和標(biāo)線信息進(jìn)行了附加，通過提取項(xiàng)目文件可了解到橋梁各個構(gòu)件信息。例如在“參數(shù)和材質(zhì)”對話框中添加橋面鋪裝層參數(shù)，材質(zhì)定義為瀝青，同樣標(biāo)線也添加了參數(shù)以方便查看，在墩臺設(shè)計(jì)和箱梁設(shè)計(jì)中選擇了將鋼筋附著到主體之中，更直觀表達(dá)了橋梁整體模型的結(jié)構(gòu)形式。

在工程量統(tǒng)計(jì)方面，筆者按照構(gòu)件數(shù)量利用Navisworks自定義了材料數(shù)據(jù)文件格式，并自動輸出不同格式的材料文件，更加提高了設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確率，同時方便了工程人員查看材料數(shù)量，如表1。在與路線對接方面，筆者利用Revit所建立的橋梁三維模型成功導(dǎo)出FBX格式文件，將其導(dǎo)入到Infraworks360之中與三維路線進(jìn)行對接，得到了集道路橋梁于一體的BIM模型。

表1 主梁部分預(yù)應(yīng)力材料及鋼筋數(shù)量Table 1 Partial prestressed material of girder and the number of reinforcing bars

4 結(jié) 語

隨著橋梁設(shè)計(jì)手段不斷革新，以BIM技術(shù)為主體的設(shè)計(jì)方式逐漸增多。其中BIM在國外應(yīng)用方式較為成熟，基本上形成了設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維集一體的管理模式；相對于我國而言，BIM技術(shù)僅還在發(fā)展階段。筆者以IFC標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了BIM橋梁設(shè)計(jì)及施工管理標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)路線，為三維模型建立提供了理論基礎(chǔ)，也為今后BIM技術(shù)在橋梁建設(shè)中應(yīng)用提供了一條可靠的技術(shù)路線。同時以河北延崇高速公路紅河大橋?yàn)槔晒IM應(yīng)用到了該橋梁設(shè)計(jì)當(dāng)中，證明了BIM技術(shù)優(yōu)勢所在，為BIM在我國橋梁設(shè)計(jì)中應(yīng)用積累了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

隨著橋梁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度以及BIM軟件的局限性，BIM橋梁設(shè)計(jì)及施工管理標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)路線需進(jìn)一步改善，且BIM技術(shù)的優(yōu)勢并未完全體現(xiàn)，例如出圖模式需更符合我國工程人員設(shè)計(jì)習(xí)慣等?？傮w而言，BIM技術(shù)能極大提高效率，降低工程時間和經(jīng)濟(jì)成本，提高橋梁建設(shè)項(xiàng)目管理和運(yùn)營水平。