技術(shù)創(chuàng)新讓天塹變通途

文｜本刊記者 汪莉莉

黨的十九大指出，經(jīng)過長期努力，中國特色的社會主義進入了新時代，這是我國發(fā)展新的歷史方位。建設(shè)交通強國，是以習(xí)近平同志為核心的黨中央對交通運輸工作的充分肯定和高度信任，也是對交通運輸工作的高度重視和殷切期盼。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，目前我國公路橋梁數(shù)量已超過80萬座，高鐵橋梁累積長度超過1萬公里。橋梁已成為中國建造的靚麗名片。

隨著重大交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷完善，大型、特大型橋梁工程項目越來越多，這對橋梁設(shè)計與施工提出了更高的要求。橋梁工程項目的建設(shè)不僅涉及到復(fù)雜的地理環(huán)境，而且涉及多項復(fù)雜工程。目前，大型橋梁工程項目的設(shè)計通常還是依靠傳統(tǒng)的二維圖紙，并通過合圖來分析設(shè)計中存在的問題和沖突。然而由于橋梁工程自身的特點，其設(shè)計復(fù)雜、構(gòu)件繁多，僅依靠傳統(tǒng)的二維圖紙很難提前檢測或發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題，這些設(shè)計沖突往往在施工階段才能發(fā)現(xiàn)，從而影響了項目的建造進度和成本。

探索橋梁項目BIM應(yīng)用路徑

BIM技術(shù)的出現(xiàn)，使橋梁施工設(shè)計從傳統(tǒng)的二維設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)槿S設(shè)計。使用基于BIM的軟件系統(tǒng)，在設(shè)計過程中可以隨時直觀地看到結(jié)構(gòu)的三維模型，這個三維模型不同于CAD中的三維模型，它包含結(jié)構(gòu)構(gòu)件名稱、生成方法、與構(gòu)件的邏輯關(guān)系等信息。

以嘉魚長江公路大橋項目為例，該項目位于湖北嘉魚縣境內(nèi)，路線起自洪湖市燕窩鎮(zhèn)團結(jié)村，接在建的武漢城市圈環(huán)線高速公路洪湖段，跨越長江后，止于嘉魚縣新街鎮(zhèn)，接在建的武漢城市圈環(huán)線高速公路咸寧西段，全長約4.7公里，大橋主跨920米，其中，跨越長江主橋長1.75公里，按雙向六車道高速公路標準建設(shè)，設(shè)計車速為100公里/小時，橋面寬度為33.5米，是目前世界上最大跨徑非對稱混合梁斜拉橋。2018年7月，嘉魚長江大橋南主塔成功封頂。

眾所周知，BIM技術(shù)的應(yīng)用前提是建模，模型的深度和方式?jīng)Q定了BIM能為項目帶來哪些價值。對于特大橋工程而言，建設(shè)過程中利用BIM技術(shù)將帶來巨大的工作量，而要達到施工要求的模型精度，對于人力和計算機硬件的要求也非常高。

湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司項目負責人陶辰亮表示，目前業(yè)內(nèi)大多數(shù)的橋梁工程項目在BIM應(yīng)用上選擇了先設(shè)計后建模的方式，整體模型的精度達到初步設(shè)計的要求，再根據(jù)項目的實際情況，選擇某些部分進行深入設(shè)計，這種方式會帶來大量的重復(fù)勞動。這種情況下，應(yīng)用BIM技術(shù)投入大，但是產(chǎn)出非常低，這種BIM應(yīng)用并不是湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院想要的。湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院希望應(yīng)用BIM技術(shù)實時有效解決工程技術(shù)問題，并真正體現(xiàn)BIM的實際應(yīng)用價值。

實際上， 對于橋梁工程而言，難以借鑒建筑領(lǐng)域成熟的BIM經(jīng)驗，需要探索一套基于橋梁項目思路的BIM流程、語言、規(guī)則、標準和配套工具。特別是特大橋橋梁BIM項目，面臨體量大、構(gòu)件雜等難題，在BIM應(yīng)用的第一步建模上就困難重重。對此，陶辰亮認為，橋梁工程項目BIM應(yīng)用需要找到一套提高橋梁BIM建模的方法，并著手形成一套BIM正向設(shè)計體系，在這個體系中建模效率是最重要的因素之一。通過在嘉魚長江公路大橋項目的BIM技術(shù)實踐以及對比驗證，湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院找到了一條高效的橋梁BIM設(shè)計方案，并建立了一套設(shè)計體系，不僅大幅提高了設(shè)計項目的設(shè)計精準和設(shè)計效果，還為施工建設(shè)過程當中提供了可靠的指導(dǎo)和優(yōu)化方案。

優(yōu)化設(shè)計方案

大型基礎(chǔ)設(shè)施項目從立項開始，歷經(jīng)規(guī)劃設(shè)計、施工、驗收、交付等諸多環(huán)節(jié)，在這漫長的過程中充滿了眾多不確定因素。應(yīng)用BIM技術(shù)對項目進行設(shè)計、建造和運營，將各種建筑信息集合成一個整體，并使項目相關(guān)方能夠協(xié)同合作，不僅能為整個建筑行業(yè)帶來巨大效益，同時也可以使設(shè)計、施工、運營項目全生命周期以及工程質(zhì)量和管理效率得到顯著提升。

針對嘉魚長江公路大橋項目，湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司制定了完整的BIM設(shè)計流程，利用相關(guān)BIM軟件及企業(yè)自有平臺，涉及規(guī)劃、設(shè)計、施工一條龍流程。同時還制定了完善的BIM設(shè)計標準，包括項目實施指引、成果交付標準等等。

在方案選取之初，由于行業(yè)主管部門對嘉魚大橋跨越航道的嚴格要求，項目方案始終不能確定，因此在航道深紅線進行分析對比，綜合分析了洪水期、中水期、枯水期的橋梁情況，從而得出橋梁的主跨必須在650米以上。同時，結(jié)合主跨必須在650米以上的要求，加上航道管理和經(jīng)濟性指標，項目團隊提出800米+200米的橋跨方案，雖滿足通航要求，但占用了較多的航道，并不是最佳方案。遂又提出了250米+800米+250米的方案，水域?qū)挾冗_到1300米，也滿足船型的通航要求，對航道的影響也較小，但是對上行船舶的航行安全影響較大。多番對比后，最后選擇了920米+330米的設(shè)計方案，既為通航安全留出了空間，又滿足了行業(yè)主管部門提出的通航要求。在這一過程中，BIM技術(shù)極大的提高了設(shè)計效率，通過BIM模型為具體的設(shè)計方案提供可視化演示，優(yōu)化設(shè)計方案，并將為后期實際施工現(xiàn)場的場地布置、人員配置，優(yōu)化施工組織設(shè)計。

項目團隊將設(shè)計模型導(dǎo)入到專業(yè)的橋梁分析軟件中，繼續(xù)細化設(shè)計模型。橋梁模型的搭建和圖紙繪制，表格編制完成則代表BIM模型搭建的初步完成。為了實現(xiàn)這個目標，項目團隊通過軟件的二次開發(fā)，將適用的軟件由建模軟件自動特定路線上進行組裝，組裝完成后即可得到橋梁的整體BIM模型。

在工程的施工圖設(shè)計流中，按照工程模塊考慮，完成工程施工圖的設(shè)計。項目中所有的施工圖、工程統(tǒng)計表都是包含在BIM工程通用模塊中，連同工程說明一同在內(nèi)?！艾F(xiàn)在看到的圖紙并不是實際項目的圖紙，而是通用的工程圖模板，一旦組裝好模型，這些圖紙就全部自動生成，這才是我們BIM正向設(shè)計的目標?！碧粘搅两忉尩馈?/p>

設(shè)計體系BIM模型不僅能夠?qū)С鍪┕D，還可以導(dǎo)入力學(xué)軟件中進行分析，并在分析過程當中得到相應(yīng)的應(yīng)用圖，包括對拉索的分析，對于模型的分段檢測分析等。一直以來，鋼筋和應(yīng)力鋼筋一直是橋梁工程的難題之一，往往造成大量的返工，通過BIM模型的搭建可以準確發(fā)現(xiàn)碰撞位置并進行優(yōu)化設(shè)計。在嘉魚長江公路大橋項目的BIM應(yīng)用過程當中，總共解決應(yīng)力鋼筋等重難點碰撞問題上千處。

實現(xiàn)BIM正向設(shè)計

嘉魚長江公路大橋項目的一大創(chuàng)新是橋梁主體結(jié)構(gòu)施工圖的BIM正向設(shè)計，此環(huán)節(jié)大幅提高了橋梁設(shè)計的效率，實現(xiàn)參數(shù)化、模塊化、結(jié)構(gòu)化。參數(shù)化設(shè)計是BIM設(shè)計的重要指標，BIM是建筑信息模型，其中包括幾何信息和非幾何信息，參數(shù)化設(shè)計是賦予模型幾何信息的必要途徑，參數(shù)化設(shè)計不僅賦予信息模型，同時參數(shù)化程度與建模效率的高低成正比。陶辰亮表示，本項目完整的參數(shù)化體系能夠真正實現(xiàn)關(guān)聯(lián)設(shè)計，在模型上找到橋墩和線路關(guān)聯(lián)，混凝土結(jié)構(gòu)與鋼筋相關(guān)聯(lián)，在項目中做到信息與模型關(guān)聯(lián)，模型與圖紙關(guān)聯(lián)，真正實現(xiàn)一處修改處處更新。

同時，嘉魚長江公路大橋項目還引進了制造業(yè)經(jīng)典的設(shè)計理念——模塊化設(shè)計，這一理念也與國家正在提倡的工業(yè)化裝配式非常契合。模塊化設(shè)計有零件組成部件，部件組裝成標準模塊，從而形成項目模型。打破了傳統(tǒng)BIM施工圖設(shè)計標注線性處理繁復(fù)的瓶頸，大幅簡化了施工圖出圖流程，并降低了工作量。項目團隊將橋梁設(shè)計分為若干組的超強參數(shù)化模塊，設(shè)計時僅需通過模塊參數(shù)化、工程測試表，即可自動生成模型。

嘉魚長江公路大橋項目規(guī)模龐大，構(gòu)件繁多，想要尋找某處細節(jié)模型無異于大海撈針。通過該項目的實施，湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院積累了大量設(shè)計模型庫，其中標準模塊庫76種，包括橋墩、橋塔以及主梁。橋梁BIM結(jié)構(gòu)化管理體系不僅解決模型使用性問題，還能通過控制，大幅優(yōu)化模型性能，減少對計算機硬件的要求。在這套BIM設(shè)計體系下，橋梁工程師不必花費很大代價去學(xué)習(xí)BIM軟件，只需要學(xué)會工作流程，通過短期培訓(xùn)就可以開展工作，大大提高工作效率，減少人員配置的要求，為工程師減負，從根本上優(yōu)化橋梁設(shè)計人員的分配和分工。此外，在構(gòu)件庫的管理方面，項目團隊進行了多層次管理，標準模塊可以靈活、迅速、精確進行變化，嚴格按照參數(shù)化、模塊化、結(jié)構(gòu)化的標準體系施工，從而確保相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗逐漸積累成企業(yè)資源。

橋梁工程項目BIM設(shè)計目前仍處于起步階段，湖北嘉魚長江公路大橋項目，前瞻性地提出了系統(tǒng)化的橋梁主體結(jié)構(gòu)正向設(shè)計原理和標準，在項目中開展了參數(shù)化和模塊化設(shè)計以及結(jié)構(gòu)化管理的具體實踐，不但取得了良好的效果，積累了有益的經(jīng)驗，同時也為BIM正向設(shè)計的發(fā)展做出了積極的表率。