基于公路工程信息模型的斜拉橋設(shè)計(jì)應(yīng)用

劉 智 郝 龍 陳宏俊 房延博

(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

引言

公路工程信息模型(highway information modeling)是在公路工程全生命期內(nèi)，包含工程信息屬性的數(shù)字化模型載體[1,2]。目前，公路工程信息模型相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)指南正在陸續(xù)發(fā)布，這些新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在橋梁工程尤其是橋梁設(shè)計(jì)階段如何應(yīng)用來(lái)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，具體實(shí)施路徑、方法尚不統(tǒng)一，值得在實(shí)際項(xiàng)目中探索和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。斜拉橋橋型方案在工程中應(yīng)用越來(lái)越廣[3]，這種橋型所在路線的平縱線形相對(duì)簡(jiǎn)單，等寬而且墩臺(tái)一般都是正布，三維幾何建模及工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)難度適中，選擇斜拉橋橋型作為公路工程信息模型設(shè)計(jì)示范應(yīng)用有一定代表性。筆者以呼和浩特市大黑河橋?yàn)楸尘肮こ坛醪教剿髁嘶诠饭こ绦畔⒛Ｐ拖嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)在斜拉橋設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用路徑，從“斜拉橋信息模型”定義、優(yōu)化設(shè)計(jì)流程、按標(biāo)準(zhǔn)建模、輸出施工圖及建模分析軟件選用幾個(gè)方面給出了具體實(shí)現(xiàn)的方法。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

大黑河斜拉橋是內(nèi)蒙古和林格爾新區(qū)金盛快速路工程重點(diǎn)控制性工程，主橋采用2x135m跨徑組合的拱塔單塔雙索面斜拉橋方案，索塔為雙橢圓形異形四拱圈型索塔，塔高86m。拉索采用雙索面扇形布置，上部主梁采用鋼混組合梁，梁高3.184m(主梁中心線處)，其中邊主梁中心線處梁高3.0m，橋梁全寬29m。拉索采用平行鋼絲束，斜拉索梁上采用錨拉板錨固，群樁基礎(chǔ)，樁基為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

圖1 全橋效果圖

2 技術(shù)路徑

公路工程用斜拉橋設(shè)計(jì)一般分兩階段即初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)，本文探討的是大黑河橋施工圖設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用。傳統(tǒng)斜拉橋施工圖設(shè)計(jì)中主要工作內(nèi)容包括構(gòu)件尺寸擬定、結(jié)構(gòu)計(jì)算分析、編制設(shè)計(jì)文件(施工圖及計(jì)算書)，設(shè)計(jì)過程中不斷優(yōu)化本質(zhì)上是上述工作的重復(fù)。施工圖設(shè)計(jì)工作效率高低量化指標(biāo)一個(gè)是設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)短，另一個(gè)就是這種反復(fù)的次數(shù)。采用目前成熟的設(shè)計(jì)軟件工具已經(jīng)很難大幅提高設(shè)計(jì)效率。嘗試新技術(shù)應(yīng)用、優(yōu)化設(shè)計(jì)流程、對(duì)應(yīng)研發(fā)新軟件工具對(duì)設(shè)計(jì)工作效率進(jìn)一步提升有積極意義。

隨著公路工程信息模型為核心的BIM技術(shù)近年來(lái)在交通行業(yè)的應(yīng)用日漸增多，BIM技術(shù)在斜拉橋設(shè)計(jì)中也已有實(shí)際工程應(yīng)用[5-6]。從應(yīng)用結(jié)論描述可發(fā)現(xiàn)采用BIM技術(shù)對(duì)斜拉橋設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量有提升，但分析這些項(xiàng)目具體應(yīng)用路徑不難發(fā)現(xiàn)，基本上都是參照建筑信息模型相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，使用Revit、達(dá)索等軟件系統(tǒng)完成。無(wú)論標(biāo)準(zhǔn)還是專業(yè)軟件對(duì)公路工程項(xiàng)目中斜拉橋特點(diǎn)和針對(duì)性仍有提升空間。所以上述應(yīng)用路徑對(duì)本項(xiàng)目并不完全適用。

大黑河斜拉橋施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，恰逢行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》、《公路工程信息模型設(shè)計(jì)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》處于征求意見稿階段。研讀了上述兩部標(biāo)準(zhǔn)后，結(jié)合相關(guān)城市橋梁出版物《市政道路橋梁工程BIM技術(shù)》，筆者制定了符合大黑河橋特點(diǎn)的設(shè)計(jì)應(yīng)用路徑。概況描述整個(gè)路徑即：以“公路工程信息模型”相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為參考，確立“斜拉橋信息模型”在設(shè)計(jì)中的核心地位，優(yōu)化傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，編程實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，基于模型編制施工圖設(shè)計(jì)文件。技術(shù)路徑架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 大黑河橋技術(shù)路徑架構(gòu)圖

3 應(yīng)用要點(diǎn)

《公路工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》和《公路工程信息模型設(shè)計(jì)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》全程指導(dǎo)了大黑河橋設(shè)計(jì)，同時(shí)以這兩部標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)研發(fā)了參數(shù)化建模及模型信息分析軟件“BridgeBIM_CSB”系統(tǒng)來(lái)配合完成整個(gè)設(shè)計(jì)工作。

具體應(yīng)用要點(diǎn)列舉如下：

3.1 斜拉橋信息模型定義

基于標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合本設(shè)計(jì)項(xiàng)目情況，確立大黑河“斜拉橋信息模型”(以下簡(jiǎn)稱“模型”)在施工圖設(shè)計(jì)中具有核心地位。設(shè)計(jì)過程中創(chuàng)建、修改、完善“模型”是工作重點(diǎn)，施工圖設(shè)計(jì)文件編制嘗試基于“模型”完成。

圖3 《公路工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》

“模型”分三維幾何實(shí)體部分和實(shí)體上附加工程屬性信息兩部分工作，三維幾何實(shí)體部分采用編程實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，工程屬性信息附加部分采用編程實(shí)現(xiàn)幾何、非幾何數(shù)據(jù)和“模型”單元的關(guān)聯(lián)。

空間結(jié)構(gòu)指由基本構(gòu)件有組織組合的一種構(gòu)造物的層次結(jié)構(gòu)分解，為構(gòu)造物提供必要的分解結(jié)構(gòu)。按照標(biāo)準(zhǔn)中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分規(guī)定(2.05空間結(jié)構(gòu)、3.3模型體系、5.3.1鋼筋類、5.7.1“橋梁”實(shí)體在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中“IfcBridge”規(guī)定)，本橋梁的主要空間結(jié)構(gòu)單元命名原則和空間關(guān)系遵循圖4所示。

圖4 大黑河橋“斜拉橋信息模型”空間結(jié)構(gòu)分解示意圖

其中“IfcBridge”、“IfcBeam”、“IfcPile”、“IfcFooting”、“IfcColumn”、“IfcTendon”完全和標(biāo)準(zhǔn)定義同步，在研發(fā)的軟件系統(tǒng)中專業(yè)模塊劃分、數(shù)據(jù)庫(kù)表單名稱及C++類名稱定義中也保持對(duì)應(yīng)，確保了大黑河橋“斜拉橋信息模型”系統(tǒng)應(yīng)用的一致性。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

參考《市政道路橋梁工程BIM技術(shù)》相關(guān)章節(jié)內(nèi)容制定了圍繞大黑河橋“斜拉橋信息模型”展開的施工圖設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 全橋設(shè)計(jì)流程圖

整個(gè)流程在保持傳統(tǒng)設(shè)計(jì)習(xí)慣基礎(chǔ)上，嘗試融入大黑河橋“斜拉橋信息模型”的應(yīng)用，第一個(gè)環(huán)節(jié)整體規(guī)劃就是以“模型”定義為基礎(chǔ)； 第二環(huán)節(jié)“模型”建立投入了大量參數(shù)化建模人力和時(shí)間資源； 第三個(gè)環(huán)節(jié)“模型”組裝也是按照標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合平縱橫設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)完成； 第四個(gè)環(huán)節(jié)從“模型”導(dǎo)出到結(jié)構(gòu)分析軟件“Midas”和“Ansys”中進(jìn)行全橋和局部構(gòu)件驗(yàn)算提高了計(jì)算模型前處理效率； 第五個(gè)環(huán)節(jié)基于“模型”編制施工圖設(shè)計(jì)文件過程有別于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)。在大黑河橋整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，為尋求優(yōu)質(zhì)設(shè)計(jì)成果，上述流程中的環(huán)節(jié)也是需要循環(huán)往復(fù)的，但各環(huán)節(jié)間關(guān)聯(lián)一旦確立后，這種不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)變更過程明顯更高效和便捷。“模型”具有構(gòu)件劃分清晰、可視化、數(shù)據(jù)一致性強(qiáng)等特點(diǎn)，采用以“模型”為核心的設(shè)計(jì)流程利于開展協(xié)同設(shè)計(jì)。

3.3 斜拉橋信息模型建模

《公路工程信息模型設(shè)計(jì)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)建模規(guī)定的條款有“3.1.3設(shè)計(jì)期的公路工程信息模型在建立、應(yīng)用和交付中的坐標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)與項(xiàng)目地形圖坐標(biāo)系統(tǒng)一致，使用樁號(hào)定位”、“3.2.2公路工程信息模型宜選擇參數(shù)化的建模方法，對(duì)無(wú)法參數(shù)化的可使用非參數(shù)化的建模方法”和“3.2.6模型中構(gòu)件插入的基準(zhǔn)點(diǎn)宜是(0，0，0)點(diǎn)或者特征點(diǎn)”等。

大黑河橋“斜拉橋信息模型”三維幾何實(shí)體建模時(shí)綜合考慮并努力踐行了上述要求，對(duì)構(gòu)件分別進(jìn)行了參數(shù)化建模，然后整體組裝得到全橋模型，確保三維坐標(biāo)系統(tǒng)與項(xiàng)目地形圖坐標(biāo)系統(tǒng)一致。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)這些規(guī)定切實(shí)帶來(lái)了設(shè)計(jì)工作的便利。在設(shè)計(jì)前期可以按構(gòu)件分工協(xié)同設(shè)計(jì)； 中期設(shè)計(jì)優(yōu)化調(diào)整構(gòu)件后方便靈活替換； 在設(shè)計(jì)階段后期基于“模型”編制施工圖設(shè)計(jì)文件，坐標(biāo)等幾何尺寸數(shù)據(jù)唯一可以直接從模型上采集，三視圖幾何投影關(guān)系固定，變更快捷而且圖紙?jiān)倬庉嫻ぷ髁啃　?/p>

全橋三維幾何設(shè)計(jì)模型坐標(biāo)系保持和項(xiàng)目地形資料一致如圖6所示，幾何模型與地形、地質(zhì)資料疊加后在設(shè)計(jì)中利于可視化化溝通和校核。

圖6 全橋三維幾何設(shè)計(jì)模型和地形地質(zhì)資料疊加圖

標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的“宜選擇參數(shù)化的建模方法”，筆者認(rèn)為只是屬于技術(shù)路線約定，并沒有指定選用具體軟件產(chǎn)品。調(diào)研發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)目前專門針對(duì)公路斜拉橋開發(fā)的參數(shù)化建模軟件基本沒有，國(guó)外知名軟件廠商提供的解決方案如“Bentley”系列產(chǎn)品、“Autodesk”系列產(chǎn)品、“達(dá)索”系列產(chǎn)品均屬于相對(duì)通用的軟件，雖然各自底層平臺(tái)有參數(shù)化建模功能，但是針對(duì)公路斜拉橋應(yīng)用需要進(jìn)行專業(yè)二次開發(fā)工作才能一定程度上滿足需要。

參考其它三維幾何實(shí)體參數(shù)化建模方法及研究成果[7，8]，聚焦參數(shù)化建模核心技術(shù)，同時(shí)兼顧主流平臺(tái)兼容性和可移植性，本項(xiàng)目中采用自主研發(fā)方法，其中構(gòu)件參數(shù)化建模部分，主要利用ObjectARX技術(shù)完成，測(cè)試環(huán)境為AutoCAD軟件。

3.4 斜拉橋信息模型使用

《公路工程信息模型設(shè)計(jì)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)模型應(yīng)用的規(guī)定在第4章節(jié)，細(xì)分為“一般規(guī)定”、“應(yīng)用流程”和“基本應(yīng)用”三個(gè)部分。

其中“4.2.2選擇合適的模型深度等級(jí)，模型深度等級(jí)可參考但不局限于本標(biāo)準(zhǔn)第五章模型交付的規(guī)定”指明了實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中靈活把握模型深度等級(jí)，筆者認(rèn)為這里的靈活把握原則應(yīng)該是整體模型深度等級(jí)是底限，局部構(gòu)件根據(jù)設(shè)計(jì)需要可以加深模型深度后應(yīng)用。

圖8 索塔鋼箱節(jié)段CAD和CAE模型圖示

比如大黑河橋“斜拉橋信息模型”全橋基本深度等級(jí)雖然采用LOD3.0級(jí)，但是因?yàn)楸緲蜃陨淼奶厥庑?主塔采用鋼箱截面且內(nèi)部包含橫隔板及加勁肋，主塔上設(shè)置鋼錨箱、上部主梁采用鋼混組合梁等)，局部構(gòu)件和屬性深度都是超過LOD3.0級(jí)的。比如主塔、上部鋼主梁、鋼錨箱、錨拉板構(gòu)件建模時(shí)均包含了細(xì)部橫隔板和加筋肋，深度級(jí)別基本上達(dá)到了LOD3.5甚至LOD4.0級(jí)。

圖7 施工圖設(shè)計(jì)圖紙節(jié)選

“4.3.5其它公路工程信息模型應(yīng)用：”中第一條就是“二維圖紙輸出和工程量統(tǒng)計(jì)復(fù)核?！边@一條的具體應(yīng)用也是本項(xiàng)目的關(guān)鍵點(diǎn)，下面將以實(shí)踐過程中具體應(yīng)用列舉。

(1)大黑河橋“斜拉橋信息模型”三維幾何實(shí)體到二維三視圖應(yīng)用

無(wú)論從畫法幾何原理還是從《道路工程制圖標(biāo)準(zhǔn)》看，橋梁工程中三維幾何實(shí)體和施工圖設(shè)計(jì)文件中立面、平面、斷面二維三視圖之間其實(shí)并不矛盾，完全可以從三維幾何實(shí)體剖切后添加標(biāo)注和各種材料數(shù)量表和附注得到二維設(shè)計(jì)圖紙。AutoCAD軟件“三維建?！惫ぷ骺臻g下對(duì)三維實(shí)體的編輯功能也越來(lái)越完善，基本能滿足大部分設(shè)計(jì)需求。本項(xiàng)目大黑河橋“斜拉橋信息模型”三維幾何實(shí)體是利用“ObjectARX”技術(shù)在AutoCAD軟件中完成的精確建模，無(wú)論使用創(chuàng)建好的三維幾何實(shí)體得到可視化溝通用的三視圖中間成果，還是由三維幾何實(shí)體生成二維施工圖都是很容易實(shí)現(xiàn)的。另外，本次斜拉橋施工圖設(shè)計(jì)圖紙中，使用了大量三維“鳥瞰圖”也是在二維三視圖的基礎(chǔ)上增強(qiáng)了表達(dá)能力，提升了設(shè)計(jì)文件質(zhì)量。

(2)大黑河橋“斜拉橋信息模型”三維幾何實(shí)體到CAE結(jié)構(gòu)分析軟件模型應(yīng)用

“CAD幾何模型”和“CAE計(jì)算模型”信息共享是橋梁工程設(shè)計(jì)的痛點(diǎn)和難點(diǎn)。橋梁設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)計(jì)算分析工作極其重要，計(jì)算分析的結(jié)果決定了主要構(gòu)件尺寸，對(duì)于結(jié)構(gòu)處于高次超靜定狀態(tài)的斜拉橋還常常是控制性的工作[9]。實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程與計(jì)算過程的模型數(shù)據(jù)共享對(duì)提高設(shè)計(jì)效率有重要作用。

本斜拉橋主塔為雙橢圓形異形四拱圈鋼箱截面索塔，內(nèi)部設(shè)置橫隔板及加勁肋，塔上設(shè)置鋼錨箱，構(gòu)造復(fù)雜，需要做很多針對(duì)性的局部結(jié)構(gòu)分析計(jì)算。局部分析主要采用“Ansys”軟件完成，以往設(shè)計(jì)中通常做法是工程師利用“Ansys”軟件已有功能完成前處理建模然后進(jìn)行計(jì)算分析。本項(xiàng)目中工程師在AutoCAD中建好鋼索塔三維幾何模型后，通過“Ansys”軟件“Geometry”導(dǎo)入功能快速創(chuàng)建計(jì)算模型，然后加載計(jì)算分析，這樣就簡(jiǎn)化了前處理建模工作。

(3)大黑河橋“斜拉橋信息模型”三維幾何實(shí)體數(shù)據(jù)提取應(yīng)用

經(jīng)過計(jì)算優(yōu)化確定尺寸之后的設(shè)計(jì)“模型”，除了可以得到二維施工圖外，還有數(shù)據(jù)信息傳遞和共享這一重要應(yīng)用價(jià)值。僅聚焦于設(shè)計(jì)階段，“模型”的三維幾何實(shí)體由于是基于項(xiàng)目坐標(biāo)系的精確建模成果，可以直接提取到很多有價(jià)值的數(shù)據(jù)用來(lái)編制施工圖設(shè)計(jì)文件。比如可以直接從基樁實(shí)體獲取基樁坐標(biāo)值； 可以直接從主塔幾何實(shí)體獲取到每個(gè)節(jié)段的軸線坐標(biāo)、材料及數(shù)量，甚至每個(gè)節(jié)段的每個(gè)隔板、加筋肋的定位坐標(biāo)； 還有單側(cè)索面9根拉索兩側(cè)鋼錨梁和錨拉板構(gòu)件也很有代表性，每個(gè)構(gòu)件構(gòu)造相同，幾何位置夾角造成了每個(gè)構(gòu)件大樣參數(shù)及材料數(shù)量不同，直接基于設(shè)計(jì)“模型”的三維幾何實(shí)體提取數(shù)據(jù)計(jì)算生成參數(shù)表和材料數(shù)量表高效而準(zhǔn)確。

施工圖設(shè)計(jì)文件中沒有體現(xiàn)的數(shù)據(jù)，后續(xù)還可以持續(xù)挖掘使用。比如設(shè)計(jì)代表可以基于設(shè)計(jì)“模型”為施工階段提供施工監(jiān)控校核用高程、坐標(biāo)等現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)服務(wù)，在運(yùn)營(yíng)階段持續(xù)提供健康監(jiān)測(cè)、加固維護(hù)等應(yīng)用。

3.5 自主研發(fā)軟件系統(tǒng)

目前橋梁工程BIM應(yīng)用大多依賴Revit、Catia、Bentley、Tekla等軟件產(chǎn)品完成[10]，這些國(guó)外軟件還沒有按照中國(guó)“公路工程信息模型”相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)深入定制開發(fā)符合中國(guó)公路橋梁工程特點(diǎn)的產(chǎn)品，應(yīng)用深度還受限于這些軟件的價(jià)格及必須聯(lián)網(wǎng)等功能。面對(duì)本項(xiàng)目橋梁設(shè)計(jì)方案就屬于創(chuàng)新的應(yīng)用需求，期待尋找到即滿足標(biāo)準(zhǔn)又成熟的軟件產(chǎn)品難度太大。

項(xiàng)目實(shí)施中同步自主研發(fā)了“BridgeBIM_CSB”系統(tǒng)輔助全橋施工圖設(shè)計(jì)，系統(tǒng)以“Visual Studio 2015”為開發(fā)工具，以C++為主要開發(fā)語(yǔ)言，程序運(yùn)行速度快效率高。當(dāng)前版本主要定制開發(fā)了參數(shù)化建模及模型信息分析兩個(gè)關(guān)鍵模塊。另外還嘗試探索了其它BIM主流設(shè)計(jì)軟件Bentley的OpenRoads Designer間接口的開發(fā)。實(shí)踐表明，自研系統(tǒng)及時(shí)解決了施工圖設(shè)計(jì)中問題，起到了輔助設(shè)計(jì)作用。程序主界面如圖9所示。

圖9 BridgeBIM_CSB程序主界面

系統(tǒng)分底層數(shù)據(jù)、核心建模及分析、可視化顯示三層架構(gòu)。研發(fā)采用數(shù)據(jù)文件結(jié)合SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)形式組織管理各種數(shù)據(jù)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖10所示。

圖10 BridgeBIM_CSB系統(tǒng)架構(gòu)圖

4 結(jié)論及展望

BIM技術(shù)在交通行業(yè)的工程應(yīng)用已經(jīng)是大勢(shì)所趨，“公路工程信息模型”系列標(biāo)準(zhǔn)值得相關(guān)工程技術(shù)人員關(guān)注和重視，深入學(xué)習(xí)相關(guān)條款規(guī)定并在工作中運(yùn)用好需要共同實(shí)踐探索。本文嘗試探索了“公路工程信息模型”相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在斜拉橋設(shè)計(jì)中的應(yīng)用路徑及具體實(shí)施要點(diǎn)，為斜拉橋工程設(shè)計(jì)提供了一種新思路和經(jīng)驗(yàn)供參考借鑒。

(1)“模型”的參數(shù)化建模及工程屬性數(shù)據(jù)分析可以采用自主研發(fā)方式完成，核心技術(shù)可控，以后持續(xù)開展相關(guān)工作可擴(kuò)展應(yīng)用至其它類型的橋梁工程。

(2)“模型”可視化特點(diǎn)利于開展協(xié)同設(shè)計(jì)時(shí)團(tuán)隊(duì)成員間溝通交流，后期可基于“模型”繼續(xù)開展“VR、AR”感知效果更好的技術(shù)交底等應(yīng)用。

(3)以“模型”為核心采用本文的設(shè)計(jì)流程可以有效的開展協(xié)同設(shè)計(jì)，保證施工圖設(shè)計(jì)質(zhì)量同時(shí)提高設(shè)計(jì)效率。

(4)在整個(gè)公路工程施工圖設(shè)計(jì)項(xiàng)目全部采用BIM技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景中，如何很好地融入本文探討的“斜拉橋信息模型”應(yīng)用成果需要繼續(xù)實(shí)踐探索。