BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計階段的應(yīng)用研究

王江龍

(中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引 言

我國BIM技術(shù)起步晚，但崛起快，當(dāng)理論系統(tǒng)形成后快速應(yīng)用到各個行業(yè)中，加快我國數(shù)字化建設(shè)的腳步。BIM技術(shù)在橋梁建設(shè)中的應(yīng)用已經(jīng)滲透到各個方面，如橋梁設(shè)計，成本控制，施工優(yōu)化，耐久性評估等。所以我國很多學(xué)者不斷研究BIM技術(shù)理論，希望將該項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用。

1 BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計中優(yōu)缺點(diǎn)

1.1 BIM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

BIM是Building Information Modeling的縮寫，中文解釋為建筑信息模型?；贐IM技術(shù)的信息共享功能，可視化功能，各專業(yè)可共同工作的功能，使設(shè)計工作的效率和質(zhì)量有了明顯改善和大幅度提高。避免了專業(yè)之間的信息傳輸中斷，計算誤差，減少了設(shè)計變更的工作。增加了團(tuán)隊(duì)的工作效率。在橋梁設(shè)計工作中BIM技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)應(yīng)用有：(1)三維可視化，參數(shù)化的設(shè)計。(2)專業(yè)協(xié)同工作，信息資源共享，避免了專業(yè)之間的隔閡。(3)實(shí)現(xiàn)了工程量核算以及圖紙的校對。(4)基于BIM平臺，性能化分析較為系統(tǒng)。傳統(tǒng)方法進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)受力分析時只是依靠有限元軟件進(jìn)行模擬和數(shù)值分析，基于BIM平臺的受力分析有ansys，Midas，Abaqus等，通過與BIM軟件共享接口后使建立的模型可以直接在分析軟件中應(yīng)用。

1.2 BIM技術(shù)的不足

新技術(shù)的運(yùn)用，新產(chǎn)物的誕生都會有利有弊，BIM技術(shù)的發(fā)展是一個長期的持久的研究和改善的過程，目前我國的BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計中的研究還處于初級階段，在各方面還存在一定程度的不足，主要表現(xiàn)在以下方面：

(1)前期成本高：橋梁設(shè)計時不僅需要利用BIM技術(shù)，還需要利用BIM技術(shù)的人才，我國現(xiàn)階段對BIMer的培養(yǎng)程度還不夠，技術(shù)利用率較低，購買軟件以及后期升級等服務(wù)的費(fèi)用較高，綜合短期投資分析BIM技術(shù)的推廣有一定困難。

(2)模式轉(zhuǎn)變困難

傳統(tǒng)的橋梁設(shè)計方法已經(jīng)深入人心，對于設(shè)計流程和工作程序駕輕就熟。對于設(shè)計院而言BIM技術(shù)如果達(dá)不到客戶的滿意程度不僅影響設(shè)計進(jìn)度和效率還會影響設(shè)計院的經(jīng)濟(jì)效益。對于工作人員來說固有思維限制了BIM的理解和運(yùn)用，橋梁設(shè)計工作從二維向三維的過渡，從離散型設(shè)計向集成化轉(zhuǎn)化改變了工作的性質(zhì)，思維模式轉(zhuǎn)變存在局限性。

(3)BIM工作軟件的不成熟

BIM在橋梁設(shè)計中的應(yīng)用是參與整個項(xiàng)目的全壽命周期，在整個過程中專業(yè)之間的配合以及軟件之間的端口銜接都還不夠完善，需要進(jìn)一步調(diào)整和研發(fā)。族庫可以大大提高BIM建模的效率，但是目前的族庫還不能完全滿足橋梁設(shè)計時構(gòu)件的需要，尤其是異性結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，族庫很難實(shí)現(xiàn)物理參數(shù)，幾何尺寸，受力特性等互相匹配。

2 BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計中的應(yīng)用

橋梁設(shè)計一般包括三個階段：初步設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、施工圖設(shè)計。橋梁設(shè)計更注重的是橋梁的安全性和耐久性，所以橋梁在設(shè)計時工作任務(wù)重。修改和后期變更依據(jù)條件反復(fù)修改平面圖紙，調(diào)整模型進(jìn)行計算，這樣嚴(yán)重影響工作效率。而BIM工作方式是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過調(diào)整模型結(jié)構(gòu)即可完成設(shè)計中遇到的問題。在實(shí)際設(shè)計工作中BIM實(shí)現(xiàn)的程度和應(yīng)用如下所示。

2.1 快速建模

BIM的建模方式是通過族庫建立一些小構(gòu)建，然后將這些小構(gòu)建按結(jié)構(gòu)順序拼成整體結(jié)構(gòu)。模型建立過程中族的運(yùn)用是關(guān)鍵，同類或者相似構(gòu)建可以創(chuàng)建同一個族，并加入屬性如構(gòu)件的幾何尺寸，形狀，材質(zhì)等，運(yùn)用時可以對相應(yīng)的物理參數(shù)進(jìn)行修改即可完成模型的建立。

BIM的建模軟件revit與SU相比，添加了材料和構(gòu)件的各種屬性，將構(gòu)建進(jìn)行了參數(shù)化的設(shè)計，這樣revit在后期修改過程中只需要調(diào)整參數(shù)即可，大大降低了無效工作。

2.2 模型計算

橋梁受力分析時即要進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的分析也要對局部構(gòu)件進(jìn)行分析，所以在設(shè)計時對橋梁模型的計算難度很大，進(jìn)行整體分析時，主要依靠橋梁博士和邁達(dá)斯等進(jìn)行，對局部進(jìn)行分析時，主要使用的軟件有Ansys，Abaqus等。目前BIM平臺主要通過同一個端口將建模軟件和分析軟件結(jié)合應(yīng)用，但這種技術(shù)還不成熟，現(xiàn)階段的橋梁受力分析還是依靠單獨(dú)的軟件來完成。

2.3 工程量統(tǒng)計

工程量統(tǒng)計主要是通過圖紙和表格的數(shù)量人為進(jìn)行一一對應(yīng)，分類統(tǒng)計。二維圖紙對于工程量的統(tǒng)計最大缺點(diǎn)在于單位易混淆，量表和圖紙不對應(yīng)，構(gòu)件分類困難。造價員根據(jù)分類的圖表進(jìn)行進(jìn)行工程量的計算。以上過程數(shù)據(jù)在傳遞過程中出現(xiàn)的誤差和錯誤會影響整個工程量統(tǒng)計的過程，一旦進(jìn)行修改和調(diào)整，花費(fèi)的時間會很長。

BIM建立的模型通過帶有參數(shù)的局部結(jié)構(gòu)按橋梁的建設(shè)順序拼裝的，每一部分結(jié)構(gòu)都有自己的特定屬性，所以系統(tǒng)可通過結(jié)精確的計算出每部分的工程量。

3 案例分析

3.1 工程概況

本文依托于某地剛構(gòu)橋，利用BIM技術(shù)對該橋梁進(jìn)行設(shè)計，橋梁基本結(jié)構(gòu)如下：

(1)該橋的橋梁全長為345 m，主橋?yàn)槿缫宦?lián)的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，下部為矩形鋼筋混凝土墩體。

(2)橋梁上部結(jié)構(gòu)采用單箱單室變截面箱梁，中點(diǎn)支點(diǎn)處梁高8.0 m，主跨跨中梁高為4.0 m。箱梁頂寬10.0 m，底寬6.5 m，箱梁兩側(cè)懸臂板長度均為2.0 m，懸臂端部為60 cm厚。箱梁底板厚度40～150 cm，腹板厚度范圍在40 cm～60 cm。

(3)下部結(jié)構(gòu)墩體采用矩形鋼筋混凝土，承臺采用矩形混凝土結(jié)構(gòu)，尺寸為10×8.0×3.0 m。

3.2 方案設(shè)計

通過BIM的建模軟件revit對該橋梁進(jìn)行三維模型建立，通過調(diào)整梁高，截面等參數(shù)使結(jié)構(gòu)合理，滿足要求。然后利用Infraworks建立線位附近的三維地形，將revit已經(jīng)建立的橋梁模型導(dǎo)入，通過進(jìn)一步調(diào)整參數(shù)使橋梁適應(yīng)地形并滿足自身結(jié)構(gòu)要求，如孔徑跨度、通航能力、安全耐久性。該階段可將模型導(dǎo)入、Navis Works、Lumion內(nèi)渲染效果圖，如圖1所示。

圖1 橋梁效果圖

3.3 施工圖設(shè)計

施工圖設(shè)計與方案設(shè)計的不同主要在于施工圖設(shè)計的任務(wù)是為橋梁建立信息模型，將橋梁的控制截面族，墩臺族，地形圖，地質(zhì)條件數(shù)據(jù)加載到revit軟件當(dāng)中，并在按上文流程已編程好的Dynamo代碼的輸入端選取以上載入的數(shù)據(jù)源，即可初步生成本項(xiàng)目三維模型。

鋼筋設(shè)計時需要在在項(xiàng)目中加載對應(yīng)的族庫，根據(jù)設(shè)計要求和規(guī)范規(guī)定利用Dynamo批量放置鋼筋，通過自適應(yīng)族來放置預(yù)應(yīng)力鋼筋。

地質(zhì)模型的建立和修改根據(jù)地勘提供的資料進(jìn)行模型的更新，并結(jié)合規(guī)范規(guī)定以及地質(zhì)的實(shí)際條件來修改橋梁的下部結(jié)構(gòu)，如樁基，承臺的高程和位置等。地質(zhì)模型如圖2所示。

圖2 地質(zhì)模型

當(dāng)路線指標(biāo)發(fā)生變動或者線位進(jìn)行調(diào)整時，可通過數(shù)據(jù)來更新橋梁的設(shè)計中心線，然后保存現(xiàn)有數(shù)據(jù)將橋梁模型進(jìn)行更新。BIM技術(shù)的應(yīng)用使橋梁設(shè)計時遇到的修改和變更變得方便簡單，大大的提高了工作效率，節(jié)約了工作成本，這就是數(shù)字化，信息化對橋梁設(shè)計的幫助。

通過BIM技術(shù)在橋梁方案設(shè)計和施工圖設(shè)計階段的應(yīng)用可以看出，BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計的各個階段都有很好的表現(xiàn)，主要表現(xiàn)為精度高，效率高等。模型可根據(jù)項(xiàng)目的需要進(jìn)行刨面，得到任意角度的二維平面圖，還可以精確的統(tǒng)計工程量以及進(jìn)行模型計算。為項(xiàng)目的全壽命周期提供了有效的設(shè)計成果。

4 結(jié) 語

本文主要通過BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計工作中的優(yōu)缺點(diǎn)，以及現(xiàn)階段BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計中的應(yīng)用程度進(jìn)行分析研究，得到：BIM技術(shù)的數(shù)字化，程序化，信息化給橋梁的設(shè)計工作帶來了很多便捷之處，參與了整個項(xiàng)目的全壽命周期，縮短了設(shè)計時間，提高了工作效率，使橋梁設(shè)計更加完善和精準(zhǔn)。但是BIM技術(shù)現(xiàn)在還處于發(fā)展的初級階段，技術(shù)還不夠成熟，體制還不夠完善，需要對程序進(jìn)行二次開發(fā)才能使BIM在橋梁設(shè)計工作中發(fā)揮更有效地作用。