基于BIM技術(shù)的山區(qū)大跨徑懸索橋設(shè)計研究

向正松 郭玉龍 李金陽 秦春偉

(四川公路橋梁建設(shè)集團有限公司,成都 610041)

引言

2016年交通運輸部印發(fā)了《關(guān)于打造公路水運品質(zhì)工程的指導(dǎo)意見》，制定總目標(biāo)圍繞BIM技術(shù)發(fā)展和行業(yè)發(fā)展需要，有序推進公路水運工程BIM技術(shù)應(yīng)用，在條件成熟的領(lǐng)域和專業(yè)優(yōu)先應(yīng)用BIM技術(shù)，逐步實現(xiàn)BIM技術(shù)在公路水運工程中的廣泛應(yīng)用。交通運輸部指出了我國交通運輸行業(yè)在應(yīng)用BIM 過程中的探索方向，闡述了BIM 的基本原則和發(fā)展目標(biāo)[1]。

近年來BIM 技術(shù)在橋梁領(lǐng)域的應(yīng)用也在逐漸增多，比如夜郎河雙線特大橋、滬通長江大橋、湖北鄂東長江公路大橋、土坎烏江大橋、中心灘黃河大橋、北盤江特大橋等都已或正在運用BIM 技術(shù)服務(wù)于項目[2]。這些項目不同程度上應(yīng)用了BIM 技術(shù)，利用BIM 技術(shù)解決了不少工程中的難點和重點，為以后使用BIM 技術(shù)的工程提供了現(xiàn)實依據(jù)[3]。

根據(jù)交通運輸部有關(guān)要求，結(jié)合我司在公路行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和目標(biāo)，科學(xué)制定BIM技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，以項目示范試點、標(biāo)準(zhǔn)化、技術(shù)研究等為先導(dǎo)，在條件成熟的領(lǐng)域優(yōu)先應(yīng)用 BIM 技術(shù)，總結(jié)經(jīng)驗，統(tǒng)籌推進，逐步實現(xiàn) BIM 技術(shù)在我司公路工程廣泛應(yīng)用。赤水河大橋是四川路橋集團投建一體化示范項目，路橋集團以該項目為依托探索投建一體化項目BIM技術(shù)應(yīng)用新模式，尋找一條有效推廣BIM技術(shù)的路徑。

1 工程概況

赤水河大橋位于習(xí)水縣習(xí)酒鎮(zhèn)，橫跨川黔兩省界赤水河，連接貴州江習(xí)古高速與四川敘古高速，大橋全長2 009m，主橋設(shè)計為1 200m雙塔單跨鋼桁梁懸索橋，造價17億元，是江津經(jīng)習(xí)水至古藺高速公路重要控制性工程。大橋建成時是世界山區(qū)同類型橋梁中第一高塔、第二大跨的峽谷大橋。

圖1 總體布置圖(單位：cm)

赤水河大橋主橋長為(325m+1 200m+205m)，寬27m，主梁為板桁結(jié)合鋼桁梁，帶豎腹桿的華倫式桁架結(jié)構(gòu)。貴州岸引橋跨徑布置為2×30m+4×(4×40m)，四川岸引橋跨徑布置為3×33m，引橋?qū)?4.5m，兩岸引橋均為先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁。全橋共2根主纜，主纜采用預(yù)制平行高強鋼絲索股結(jié)構(gòu)(PPWS)，主纜緊圓后直徑737mm。主塔采用C50混凝土，貴州岸主塔高243.5m，四川岸主塔高228.5m。主塔均采用鉆孔樁基礎(chǔ)形式，貴州岸為重力錨碇，錨碇采用擴大基礎(chǔ)形式，四川岸為隧道錨碇，錨碇長度78.35m，總體布置見圖1所示。

赤水河大橋在同類型橋梁中具有示范意義，其工程特點突出，表現(xiàn)在橋位處地形地質(zhì)情況復(fù)雜，施工地勢險要，項目選線難度高，懸索橋結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜。

赤水河大橋是整個項目的控制性工程，對橋位的選擇關(guān)系到整個線路的走向。本橋段主要受控因素是兩岸的岔角灘煤礦采空區(qū)及壓礦影響，橋位選擇從穿越采空區(qū)及避繞采空區(qū)兩個思路擬定，其中Q、K、S為穿越貴州境采空區(qū)的方案，Y、X為穿越四川境采空區(qū)的方案，V線為避繞采空區(qū)的方案。

赤水河大橋位于不對稱的峽谷地形，貴州岸為緩坡地段，四川岸為陡崖，設(shè)計高程與地面高程之間的最大高差約為300m。根據(jù)工程地質(zhì)測繪勘察，赤水河特大橋橋位區(qū)主要有崩塌、危巖及巖溶等不良地質(zhì)。橋位四川岸地形陡峭，局部坡面最大坡度接近90°，平均坡度40°左右。主塔頂距赤水河面約450m，橋位正下方為車流量較大的縣道X013古習(xí)路，施工安全風(fēng)險大，且索塔設(shè)計直接關(guān)系到工程開挖防護的規(guī)模。

在結(jié)構(gòu)體系方面，懸索橋是目前跨越能力最大的一種橋型，主要由懸索、索塔、錨碇、吊桿、橋面系組成。懸索橋的錨碇屬于隱蔽工程，預(yù)留孔洞多而且定位復(fù)雜，同時錨碇內(nèi)部的鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼束、冷卻水管等構(gòu)件穿插交錯，極易產(chǎn)生“錯、漏、碰、缺”等問題[4]，一旦出錯可能造成后期返工甚至延長工期。此外，隧道錨是空間變化曲面，現(xiàn)場測量人員依據(jù)實際施工進度自行推算錨碇構(gòu)造截面空間曲面坐標(biāo)和眾多索股的空間坐標(biāo)，放樣效率低下，且易于出錯。其次，懸索橋鋼桁梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜、桿件多、螺栓多、節(jié)點散件多。最后，本橋索夾種類多、數(shù)量多，全橋索夾多達(dá)158個，且每個索夾耳板角度不一樣。

基于懸索橋設(shè)計過程中存在的困難，在設(shè)計過程中引入BIM技術(shù)，輔助工程師進行設(shè)計工作。

2 BIM實施路線

依托本項目探索投建一體化BIM應(yīng)用新模式，建設(shè)伊始應(yīng)用BIM技術(shù)的目標(biāo)是提高項目設(shè)計質(zhì)量，減少施工階段變更，提升溝通效率和設(shè)計施工效率，節(jié)約建設(shè)工期，從而節(jié)約投資，同時兼顧考慮特大橋建、管、養(yǎng)全生命周期的建設(shè)理念，發(fā)揮投建一體化的優(yōu)勢。具體應(yīng)用目標(biāo)主要有以下幾方面：

1)建立高精度BIM模型，進行設(shè)計深化應(yīng)用，解決懸索橋設(shè)計難點、痛點，提高設(shè)計質(zhì)量，同時為特大橋建設(shè)——運維提供模型載體。

2)探索二三維結(jié)合的出圖模式，保障設(shè)計意圖的高效傳達(dá)； 利用三維模型及其參數(shù)信息，自動生成所需要的圖紙及文檔。

3)研發(fā)項目管理平臺，打通各軟件廠商數(shù)據(jù)互通壁壘。二次開發(fā)建模插件及出圖插件，提高建模及出圖效率。

根據(jù)應(yīng)用目標(biāo)，制定項目實施方案，利用BIM技術(shù)輔助解決懸索橋重難點設(shè)計，實施路線如圖2所示。

圖2 實施流程圖

四川路橋勘察設(shè)計分公司BIM中心團隊聯(lián)合路橋集團各部門技術(shù)力量，以及中交公規(guī)院、北京跨世紀(jì)組成的設(shè)計團隊開展協(xié)同工作。四川路橋進行總體統(tǒng)籌管理，各專業(yè)在統(tǒng)一平臺上協(xié)同設(shè)計。為更好地將BIM技術(shù)應(yīng)用與赤水河大橋項目中，公司成立包含道路、橋梁、地質(zhì)、測繪、計算機等專業(yè)的專人BIM小組，將BIM小組統(tǒng)一納入赤水河大橋項目組管理，各專業(yè)設(shè)計人員負(fù)責(zé)相關(guān)專業(yè)模型的深化設(shè)計、版本管理、成果輸出管理等。

項目團隊依托本項目組織制定企業(yè)內(nèi)部《BIM協(xié)同設(shè)計管理體系》、《BIM建模標(biāo)準(zhǔn)》、《BIM信息模型應(yīng)用與編碼標(biāo)準(zhǔn)》三部標(biāo)準(zhǔn)。

在項目應(yīng)用過程中，為了滿足項目的實際需求，主要運用的Bentley和達(dá)索軟件，采用Bentley的Microstation、Powercivil、Prostructure建立線路、測繪、地質(zhì)、橋梁主體BIM模型，采用達(dá)索平臺建立懸索橋的纜索及索夾模型。

在公司技術(shù)中心及項目組等多方支持下，項目BIM團隊配備了高性能的工作站、服務(wù)器、VR設(shè)備等硬件環(huán)境。

3 BIM設(shè)計應(yīng)用

根據(jù)項目特點，采用Bentley、CATIA等軟件完成全橋建模工作，全橋模型精度為LOD300。通過軟件建立精確的橋梁模型實體，能夠根據(jù)模型進行構(gòu)件的加工制造，構(gòu)件信息包括幾何尺寸、材料類別、工程數(shù)量、構(gòu)件編碼等產(chǎn)品信息，模型信息量與施工圖設(shè)計完成時的CAD圖紙上的信息量保持一致。利用模型進行主橋復(fù)雜構(gòu)件的三維出圖與鋼結(jié)構(gòu)的加工制造，同時對主索鞍、散索鞍、索夾和鋼桁梁等鋼結(jié)構(gòu)做深化設(shè)計，能夠精確統(tǒng)計用鋼量。模型完成后將模型上傳至基于超圖開發(fā)的GIS平臺，進行BIM+GIS展示。

運用多旋翼無人機加上傾斜相機航拍項目現(xiàn)場，對項目場地做三維地形測繪，可視化采集橋位區(qū)地形地貌。無人機航拍的數(shù)據(jù)導(dǎo)入ContextCapture進行實景建模，建立場地的三維數(shù)字模型。采集和可視化現(xiàn)有場地條件，形成詳細(xì)、精確的三維數(shù)字模型。項目初步設(shè)計階段測繪精度為1： 2000，施工圖設(shè)計階段測繪精度為1： 500。利用這些數(shù)據(jù)輔助科學(xué)決策，加快方案設(shè)計流程。通過三維場地測繪，能夠解決現(xiàn)場險要地勢測繪困難及采樣點不足，加快方案設(shè)計效率和降低成本。

通過基于Microstaion自助研發(fā)的三維地質(zhì)模型生成模塊，基于地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)，快速生成場地范圍內(nèi)的地質(zhì)模型，如圖3所示。三維地質(zhì)模型展示復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)，如溶洞不良地質(zhì)、結(jié)構(gòu)物與管線關(guān)系、任意地質(zhì)剖面切割，二次利用可進行岸坡數(shù)值模擬計算、土石方量精確計算，如圖4所示。

圖3 三維地質(zhì)圖

圖4 四川岸數(shù)值模擬

另外赤水河大橋橋位選址是整個線路的控制性節(jié)點，本段線路考慮的控制因素較多，同時受控于岔角灘煤礦采空區(qū)及壓礦區(qū)影響。項目采用ORD生成Q、K、S、Y、X、V六條路線方案后導(dǎo)入GIS平臺，如圖5所示。GIS技術(shù)能夠直觀反映主線方案橋位處不良地質(zhì)和采空區(qū)的分布情況，運用三維可視化技術(shù)快速分析出路線節(jié)點工程如橋梁、隧道、高邊坡等三維數(shù)字場地，便捷查詢橋梁主要構(gòu)件位置處的地形地貌，輔助橋址選擇。結(jié)合三維傾斜攝影，對索塔、錨碇設(shè)置場地的施工難度和合理性進行分析，實現(xiàn)精細(xì)化設(shè)計。

赤水河大橋橋位處地勢陡峭，現(xiàn)場踏勘困難，為了縮短便道方案設(shè)計周期。借助于GIS三維可視化技術(shù)輔助便道方案比選，如圖6所示。GIS平臺快速統(tǒng)計工程數(shù)量，確定工程規(guī)模，縮短便道的設(shè)計周期。本次方案高效確定了隧道長度最短，造價最低的方案四作為實施方案。

圖5 主線方案

圖6 便道方案

同時三維數(shù)字場景直觀呈現(xiàn)橋位區(qū)地形地貌、構(gòu)造物空間位置關(guān)系，運用BIM技術(shù)快速、合理規(guī)劃場地大臨設(shè)施布置，如圖7所示，優(yōu)化施工組織。

BIM技術(shù)在深化設(shè)計方面也有其獨特的優(yōu)勢，如錨碇精細(xì)化設(shè)計、索夾設(shè)計、鋼梁設(shè)計等方面。

懸索橋錨碇混凝土斷面尺寸大、單次澆筑混凝土方量大、澆筑時間長，錨碇施工屬于大體積混凝土施工，如果分層澆筑時間較長，混凝土水分蒸發(fā)過快，導(dǎo)致混凝土收縮開裂。而傳統(tǒng)設(shè)計只提供分層原則，逐層數(shù)量統(tǒng)計困難。在建立錨碇時，按照構(gòu)件拆分原則將重力錨分為散索鞍支墩、支墩基礎(chǔ)、錨體后澆帶。建立錨碇模型，依照分層澆筑原則，錨碇分為15層，每層模型為一個對象，對象有幾何屬性和非幾何屬性，三維設(shè)計能夠高效統(tǒng)計逐層數(shù)量如圖8所示，優(yōu)化材料供應(yīng)，嚴(yán)控澆筑水化熱，提升澆筑質(zhì)量與品質(zhì)。

圖7 施工場地布置

圖8 錨碇分層和工程統(tǒng)量

錨碇系統(tǒng)精確定位是施工難點，傳統(tǒng)設(shè)計圖紙?zhí)峁┫鄬ψ鴺?biāo)、施工累計誤差大、放樣效率低。根據(jù)預(yù)應(yīng)力管道中心線定位錨碇拉索，確定各拉索的相對位置，錨碇模型根據(jù)道路中心線組裝后確定其坐標(biāo)。三維模型可精確輸出索股空間坐標(biāo)如圖9所示，解決二維設(shè)計索股定位困難，提升設(shè)計效率。同時，通過三維模型可動態(tài)查詢隧道錨曲面任意空間截面控制點坐標(biāo)，施工單位無需根據(jù)進度自行計算控制點坐標(biāo)，可直接導(dǎo)入全站儀進行現(xiàn)場放樣，隨時修正模板定位，提高放樣精度與效率。

另外，由于錨固系統(tǒng)的鋼絞線拉索、索股錨固件數(shù)量繁多且空間位置復(fù)雜。對錨碇模型按照“系統(tǒng)、構(gòu)件、零件”層級進行結(jié)構(gòu)拆分，通過BIM模型建立錨碇鋼筋三維模型，避免索股、冷卻水管、定位型鋼和鋼筋的空間碰撞如圖10所示，優(yōu)化索股角度和鋼筋布置，提高設(shè)計質(zhì)量。

錨碇排水是懸索橋中的一個難點，本項目利用BIM模型分析隧道錨與主線的空間位置關(guān)系，將錨碇的排水引入主線隧道排水系統(tǒng)中如圖11所示，創(chuàng)造性地解決了隧道錨永久排水問題。同時，BIM模型與三維場景的結(jié)合，提出重力錨利用地形設(shè)置引洞方案將錨碇內(nèi)明水排出地表，解決重力錨的排水難題，降低運維安全風(fēng)險，節(jié)約運維成本。

圖9 錨碇定位

圖10 錨碇索股精準(zhǔn)設(shè)計

圖11 錨碇排水

懸索橋索夾的精度要求高，索夾角度調(diào)整帶來的工作量大，計算工序繁多，且索夾的設(shè)計精度直接關(guān)系到運營期吊桿的受力和鋼桁梁結(jié)構(gòu)的耐久性，傳統(tǒng)設(shè)計手段難以保證索夾鑄造構(gòu)件的高精度要求。全橋索夾共有7鐘類型，索夾主要由上半索夾、下半索夾、耳板組成。索夾順橋間距與鋼桁梁節(jié)段距離相匹配，索夾高程為主纜理論標(biāo)記點高程，索夾中軸線與主纜定位點相切，因此索夾有豎向和橫向夾角。將索夾的角度設(shè)置為可變參數(shù)，使索夾尺寸與角度聯(lián)動，其構(gòu)造按一定規(guī)則適應(yīng)主纜線形變化，實現(xiàn)異形結(jié)構(gòu)可視化設(shè)計，解決懸索橋索夾設(shè)計痛點。

鋼桁梁板件多而空間小，操作難度相對較大，鋼桁梁幾乎所有弦桿都需要預(yù)拼裝，一旦桿件設(shè)計出錯導(dǎo)致桿件返工，嚴(yán)重耽誤施工工期。二維傳統(tǒng)設(shè)計無法進行鋼結(jié)構(gòu)的虛擬拼裝，同一個節(jié)點板的設(shè)計意圖需要多張圖紙結(jié)合表達(dá)，對參建單位人員專業(yè)技能要求高，否則會導(dǎo)致現(xiàn)場拼裝失敗。利用BIM技術(shù)參數(shù)化鋼桁梁設(shè)計，在模型中對鋼結(jié)構(gòu)進行虛擬拼裝，在設(shè)計階段消除鋼桁梁設(shè)計誤差，通過虛擬安裝，優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計更合理可靠，節(jié)約工程造價。鋼桁梁復(fù)雜節(jié)點采用“三維+二維”相結(jié)合的出圖方式，將三維模型圖和二維投影圖有機結(jié)合，設(shè)計意圖更加清晰直觀。三維設(shè)計模型與二維圖紙關(guān)聯(lián)，一方面可以確保圖模一致性，另一方面可以實現(xiàn)便捷的聯(lián)動批量修改，形成自動化的智能交互過程，大大節(jié)省了設(shè)計制圖時間，避免了調(diào)整帶來的重復(fù)工作量。并且采用三維+二維結(jié)合表達(dá)方式能夠減少圖紙張數(shù)，節(jié)約自然資源，更加環(huán)保。

BIM 最直觀的特點在于三維可視化，利用BIM 的三維技術(shù)在前期可以進行碰撞檢查，優(yōu)化工程設(shè)計，查找鋼桁梁吊裝工藝中潛在的碰撞，優(yōu)化施工方案組織，減少在懸索橋在施工階段可能存在的錯誤損失和返工的可能性，而且優(yōu)化桿件拼裝空間和泄水管排布方案。

4 BIM拓展應(yīng)用

自主開發(fā)項目管理平臺，以IFC數(shù)據(jù)格式為基礎(chǔ)，打通了傳統(tǒng)軟件間數(shù)據(jù)互通的技術(shù)壁壘，確保數(shù)據(jù)信息的高效流通。平臺具有BIM模型拆分、模型輕量化和統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式的功能，可根據(jù)相關(guān)編碼標(biāo)準(zhǔn)對構(gòu)件快速編碼，經(jīng)過平臺處理完成后的數(shù)據(jù)通過GIS端展示，管理平臺為項目的建設(shè)和運維提供基礎(chǔ)模型載體，平臺如圖12所示。

圖12 項目管理平臺

為提高建模效率和高效查詢相關(guān)模型信息，自主研發(fā)出圖插件、樁號查詢、批量坐標(biāo)輸出和快速打孔等工具，輔助本項目BIM技術(shù)的應(yīng)用。出圖插件能快速將三維模型轉(zhuǎn)換為二三維結(jié)合的圖紙，提高出圖效率； 查詢樁號工具方便建模人員隨時查閱、定位設(shè)計樁號。查詢坐標(biāo)工具方便建模人員批量查詢關(guān)鍵部位坐標(biāo)，校審圖紙，現(xiàn)場人員能夠快速查詢模型坐標(biāo)進行施工放樣、定位； 鋼桁梁快速打孔工具能批量打孔并生成螺栓、螺母構(gòu)件，輔助鋼結(jié)構(gòu)建模。

運用VR技術(shù)，將大橋竣工效果虛擬呈現(xiàn)，展現(xiàn)大橋整體設(shè)計景觀效果如圖13所示。同時，借助VR技術(shù)進行項目沉浸式漫游、可直觀查看鋼桁梁、索塔、錨碇和索鞍等復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計和空間位置的合理性。此外，通過仿真駕駛，檢驗公路停車視距，識別視距是否滿足要求，標(biāo)志標(biāo)牌設(shè)置是否合理、醒目等。

圖13 VR仿真分析

5 結(jié)論

BIM技術(shù)給工程建設(shè)帶來多維度可視化解決方案，對于大體量、投資高、周期長、參與方多的公路項目來說，BIM技術(shù)將眾多工程信息集成，通過信息化的方式實現(xiàn)可追溯、可繼承，改變了傳統(tǒng)的點對點信息傳遞模式，解決“信息孤島”的問題，貫徹了全生命周期的建設(shè)運維理念，為智慧公路打好基礎(chǔ)。針對公路工程民生屬性的要求，BIM技術(shù)的可視化、模擬性提供了直觀邊界的溝通方式，協(xié)助項目決策，通過BIM與新興技術(shù)的結(jié)合，為傳統(tǒng)建設(shè)難題提供了多樣化的解決方案。

具體表現(xiàn)為以下方面：

(1)在管理層面通過協(xié)同管理機制，建立一系列的BIM標(biāo)準(zhǔn)和制度，將信息化、移動化辦公技術(shù)融入項目設(shè)計流程中，采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)編碼和標(biāo)準(zhǔn)的項目交付，為投建一體項目后續(xù)施工、運維階段打下信息基礎(chǔ)，提升工程全壽命周期應(yīng)用價值。

(2)項目利用BIM三維技術(shù)，進行錨碇系統(tǒng)精細(xì)化設(shè)計，精確高效的坐標(biāo)輸出和碰撞處理方式，解決傳統(tǒng)二維設(shè)計難點和痛點； 依托BIM+GIS技術(shù)技術(shù)提出的錨碇永久排水方案，解決錨碇排水難題。通過BIM+GIS技術(shù)快速、科學(xué)合理地場地規(guī)劃，優(yōu)化場地布置，提高施工場地利用率，避免二次搬遷。

(3)通過VR技術(shù)進行復(fù)雜節(jié)點檢查，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，VR駕駛體驗不僅能呈現(xiàn)大橋整體景觀及視覺效果，還能檢查標(biāo)志標(biāo)牌設(shè)置是否合理，醒目等。

(4)通過精細(xì)化建模進行深化設(shè)計，共發(fā)現(xiàn)114處錯、漏、空、缺，提前發(fā)現(xiàn)項目設(shè)計中存在的問題，避免后期變更，節(jié)約成本。三維可視化交底突出隱蔽工程風(fēng)險點，規(guī)范施工流程，解決現(xiàn)場人員識圖慢、識圖難的問題，確保設(shè)計意圖的清晰傳遞。

本項目運用BIM技術(shù)解決山區(qū)大跨徑懸索橋設(shè)計中的難點問題，并提出相應(yīng)解決方案，收到良好的效果，對同類型項目具有較強的借鑒意義，具有一定的推廣應(yīng)用價值。