BIM技術(shù)在空間曲線變截面橋梁設(shè)計中的應(yīng)用

湖北省城建設(shè)計院股份有限公司，湖北 武漢 430051

BIM技術(shù)最早發(fā)展于歐美等國家，我國對BIM技術(shù)的了解和應(yīng)用起步較晚，現(xiàn)階段BIM技術(shù)在建筑行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但在橋梁工程中的技術(shù)表現(xiàn)還不成熟。許多學(xué)者已開始了對BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計中的研究，劉勇等[1]通過相關(guān)研究介紹了橋梁直線變截面的特點，以及Revit建模的優(yōu)缺點；蔣維剛[2]通過程序編寫，開發(fā)了橋梁的信息模型系統(tǒng)，通過工程實例測試了該系統(tǒng)的實用性。通過以上學(xué)者的研究分析可知，我國對于BIM在橋梁中的應(yīng)用技術(shù)還不完善，需要進(jìn)一步提高。

1 BIM技術(shù)的優(yōu)點

通過對比傳統(tǒng)設(shè)計方式與BIM技術(shù)的優(yōu)缺點可以得出BIM技術(shù)的五大優(yōu)點如下：（1）BIM技術(shù)的數(shù)字化使構(gòu)件在進(jìn)行修改時可通過調(diào)整參數(shù)進(jìn)行，信息對模型的描述由二維上升到三維的形式。除了結(jié)構(gòu)幾何特性的描述，還包括物理特性、材料特性等的描述[3-4]。（2）BIM技術(shù)可以應(yīng)用于橋梁建設(shè)的全壽命周期，主要階段包括設(shè)計階段和運營階段。在整個過程中可以實現(xiàn)隨時對模型材料屬性、物理特性等的修改，以及工程量的變動。（3）BIM技術(shù)可以通過對施工現(xiàn)場條件的模擬以及材料統(tǒng)計來進(jìn)行進(jìn)度控制和成本估算。（4）BIM技術(shù)在進(jìn)行變更時，能及時對信息進(jìn)行修改并保存，項目的各參與方可以實時掌握變更內(nèi)容和次數(shù)，使各方協(xié)調(diào)進(jìn)行工作。（5）BIM技術(shù)能夠完成信息共享，這種方式可以使設(shè)計的各項數(shù)據(jù)通過各個平臺展現(xiàn)出來，使決策速度和質(zhì)量得到提高[5-6]。

2 案例分析

2.1 工程概況

某箱梁橋梁全長637m，采用預(yù)應(yīng)力T構(gòu)箱梁，箱梁頂板存在1.5%的雙向橫坡。橋梁的樁號范圍為K8+080～K8+717，中心樁號為K8+318.5，橋梁下部結(jié)構(gòu)主要形式為群樁基礎(chǔ)。行車道的設(shè)計荷載為城市-A級，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面為2m人行道+8.5m行車道+2m人行道，安全等級采用一級，設(shè)計基準(zhǔn)期為100年，行車速度為30km/h。

2.2 方案設(shè)計

該項目在進(jìn)行方案設(shè)計時，利用BIM技術(shù)中的Civil 3D和Revit創(chuàng)建環(huán)境模型，主要信息應(yīng)包括地形條件、地理環(huán)境等。利用Civil 3D軟件將經(jīng)處理的等高線生成地形，并建立地質(zhì)模型，然后對模型中的地面坡度、地面高程等進(jìn)行分析。該地形可以導(dǎo)入Revit，生成數(shù)字三維地形。

通過Revit對橋臺、橋墩、主梁等創(chuàng)建族，然后將所有構(gòu)件（包括三維地形）載入同一項目文件下，根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)位置拼裝成橋，最終橋梁經(jīng)Lumion渲染后的效果如圖1所示。

圖1 橋梁效果圖

2.3 施工圖設(shè)計

施工圖設(shè)計的主要任務(wù)是給模型構(gòu)件進(jìn)行屬性定義，主要包括使用的材料、構(gòu)件的尺寸等，然后建立LOD300的模型。該模型具有以下特征：（1）橋梁的構(gòu)件歸于同一模型中，不僅有助于分析橋梁各個組件間的空間關(guān)系，還有助于發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，構(gòu)件之間的相互沖突也可以被檢測出來，能給設(shè)計審核與審圖帶來較大的方便。（2）該模型所有各類平、立、剖三視圖都對應(yīng)同一個模型，若發(fā)生設(shè)計變更，只需直接對模型進(jìn)行修改即可，所有相關(guān)視圖都會隨著模型的更改而自動更改，極大地提高了施工圖出圖效率。（3）模型有助于統(tǒng)計相應(yīng)的工程量，可根據(jù)定義材料的屬性和參數(shù)對工程量進(jìn)行自動計量，輸出構(gòu)件明細(xì)表。（4）LOD300模型還可制訂該項目的施工進(jìn)度計劃，對施工進(jìn)度進(jìn)行模擬分析，根據(jù)分析結(jié)果來制訂施工組織方案，起到指導(dǎo)施工的作用。

3 橋梁結(jié)構(gòu)計算

利用BIM技術(shù)進(jìn)行橋梁設(shè)計可提高設(shè)計的效率和質(zhì)量，改變設(shè)計方式，減少變更的次數(shù)和工作量。設(shè)計后應(yīng)對成橋后的剛度、強度、穩(wěn)定性進(jìn)行相關(guān)驗算，保證其滿足相關(guān)規(guī)范要求。

橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算時采用的永久荷載包括結(jié)構(gòu)自重（主梁自重和二期恒載）、預(yù)應(yīng)力鋼筋產(chǎn)生的荷載、混凝土自身的收縮徐變以及基礎(chǔ)變位（主墩0.02m、邊墩0.01m）。文章采用的混凝土和鋼筋的各項參數(shù)如表1、表2所示。

表1 混凝土參數(shù)

表2 預(yù)應(yīng)力鋼筋參數(shù)

橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算時采用的可變荷載包括溫度荷載、活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載。文章采用的橋梁組合設(shè)計如表3所示。

表3 橋梁荷載組合

3.1 上部結(jié)構(gòu)計算

利用有限元模型構(gòu)建結(jié)構(gòu)靜力圖分析成橋狀態(tài)的應(yīng)力，模型中的梁單元有242個、節(jié)點有317個、板單元有48個，計算結(jié)果表明，成橋狀態(tài)下主梁的最小壓應(yīng)力為2.39MPa，最大壓應(yīng)力為9.78MPa，且應(yīng)力分布較為均勻。

3.2 主梁抗裂驗算

通過對短期效應(yīng)組合下主梁正截面上、下緣應(yīng)力以及收縮徐變10年后短期效應(yīng)組合的最大拉應(yīng)力進(jìn)行計算可知，主梁截面下緣未出現(xiàn)拉應(yīng)力，上緣只有中墩對應(yīng)的截面出現(xiàn)了少許拉應(yīng)力，該部分構(gòu)件與橋墩剛性連接，桿系單元模擬該結(jié)構(gòu)較為保守。

通過對成橋和成橋10年后組合4下主梁斜截面砼的最大拉應(yīng)力進(jìn)行計算可知，該組合下，斜截面最大主拉應(yīng)力σtp為1.088MPa，該值小于混凝土軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值1.096MPa，因此該值滿足設(shè)計要求。

3.3 剛度驗算

由相關(guān)規(guī)范規(guī)定可知，汽車荷載下的撓度值應(yīng)小于220mm；由計算結(jié)果可知，構(gòu)件在活載下的撓度最大值為36mm。當(dāng)混凝土采用C40～C80時，撓度長期增長系數(shù)為1.35～1.45，C55的混凝土撓度長期增長系數(shù)為1.413，滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

（1）BIM技術(shù)可通過參數(shù)調(diào)整實現(xiàn)數(shù)字化，輸出信息的表達(dá)可由二維上升到三維。在進(jìn)行橋梁設(shè)計時，BIM技術(shù)可幫助提高工作效率，弱化專業(yè)間的銜接錯誤，減少設(shè)計變更，實現(xiàn)信息共享。（2）在進(jìn)行方案設(shè)計和施工圖設(shè)計時，可充分體現(xiàn)BIM技術(shù)的可視化，通過LOD300模型對橋梁的構(gòu)件進(jìn)行碰撞、工程量統(tǒng)計和進(jìn)度分析，結(jié)果表明原設(shè)計存在一定的不足。（3）對橋梁進(jìn)行有限元分析，通過驗算不同荷載組合下上部結(jié)構(gòu)、主梁抗裂性能以及剛度，結(jié)果均符合規(guī)范規(guī)定要求，基于BIM技術(shù)的橋梁設(shè)計力學(xué)性能符合規(guī)范要求。