BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

張泉

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092]

0 引言

1975年，喬治亞理工大學(xué)Chuck Eastman教授在其研究課題《Building Description System》中提出“acomputer-baseddescriptionofabuilding”理念，以期通過實(shí)現(xiàn)可視化和量化分析來提高工程建設(shè)中的工作效率。該理論即為BIM概念的理論雛形，Chuck Eastman教授也被大家稱為“BIM之父”[1]。

2002年，Autodesk公司發(fā)布《BIM白皮書》，以Revit為代表的一批應(yīng)用軟件發(fā)布，標(biāo)志著BIM真正由理論落實(shí)到工程實(shí)踐當(dāng)中。

1 BIM概述

建筑信息模型（Building Information Modeling），簡寫為BIM，指通過創(chuàng)建并利用具備全方位建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字化信息的模型，對(duì)建設(shè)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)維及拆除的全生命周期進(jìn)行優(yōu)化和管理的過程、方法和技術(shù)[2]。

利用數(shù)字化技術(shù)，建立虛擬的建筑三維模型，模型中包含完整的、與實(shí)際情況一致的建筑工程信息庫，包含幾何信息、專業(yè)屬性、狀態(tài)信息及非構(gòu)件對(duì)象（如空間、運(yùn)動(dòng)行為）的狀態(tài)信息等[3]。

BIM模型大大提高了建筑工程信息集成化程度，具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性的特點(diǎn)[6]。

2 BIM模型剖析

BIM模型的核心是“信息”，信息在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中以數(shù)據(jù)的形式存在。

BIM模型中的數(shù)據(jù)應(yīng)該是結(jié)構(gòu)化且動(dòng)態(tài)的。結(jié)構(gòu)化是動(dòng)態(tài)的基礎(chǔ)，只有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)間互聯(lián)互通，才能實(shí)現(xiàn)模型的動(dòng)態(tài)調(diào)整，在局部調(diào)整后依然保證項(xiàng)目整體的完整且協(xié)調(diào)[4]。

BIM模型的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，二者構(gòu)成BIM模型的底層。數(shù)據(jù)由工程人員根據(jù)工程項(xiàng)目實(shí)際輸入，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要由BIM軟件確定。BIM模型的可視化、協(xié)同分析、輸出圖紙等功能均是在此基礎(chǔ)上的應(yīng)用，這些應(yīng)用構(gòu)成BIM模型的上層，其相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 BIM模型內(nèi)部關(guān)系

BIM模型中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下三個(gè)原則：

（1）數(shù)據(jù)間相互關(guān)聯(lián)

應(yīng)將有物理聯(lián)系的數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)，最大限度反映結(jié)構(gòu)各部分相互關(guān)系，當(dāng)局部發(fā)生變化時(shí)，其余各部分能自動(dòng)協(xié)同調(diào)整。例如，在橋梁結(jié)構(gòu)中，確定墩梁間隙為一定值，在其他條件不變的情況下單獨(dú)調(diào)整梁高時(shí)，墩柱高度能自動(dòng)調(diào)整，整個(gè)結(jié)構(gòu)依然保持協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

（2）數(shù)據(jù)定義避免冗余

模型中的數(shù)據(jù)根據(jù)其產(chǎn)生方式不同分為兩類：定義數(shù)據(jù)和導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

定義數(shù)據(jù)，是由工程人員在模型中直接輸入的數(shù)據(jù)。

導(dǎo)出數(shù)據(jù)，是模型內(nèi)部根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的規(guī)則，由定義數(shù)據(jù)及其他導(dǎo)出數(shù)據(jù)可以得到的數(shù)據(jù)。導(dǎo)出數(shù)據(jù)由模型自動(dòng)生成，不需要進(jìn)行干預(yù)。

在模型中盡量少的設(shè)定定義數(shù)據(jù)，建立內(nèi)部邏輯聯(lián)系及計(jì)算規(guī)則生成導(dǎo)出數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)化。

（3）數(shù)據(jù)定義、導(dǎo)出能雙向進(jìn)行

定義數(shù)據(jù)和導(dǎo)出數(shù)據(jù)是相對(duì)的，數(shù)據(jù)在互聯(lián)互通的情況下可以相互導(dǎo)出，提高了模型的靈活性。建模與修改更加方便快捷，提高易用性。

3 BIM技術(shù)在工程設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢

BIM技術(shù)依托計(jì)算機(jī)領(lǐng)域成熟的軟硬件條件，大幅度提高工程領(lǐng)域信息集成化水平。利用BIM技術(shù)進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)，優(yōu)勢體現(xiàn)在以下方面。

（1）方便各專業(yè)協(xié)調(diào)一致

各專業(yè)設(shè)計(jì)人員完成本專業(yè)設(shè)計(jì)工作，通過中心文件等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)即時(shí)更新。

（2）實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)

BIM模型中數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化，整個(gè)模型由少量數(shù)據(jù)控制，橋梁設(shè)計(jì)可在缺少詳細(xì)信息的情況下建立較粗糙模型，待獲取詳細(xì)信息后進(jìn)行少量更新即可完成設(shè)計(jì)。避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中各設(shè)計(jì)工作相互耦合。

（3）提高設(shè)計(jì)質(zhì)量

在BIM設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員的所有工作都是在模型中完成，輸出的2D圖紙僅為BIM模型成果表達(dá)，且輸出過程由程序自動(dòng)完成，沒有人工干預(yù)，減少低級(jí)錯(cuò)誤。

在設(shè)計(jì)工作進(jìn)行中，校審工作也可在模型中同步進(jìn)行，校審人員在模型中直接標(biāo)注校審意見，設(shè)計(jì)人員進(jìn)行實(shí)時(shí)修改，避免同類錯(cuò)誤反復(fù)出現(xiàn)。

設(shè)計(jì)工作完成后，對(duì)細(xì)部構(gòu)件校對(duì)校核可按類型進(jìn)行，對(duì)同一類構(gòu)件僅需校核其中有代表性的一個(gè)成果，即可驗(yàn)證其內(nèi)部邏輯關(guān)系的正確性[5]。

（4）減少設(shè)計(jì)過程中冗余浪費(fèi)

BIM設(shè)計(jì)過程以模型為載體，可避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)以2D圖紙為載體帶來的頻繁改圖問題。在設(shè)計(jì)過程中，僅在設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)出圖，設(shè)計(jì)過程中的變更、調(diào)整均在模型中進(jìn)行，保持設(shè)計(jì)成果一致性，實(shí)時(shí)更新，避免改圖的勞動(dòng)力浪費(fèi)，也避免更新不及時(shí)而導(dǎo)致設(shè)計(jì)返工。節(jié)約人力，提高效率。

（5）方便設(shè)計(jì)成果歸檔及重用

通過對(duì)BIM模型存檔，可以完整地保留項(xiàng)目成果及過程信息。相比于傳統(tǒng)圖紙存檔的方式更加方便快捷，且保留更多信息，便于日后其他項(xiàng)目借鑒使用。

BIM模型中保留設(shè)計(jì)全部成果，通過調(diào)整關(guān)鍵參數(shù)可實(shí)現(xiàn)模型快速修改。BIM模型中的構(gòu)件均參數(shù)化，可以方便地使用在其他模型中。

通過重用模型和構(gòu)件，可以避免重復(fù)勞動(dòng)，提高設(shè)計(jì)效率，當(dāng)積累大量模型與構(gòu)件，可快速完成新模型創(chuàng)建，提高設(shè)計(jì)效率。既有構(gòu)件經(jīng)過項(xiàng)目檢驗(yàn)，也避免出現(xiàn)錯(cuò)誤，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

4 BIM設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法

目前比較成熟的BIM通用軟件有Revit、CIVIL3D、INFRAWORKS等，其中Revit支持各種自由形狀建模和參數(shù)化設(shè)計(jì)，利用樣版、族庫可方便快捷地進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置和參數(shù)化設(shè)計(jì)。因此，選擇Revit作為BIM設(shè)計(jì)平臺(tái)[5]。

BIM建模主要有以下幾個(gè)步驟[6]：

（1）設(shè)定模型環(huán)境參數(shù)；

（2）輸入模型邊界條件；

（3）總體方案設(shè)計(jì)；

（4）引入族庫，并有針對(duì)性地開發(fā)新族；

（5）完成方案、細(xì)部設(shè)計(jì)；

（6）提取統(tǒng)計(jì)信息，輸出圖紙，獲取三維演示動(dòng)畫等成果。

以上各步驟中，除施工圖紙外，其余過程可在Revit自帶功能中找到。目前Revit直接輸出的圖紙不能滿足國內(nèi)規(guī)范及行業(yè)要求，可以利用Python語言創(chuàng)建插件，使Revit與Autocad進(jìn)行信息交互，在Autocad中完成二維圖紙輸出。

5 BIM建模并實(shí)現(xiàn)圖紙輸出

5.1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目為香格里拉及周邊路網(wǎng)綜合整治工程，橋梁工程包括西塔高速主線橋梁拼寬和西塔高速昆侖路下匝道改建兩部分。

主線橋梁拼寬起點(diǎn)位于A/H匝道合流點(diǎn)，樁號(hào)K1+197.533，終點(diǎn)位于原昆侖路下匝道，樁號(hào)K1+499.133，拼寬長度約301.6m，拼寬寬度4~8.75m，如圖2所示。

圖2 主線橋梁總體布置圖（局部）（單位：m）

新建下匝道橋梁全長140m，寬度8.5m，斷面布置為0.5m（防撞護(hù)欄）+7.5m（車行道）+0.5m（防撞護(hù)欄）=8.5m，如圖3所示。

圖3 匝道橋梁總體布置圖（單位：m）

5.2 建模內(nèi)容

本項(xiàng)目涉及構(gòu)件類型眾多，若一一實(shí)現(xiàn)則耗費(fèi)人力、時(shí)間?，F(xiàn)以承臺(tái)樁基礎(chǔ)為例，說明Revit進(jìn)行建模及圖紙輸出的過程。

項(xiàng)目中墩下承臺(tái)樁基礎(chǔ)有兩種規(guī)格，如圖4、圖5所示。

圖4 兩樁基礎(chǔ)構(gòu)造圖（單位：mm）

圖5 四樁基礎(chǔ)構(gòu)造圖（單位：mm）

分別創(chuàng)建樁柱、承臺(tái)構(gòu)件，并進(jìn)行組合創(chuàng)建基礎(chǔ)構(gòu)件。在Revit模型中根據(jù)實(shí)際坐標(biāo)方位布置基礎(chǔ)構(gòu)件，完成全橋建模，并進(jìn)行后續(xù)出圖操作。

5.3 Revit建模過程

5.3.1 創(chuàng)建樁柱構(gòu)件族

構(gòu)件中包括樁柱的幾何信息及配筋信息。

幾何信息，包括：樁徑、樁長、樁頂標(biāo)高及變截面信息。本項(xiàng)目中樁柱均為1.2m等截面鉆孔灌注樁，構(gòu)件信息中暫不包含變截面信息。

在構(gòu)件中，設(shè)置樁徑為族參數(shù)，其余樁長、樁頂標(biāo)高為實(shí)例參數(shù)，族參數(shù)和實(shí)例參數(shù)的說明見Revit相關(guān)資料。

配筋信息，包括：主筋、箍筋、加強(qiáng)鋼筋的直徑、長度、規(guī)格及幾何形狀等，如圖6所示。

圖6 樁柱構(gòu)件及分解圖

5.3.2 創(chuàng)建承臺(tái)構(gòu)件族

承臺(tái)幾何信息包括長度、寬度和高度。

承臺(tái)配筋信息包括頂?shù)卓v橫向主筋、豎向鋼筋的直徑、長度、規(guī)格及幾何形狀等，如圖7、圖8所示。

圖7 承臺(tái)構(gòu)件外形及鋼筋布置

圖8 承臺(tái)分解圖創(chuàng)建基礎(chǔ)構(gòu)件族

基礎(chǔ)構(gòu)件由承臺(tái)和樁柱構(gòu)件組合而成，以承臺(tái)底面中心作為構(gòu)件基準(zhǔn)點(diǎn)。

基礎(chǔ)構(gòu)件參數(shù)包括：承臺(tái)類型、樁柱類型、樁柱平面布置，構(gòu)件定位信息，如圖9所示。

圖9 典型基礎(chǔ)構(gòu)造及參數(shù)表

由于在基礎(chǔ)構(gòu)件族中將樁柱平面布置參數(shù)化，可以用一個(gè)構(gòu)件族表達(dá)兩樁、四樁構(gòu)件，減少構(gòu)件類型，提高信息集成化程度。

5.3.3 在Revit模型中布置基礎(chǔ)構(gòu)件

從以上建模過程可以看出，在BIM模型中，數(shù)據(jù)在不同層次（樁柱、承臺(tái)→基礎(chǔ)→全橋模型）中存儲(chǔ)。不同層次的數(shù)據(jù)通過相互引用以及參數(shù)賦值方式建立聯(lián)系，完成底層數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建模，如圖10所示。

圖10 全橋基礎(chǔ)模型

5.4 進(jìn)行二次開發(fā)生成圖紙

二次開發(fā)分為兩部分。利用Python工具在Revit模型中搜集整理布置及構(gòu)件信息，通過pywin32模塊與系統(tǒng)COM+通信，可以將信息發(fā)送至acadapplication；acadapplication中可以調(diào)用Autocad所有繪圖命令，通過開發(fā)相應(yīng)腳本可方便快捷繪制出二維圖紙，如圖11所示。

圖11 典型構(gòu)造圖（單位：m）

5.4.1 在Revit中進(jìn)行二次開發(fā)

在Revit中利用Python語言開發(fā)腳本，對(duì)模型中構(gòu)件信息進(jìn)行匯總，根據(jù)各基礎(chǔ)相似程度分組，按既定格式詳細(xì)記錄各構(gòu)件關(guān)鍵參數(shù)，作為Autocad繪圖的原始數(shù)據(jù)。

5.4.2 在Autocad進(jìn)行二次開發(fā)

Python利用pywin32模塊操作Autocad的VBA模塊。若當(dāng)前系統(tǒng)中無正在運(yùn)行的acadapplication實(shí)例，則創(chuàng)建新的acadapplication實(shí)例；若已存在acadapplication實(shí)例，則獲取其中一個(gè)實(shí)例的控制權(quán)。

在受控的acadapplication實(shí)例中新建文件對(duì)象。VBA模塊獲取前述數(shù)據(jù)，根據(jù)既定規(guī)則向文件中寫入圖形或圖形屬性對(duì)象，完成后保存文件，完成繪圖。

目前繪圖腳本可以自動(dòng)完成絕大部分工作。由于繪圖腳本還不完善，仍有少許問題，例如圖塊重疊沖突、圖塊超出圖框范圍，尺寸標(biāo)注線異常等問題。目前仍需人工修改，但與直接繪圖相比，花費(fèi)時(shí)間很少。

相信隨著腳本的不斷完善，以上問題會(huì)逐步解決，最終可自動(dòng)生成符合要求的圖紙文件。

5.4.3 對(duì)生成圖紙進(jìn)行整理

以上出圖結(jié)果默認(rèn)以dwg格式保存，在工作交接時(shí)還要用到PDF格式文件，可利用成熟第三方工具模塊自動(dòng)生成。在生成PDF文件時(shí)，可加入水印、防偽暗記等信息，防止文件被篡改。

轉(zhuǎn)換PDF文件過程自動(dòng)進(jìn)行，防止人為不當(dāng)操作，保證出圖成果格式統(tǒng)一，提高出圖質(zhì)量。

5.5 向Revit反饋出圖結(jié)果

由于輸出圖紙的操作通過二次開發(fā)進(jìn)行，這個(gè)過程獨(dú)立于BIM模型，在模型中沒有相關(guān)信息，則BIM模型信息是不完整的。

為保證BIM模型完整性，需將出圖關(guān)鍵信息保存在BIM模型中，這個(gè)過程也是通過二次開發(fā)的方式記錄。

應(yīng)記錄信息包含以下方面。

（1）出圖階段：標(biāo)明出圖發(fā)生于方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)或施工圖設(shè)計(jì)階段。

（2）出圖人的身份證明：可以是姓名、身份證號(hào)碼、員工編號(hào)等唯一確定出圖操作者身份的信息。

（3）出圖內(nèi)容：說明此次出圖操作輸出哪些內(nèi)容。

（4）電子圖紙信息：記錄圖紙電子文件（dxf、dwg、pdf等格式）的SHA1散列值，防止電子文件被篡改。

（5）圖紙的圖簽信息：如圖紙名稱、圖紙編號(hào)、版本號(hào)等。

（6）根據(jù)項(xiàng)目要求需記錄的其他信息。

通過信息記錄可以看出整個(gè)項(xiàng)目階段出圖過程的詳細(xì)信息。一方面，可以看出各個(gè)階段出圖頻次和出圖量，為今后項(xiàng)目進(jìn)行人員安排提供參考和依據(jù)；另一方面，可以分析各部分圖紙修改頻次，對(duì)高頻次修改的圖紙進(jìn)行分析，是外部條件變動(dòng)頻繁，設(shè)計(jì)方案頻繁變更，還是構(gòu)件設(shè)計(jì)質(zhì)量不高或其他原因?qū)е碌男薷摹?/p>

如有多個(gè)項(xiàng)目全過程出圖的記錄，通過對(duì)出圖過程數(shù)據(jù)分析，找到設(shè)計(jì)過程中痛點(diǎn)，針對(duì)共性問題進(jìn)行改進(jìn)，為優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率提供依據(jù)。

6 結(jié)論

隨著市場不斷增長和發(fā)展，給工程建設(shè)參與者提出的要求越來越高。BIM技術(shù)從提出到成熟，得到越來越多工程人員的認(rèn)可。本文針對(duì)橋梁設(shè)計(jì)過程提出BIM設(shè)計(jì)的基本流程，針對(duì)輸出施工圖的問題提出二次開發(fā)的解決思路，并在香格里拉項(xiàng)目基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中進(jìn)行驗(yàn)證。通過二次開發(fā)的方式輸出施工圖的方法行之有效，使得BIM技術(shù)可以在橋梁設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到推廣和應(yīng)用，改進(jìn)設(shè)計(jì)流程，提高設(shè)計(jì)效率。