BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用研究

常誠(chéng)

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030006)

1 工程背景

某特大橋采用雙塔雙索面矮塔斜拉橋+預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁組合結(jié)構(gòu)體系，橋梁全長(zhǎng)1 316.08 m，橋平面位于直線段上，橋面標(biāo)準(zhǔn)寬度28 m，橫向布置為：1.0 m(拉索區(qū))+2.5 m(人行道)+9.5 m(車行道)+2.0 m(中分帶)+9.5 m(車行道)+2.5 m(人行道)+1.0 m(拉索區(qū))，雙向四車道設(shè)計(jì)。主橋?yàn)殡p塔雙索面Y形矮塔斜拉橋，跨徑組合為兩聯(lián)2×(87+160+87)=668 m，下部結(jié)構(gòu)采用薄壁Y形空心墩，柱式臺(tái)和肋板臺(tái)，墩臺(tái)樁基均采用灌注樁基礎(chǔ)。該大橋設(shè)計(jì)形式各異，造型較為復(fù)雜，施工難度大、工期緊、任務(wù)重，因此在橋梁設(shè)計(jì)階段引入BlM技術(shù)，創(chuàng)建包含完整建筑工程信息的三維數(shù)字模型，強(qiáng)化前期決策的及時(shí)性和準(zhǔn)確度，提高橋梁設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，減少后續(xù)施工期間的溝通障礙和變更返工，保障建設(shè)周期，降低項(xiàng)目總投資。

2 設(shè)計(jì)階段BIM模型建立

2.1 建立構(gòu)件族庫(kù)

針對(duì)橋梁特點(diǎn)，結(jié)合設(shè)計(jì)出圖習(xí)慣和施工流程，進(jìn)行構(gòu)件劃分和編碼等前期準(zhǔn)備工作。使用Autodesk Revit軟件，通過構(gòu)建合理的參數(shù)，對(duì)主梁各梁段、部分鋼筋鋼束、橋墩、橋臺(tái)、附屬結(jié)構(gòu)等各構(gòu)件進(jìn)行精細(xì)化、參數(shù)化族庫(kù)建立。建模過程中，借助于dynamo和Revit的開放接口API，通過二次開發(fā)技術(shù)，對(duì)變高段梁端的1.7次拋物線等復(fù)雜弧線、主梁橫隔板、箱梁0#塊鋼筋鋼束、鋼束豎彎和平彎、橋墩箱室倒角等復(fù)雜因素均進(jìn)行了精確構(gòu)建。

2.2 構(gòu)件組裝

結(jié)合橋梁路線設(shè)計(jì)信息，將橋梁所有構(gòu)件族名稱和參數(shù)在Excel中填寫完善，通過dynamo二次開發(fā)技術(shù)，讀取并自動(dòng)完成全橋構(gòu)件組裝。

2.3 信息完善

根據(jù)要求，結(jié)合《公路工程信息模型設(shè)計(jì)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)(征求意見稿)》等標(biāo)準(zhǔn)，在BIM模型中完成結(jié)構(gòu)形式、材料信息、施工工法和耐久性要求等信息的輸入。

3 BIM應(yīng)用探索

基于橋梁BIM模型，該文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目需求進(jìn)行進(jìn)一步應(yīng)用探索。

3.1 景觀設(shè)計(jì)

橋梁地處生態(tài)綜合治理工程景區(qū)中，建設(shè)方對(duì)橋梁的景觀要求較為重視。設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合橋位處河谷地形、地貌和周邊景觀，通過調(diào)整Revit軟件建立的全橋模型參數(shù)(如主橋、引橋各部分跨徑、與橋梁索塔塔形、上下分割比例、塔柱斷面等)，進(jìn)行橋梁造型、景觀與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，并通過全橋漫游和效果圖渲染等手段，實(shí)現(xiàn)無差別地與建設(shè)方溝通，快速直觀地表現(xiàn)出景觀與工程本身的整體協(xié)調(diào)性。最終通過BIM模型渲染的橋梁效果圖見圖1。

圖1 BIM模型渲染的橋梁效果圖

3.2 深化設(shè)計(jì)

橋梁主橋部分造型較為復(fù)雜，傳統(tǒng)的二維手段較難解決，通過BIM技術(shù)對(duì)橋梁進(jìn)行了以下幾方面的深化設(shè)計(jì)。

3.2.1 復(fù)雜構(gòu)件精細(xì)化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)中，由于無法考慮橋梁縱坡等三維空間因素，主梁拉索錨固面難以精細(xì)化設(shè)計(jì)，部分細(xì)部尺寸通常由施工單位現(xiàn)場(chǎng)確定。通過BIM技術(shù)，根據(jù)拉索在空間的角度和箱梁縱坡等因素，精確考慮其復(fù)雜的空間三維位置關(guān)系，確定錨固面的精確尺寸，并自動(dòng)計(jì)算拉索長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化設(shè)計(jì)的同時(shí)，提高了設(shè)計(jì)效率。

3.2.2 工程量統(tǒng)計(jì)

BIM技術(shù)可簡(jiǎn)便快捷地從模型里讀取工程量，且基于實(shí)際三維模型的工程量更為準(zhǔn)確。相比傳統(tǒng)二維手段，通過BIM模型計(jì)算出的全橋混凝土工程量?jī)?yōu)化約1.05%，0#塊鋼筋工程量?jī)?yōu)化約6.53%。

3.2.3 碰撞檢查

在傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)中，圖紙分別繪制，不能全面反映構(gòu)件之間的碰撞可能，而在施工現(xiàn)場(chǎng)才會(huì)出現(xiàn)的碰撞問題，會(huì)嚴(yán)重耗費(fèi)設(shè)計(jì)人員和施工管理人員時(shí)間和精力，影響工程進(jìn)度和質(zhì)量。主梁0#塊鋼束設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，在橫橋向、順橋向和豎向均有鋼束，傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)難以準(zhǔn)確直觀地表現(xiàn)其空間相對(duì)位置關(guān)系，為避免施工過程中才能發(fā)現(xiàn)的空間位置沖突現(xiàn)象，通過BIM技術(shù)對(duì)其進(jìn)行三維精確建模，并進(jìn)行碰撞檢查。

《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中提出，橋梁主梁預(yù)應(yīng)力管道的梁高和梁寬方向坐標(biāo)、間距的允許偏差均為0.01 m，因此，以0.01 m碰撞間距，在Autodesk Navisworks軟件中對(duì)主梁0#塊鋼束進(jìn)行碰撞檢查，結(jié)果顯示有6處存在碰撞，設(shè)計(jì)人員對(duì)此進(jìn)行了及時(shí)調(diào)整，提高了項(xiàng)目設(shè)計(jì)品質(zhì)。

3.3 二維施工圖紙創(chuàng)建

橋梁在設(shè)計(jì)過程中的計(jì)算較為復(fù)雜，對(duì)構(gòu)件的細(xì)部尺寸修改也較為頻繁，且現(xiàn)階段對(duì)于復(fù)雜構(gòu)件也缺少專門的繪圖軟件。傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)時(shí)每一個(gè)視圖都需要手動(dòng)繪制，相類似的剖面也需要復(fù)制已有的二維圖進(jìn)行修改，造成工作量大、重復(fù)和效率低下。設(shè)計(jì)過程中，通過復(fù)雜構(gòu)件的BIM模型，可直接生成三維視圖、立面圖、平面圖和多個(gè)剖視圖等，并輔以標(biāo)注和附注添加等工作，完成相應(yīng)的施工圖圖紙創(chuàng)建，這種圖紙創(chuàng)建方式主要有以下優(yōu)點(diǎn)：① 可保證出圖的準(zhǔn)確性和質(zhì)量。通過三維模型三維投影出圖，減少了傳統(tǒng)的人工出圖可能出現(xiàn)的缺漏錯(cuò)現(xiàn)象，另外還可考慮到箱梁縱坡等因素，相比傳統(tǒng)的二維圖更準(zhǔn)確；② 可提高出圖效率。通過BIM技術(shù)生成的工程圖是與三維模型相關(guān)聯(lián)的，只要三維模型發(fā)生變更，相應(yīng)部位的所有工程圖都隨之改變，可大大降低工作量，提高設(shè)計(jì)效率，節(jié)約設(shè)計(jì)成本；③ 出圖更靈活。通過對(duì)BIM模型進(jìn)行任意角度剖切，并輔以標(biāo)注和附注添加等，可生成各種圖紙，滿足業(yè)主和施工單位多種出圖要求。

通過BIM模型生成的橋梁箱梁0#塊一般構(gòu)造圖見圖2。

3.4 施工技術(shù)交底

通過在Navisworks軟件中對(duì)模型進(jìn)行輕量化處理，并提供足夠的封裝性，設(shè)置密碼和有效期等，供施工單位直接查看模型和信息，輔助施工技術(shù)交底。

橋梁主梁0#塊鋼筋有近百種，鋼筋根數(shù)更是多達(dá)上萬根，構(gòu)造極其復(fù)雜，在Navisworks軟件中對(duì)其進(jìn)行分解，制作視頻，輔助施工，并根據(jù)模型提供的信息數(shù)據(jù)，指導(dǎo)鋼筋下料，提高鋼筋安裝合格率，減少鋼筋的下料誤差，減少返工、浪費(fèi)現(xiàn)象，節(jié)約施工成本。

3.5 施工組織設(shè)計(jì)

在Navisworks軟件中，通過將BIM模型和Microsoft Project編制的進(jìn)度計(jì)劃相結(jié)合，對(duì)橋梁進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì)，可使管理人員直觀快速地了解項(xiàng)目實(shí)際進(jìn)展，尋找制約進(jìn)度的關(guān)鍵點(diǎn)，評(píng)估工藝流程、資源配置，虛擬推演施工方案，動(dòng)態(tài)檢查方案可行性及存在的問題，優(yōu)化調(diào)整施工裝備、工藝等，從而提高施工效率、縮短工期。并以動(dòng)畫的方式直觀地進(jìn)行工期工序成本等模擬，有利于建設(shè)方整體把握。

3.6 二次開發(fā)應(yīng)用

在Revit軟件中，通過二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件的快速分割，根據(jù)施工單位提供的橋墩澆筑節(jié)段大小，將設(shè)計(jì)模型中的整體橋墩分割成相應(yīng)的節(jié)段，利于橋梁施工階段應(yīng)用；此外，通過二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件的二維碼直接生成技術(shù)，二維碼生成過程中，可選擇性地指定生成二維碼的構(gòu)件參數(shù)，施工人員在施工現(xiàn)場(chǎng)可直接掃碼獲取構(gòu)件信息，當(dāng)構(gòu)件信息發(fā)生變化時(shí)，管理人員在BIM軟件中通過選擇構(gòu)件，點(diǎn)擊“重新生成二維碼”，即可通過網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)將新二維碼發(fā)送至施工現(xiàn)場(chǎng)。

圖2 箱梁0#塊一般構(gòu)造圖(單位：cm)

在Navisworks軟件中，通過二次開發(fā)對(duì)數(shù)據(jù)接口開發(fā)進(jìn)行了研究，直接將模型和軟件的圖像引擎平臺(tái)導(dǎo)出至施工管理平臺(tái)，將模型作為數(shù)據(jù)的載體，為后期資源共享、協(xié)同工作奠定良好基礎(chǔ)。

4 思考與展望

該文以設(shè)計(jì)階段作為BIM技術(shù)全面應(yīng)用的突破口，通過BIM技術(shù)在橋梁景觀設(shè)計(jì)、復(fù)雜構(gòu)件精細(xì)化設(shè)計(jì)、工程量統(tǒng)計(jì)、碰撞檢查、二維施工圖紙創(chuàng)建、施工技術(shù)交底、施工組織設(shè)計(jì)、二維碼生成和數(shù)據(jù)接口開發(fā)等方面的應(yīng)用，明確了BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)中的詳細(xì)應(yīng)用前景和方向。在橋梁后續(xù)階段BIM技術(shù)的全生命周期應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)以下問題并提出一些建議。

(1)部分施工管理平臺(tái)的BIM模型封裝性、合法性存在隱患。目前市場(chǎng)上有很多用于施工管理的BIM平臺(tái)，有些平臺(tái)讀取模型時(shí)，通過其他軟件作為中間軟件進(jìn)行處理，會(huì)造成進(jìn)入平臺(tái)的模型不具備封裝性，在施工階段使用時(shí)會(huì)帶來隱患，該文提供的數(shù)據(jù)接口開發(fā)技術(shù)可保證模型具有足夠的封裝性，建議平臺(tái)研發(fā)過程中，直接使用由設(shè)計(jì)單位提供具有封裝性的模型，并由設(shè)計(jì)單位對(duì)模型的正確與否負(fù)責(zé)。

(2)一套模型難以在多個(gè)階段通用。目前，不同階段的BIM應(yīng)用時(shí)，由于需求不同，往往會(huì)存在多套模型。建議設(shè)計(jì)單位建模時(shí)，充分考慮后續(xù)階段各單位的使用需求，另外BIM軟件商需加強(qiáng)對(duì)BIM軟件平臺(tái)中模型和信息的合并、分割和調(diào)整等功能的研發(fā)。

(3)BIM技術(shù)的成果提交尚不明確。BIM技術(shù)在橋梁全生命周期的應(yīng)用過程中，需要在不同的階段不斷附加信息，往往會(huì)存在設(shè)計(jì)階段模型、施工管理平臺(tái)、運(yùn)維管理平臺(tái)、交竣工模型等多個(gè)交付成果，如何明確這些成果之間的數(shù)據(jù)流程、相互關(guān)系和法律地位，為建設(shè)方提供簡(jiǎn)單明了、詳盡清晰的BIM成果，應(yīng)該是今后重要的研究?jī)?nèi)容。

盡管BIM技術(shù)在目前橋梁工程全生命周期應(yīng)用推廣過程中還存在諸多問題與困難，完全實(shí)現(xiàn)橋梁工程全生命周期的BIM技術(shù)應(yīng)用是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，需要各階段各參與方的通力配合與共同創(chuàng)造。但可以預(yù)見，隨著國(guó)家行業(yè)政策和技術(shù)的發(fā)展及軟硬件的升級(jí)，BIM的推廣應(yīng)用一定具有更加廣闊的發(fā)展前景。