常泰長(zhǎng)江大橋主塔沉井結(jié)構(gòu)BIM正向設(shè)計(jì)應(yīng)用

郭 衡,傅戰(zhàn)工,譚國(guó)宏,杜 勛,唐 超

(中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430056)

引言

BIM技術(shù)進(jìn)入中國(guó)工程行業(yè)已有十余年時(shí)間，近年來(lái)已成為整個(gè)土木工程領(lǐng)域發(fā)展的熱門(mén)。BIM技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)行業(yè)應(yīng)用發(fā)展極為迅猛[1]，無(wú)論是應(yīng)用在復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)中亦或是在整個(gè)建筑行業(yè)里。但是對(duì)于橋梁工程[2]，BIM技術(shù)的應(yīng)用才剛剛走上探索的道路。BIM技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于橋梁建設(shè)方面，檢測(cè)鋼筋碰撞、三維可視化輔助施工、施工組織管理、鋼結(jié)構(gòu)加工、三維算量等。而在橋梁設(shè)計(jì)方面，其應(yīng)用僅是局限于標(biāo)準(zhǔn)梁型、標(biāo)準(zhǔn)墩臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于大型特殊結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)還僅是處于后期翻模的技術(shù)階段[3]，使用BIM建模進(jìn)行檢查糾錯(cuò)、工程數(shù)量核算、指導(dǎo)施工。

對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁的BIM正向設(shè)計(jì)，潭江特大橋設(shè)計(jì)對(duì)鋼箱梁進(jìn)行了正向設(shè)計(jì)參數(shù)化建模[4]，南京浦儀公路西段跨江大橋設(shè)計(jì)提出了“生長(zhǎng)的模型”理念[5]，合川渠江景觀大橋、白沙長(zhǎng)江大橋設(shè)計(jì)上提出的R+GH+ARQ協(xié)同設(shè)計(jì)理念[6-7]等。BIM正向設(shè)計(jì)的研究正處于剛剛起步階段，如何運(yùn)用BIM自身參數(shù)化、三維可視、信息集成的優(yōu)勢(shì)，高效的進(jìn)行方案設(shè)計(jì)、模型建立、圖紙繪制還需進(jìn)一步深入研究。

本文以常泰長(zhǎng)江大橋主航道橋主塔沉井結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)為背景，進(jìn)行BIM技術(shù)全過(guò)程正向設(shè)計(jì)的應(yīng)用研究。設(shè)計(jì)重點(diǎn)研究了建立復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)模型的思路、BIM模型出圖、BIM參數(shù)化設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)正向設(shè)計(jì)的工作流程等方面問(wèn)題。

1 工程概況

常泰長(zhǎng)江大橋主航道橋方案采用雙塔公鐵兩用斜拉橋，主橋孔跨布置為142 m+490 m+1 176 m+490 m+142 m，全長(zhǎng)2 440 m(圖1)。大橋采用雙層橋面，上層布置雙向6車(chē)道高速公路，下層為非對(duì)稱(chēng)布置，下游側(cè)為雙向4車(chē)道一級(jí)公路，上游側(cè)為兩線(xiàn)城際鐵路[8]。主塔采用“鋼-混凝土”混合空間四肢塔結(jié)構(gòu)，兩個(gè)主塔基礎(chǔ)采用沉井式基礎(chǔ)。為了減少?zèng)_刷深度，降低沉井自重，基礎(chǔ)采用了上部結(jié)構(gòu)尺寸小，下部結(jié)構(gòu)尺寸大的臺(tái)階型沉井基礎(chǔ)，截面為圓端形[9-10]。

圖1 常泰長(zhǎng)江大橋立面布置(單位：m)

沉井總高72.0 m，其中混凝土承臺(tái)厚8.0 m，沉井鋼殼高64 m。沉井鋼殼豎向共分10個(gè)節(jié)段(圖2)，每個(gè)節(jié)段切分為若干個(gè)分塊，底節(jié)段共切分10種類(lèi)型分塊，合計(jì)共46個(gè)塊段[11](圖3)。

圖 2 沉井鋼殼立面布置(單位：m)

圖3 沉井鋼殼底節(jié)段平面布置

2 建模思路

2.1 指導(dǎo)思路

常泰長(zhǎng)江大橋主航道橋全橋均采用BIM正向設(shè)計(jì)，結(jié)合運(yùn)用“自底向上”(bottom-up)和“自頂向下”(top-down)兩種BIM建模方法[12]，總結(jié)出一套適用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁的建模思路。

“自底向上”建模指首先進(jìn)行基本構(gòu)件設(shè)計(jì)，然后根據(jù)各個(gè)構(gòu)件之間的位置關(guān)系組裝成基本結(jié)構(gòu)，最后將多個(gè)基本結(jié)構(gòu)組裝成總體結(jié)構(gòu)?！白皂斚蛳隆苯Ｖ甘紫冗M(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后將總體結(jié)構(gòu)劃分為多個(gè)基本結(jié)構(gòu)，再將基本結(jié)構(gòu)劃分為多個(gè)基本構(gòu)件并進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)，最終回拼組裝出總體結(jié)構(gòu)[13]。

2.2 總體建模思路

(1)建立沉井結(jié)構(gòu)總體模型；

(2)將總體模型劃分成若干水平節(jié)段模型；

(3)將水平節(jié)段模型劃分成若干分塊，衍生出分塊進(jìn)行構(gòu)件細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)；

(4)提取分塊實(shí)體模型的外立面作為參照面，建立沉井分塊模型的外側(cè)鋼面板；

(5)以參照面，繪制水平支撐型鋼中心線(xiàn)，繪制水平環(huán)板、水平節(jié)點(diǎn)板草圖；

(6)繪制豎向支撐型鋼中心線(xiàn)，繪制面板豎向加勁肋中心線(xiàn)，豎向節(jié)點(diǎn)板繪制草圖；

(7)以型鋼中心線(xiàn)為基線(xiàn)插入型鋼結(jié)構(gòu)件，建立節(jié)點(diǎn)板，環(huán)板；

(8)完成支撐桁架建模，檢查結(jié)構(gòu)碰撞，構(gòu)件調(diào)整，完成沉井鋼殼模型建模。

整個(gè)沉井鋼殼的建模思路是“自底向上”和“自頂向下”方式的結(jié)合，如圖4所示。圖4中，步驟1～6是“自頂向下”的建模思路，在步驟7～8中則采用“自底向上”的建模思路。

圖4 沉井鋼殼總體建模思路

2.3 具體建模思路

(1)總體模型建立

以完工階段沉井結(jié)構(gòu)為目標(biāo)建立總體模型，即是考慮在鋼結(jié)構(gòu)井壁內(nèi)已全部填充混凝土，形成一個(gè)封閉的鋼混實(shí)體結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖4步驟1所示。初擬模型幾何參數(shù)，將沉井平面尺寸、井孔尺寸、井壁壁厚、井壁倒角等重要驅(qū)動(dòng)尺寸進(jìn)行參數(shù)化定義?；谀Ｐ瓦M(jìn)行沉井總體計(jì)算，在模型中快速提取結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)用于計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，確定結(jié)構(gòu)尺寸，調(diào)整參數(shù)以驅(qū)動(dòng)模型修改[14]。沉井總體模型為粗精度模型，模型主要為體現(xiàn)結(jié)構(gòu)總體布置及尺寸情況，故不考慮榫頭、刃腳等復(fù)雜細(xì)部結(jié)構(gòu)。

(2)節(jié)段、分塊模型劃分

將總體模型根據(jù)設(shè)計(jì)在豎向劃分成若干水平節(jié)段模型，如圖4步驟2所示。對(duì)榫頭、刃腳等節(jié)段進(jìn)行細(xì)部構(gòu)造建模，定義細(xì)部尺寸。以模型為依據(jù)，進(jìn)行沉井節(jié)段浮運(yùn)下沉計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果反饋修改構(gòu)件細(xì)部尺寸。完成節(jié)段劃分后，在節(jié)段模型基礎(chǔ)上進(jìn)行分塊模型劃分，得到沉井分塊模型，如圖4步驟3所示。將需要精細(xì)設(shè)計(jì)的分塊模型進(jìn)行衍生操作，提取分塊。

(3)以分塊外立面進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)精細(xì)設(shè)計(jì)的分塊模型進(jìn)行外立面提取作為鋼結(jié)構(gòu)建模的參照面。由參照面建立分塊外側(cè)鋼面板、隔艙板等，如圖4步驟4所示，生成分塊板件模型。由參照面定位水平支撐型鋼所在平面，繪制水平型鋼中心線(xiàn)設(shè)計(jì)，同時(shí)繪制水平節(jié)點(diǎn)板及水平環(huán)板草圖，在水平環(huán)板上對(duì)外面板豎向加勁肋進(jìn)行定位，如圖4步驟5所示。重復(fù)上述操作繪制豎向支撐型鋼中心線(xiàn)、豎向節(jié)點(diǎn)板草圖以及外面板豎向加勁肋中心線(xiàn)。根據(jù)沉井施工階段受力要求進(jìn)行沉井支撐鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算，調(diào)整型鋼布置、確定型鋼規(guī)格及長(zhǎng)度。

(4)插入型鋼構(gòu)件

以上的建模流程都是按照“自頂向下”方式完成，如繼續(xù)按照此思路建模，應(yīng)是對(duì)每一根型鋼進(jìn)行獨(dú)立建模、端頭處理。但通常沉井內(nèi)部的型鋼多為工廠定型產(chǎn)品，為便于工廠制造，設(shè)計(jì)中會(huì)盡量合并規(guī)格、長(zhǎng)度相近的構(gòu)件。重復(fù)對(duì)相同型鋼建模的思路勢(shì)必會(huì)極大降低建模效率。因此在桁架建模步驟中采用了自底向上的建模思路，先對(duì)所有需要使用的鋼構(gòu)件進(jìn)行單獨(dú)建模，形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)型鋼構(gòu)件庫(kù)[15]。在桁架建模過(guò)程中，從構(gòu)件庫(kù)中挑選相應(yīng)型號(hào)的型鋼，依據(jù)設(shè)計(jì)中心線(xiàn)組裝回結(jié)構(gòu)模型之中，即完成型鋼構(gòu)件插入，如圖4步驟6所示。為滿(mǎn)足型鋼構(gòu)件焊接空間、構(gòu)件碰撞情況，在構(gòu)件庫(kù)中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)型鋼構(gòu)件統(tǒng)一進(jìn)行端頭切角、拉伸等處理。

(5)完成桁架建模，檢查模型碰撞

進(jìn)行節(jié)點(diǎn)板建立，通過(guò)陣列、鏡像命令完成所有鋼桁架結(jié)構(gòu)建模，生成分塊桁架模型。最后與分塊板件模型組裝在一起得到完整鋼結(jié)構(gòu)分塊模型。對(duì)模型進(jìn)行碰撞檢查，調(diào)整問(wèn)題構(gòu)件，最終得到滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的沉井鋼結(jié)構(gòu)分塊三維模型。

3 BIM研究要點(diǎn)

3.1 BIM模型出圖

根據(jù)設(shè)計(jì)出圖標(biāo)準(zhǔn)，在BIM軟件中進(jìn)行圖框的繪制及標(biāo)注樣式的設(shè)置。將含有標(biāo)注樣式信息的圖框作為繪制工程圖模板發(fā)放給設(shè)計(jì)人員，統(tǒng)一所有人員的圖面標(biāo)注風(fēng)格，達(dá)到出具統(tǒng)一風(fēng)格工程圖的目的。

對(duì)于復(fù)雜的沉井結(jié)構(gòu)，以往繪制的圖紙具有很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)性，對(duì)識(shí)圖人員的空間識(shí)別能力要求很高，對(duì)結(jié)構(gòu)不甚了解的人員無(wú)法快速理解圖紙所表達(dá)的信息。項(xiàng)目結(jié)合BIM的三維可視性及出圖隨意剖切的功能[16]，總結(jié)出一套“自頂向下”的圖面擺放方式，能夠幫助非設(shè)計(jì)人員快速讀懂圖紙。

在圖紙總起頁(yè)分別放入沉井總體三維圖、節(jié)段圖、節(jié)段平面劃分圖，分塊的三維圖及分塊的立面圖、俯視圖。識(shí)圖人員通過(guò)總起頁(yè)可快速了解分塊所在位置及分塊的總體布置情況。在立面圖和俯視圖中分別標(biāo)識(shí)出后面繪圖所有剖切面的位置，讓識(shí)圖人員能快速的理解結(jié)構(gòu)剖切面的信息。在剖面圖的表達(dá)頁(yè)面輔佐局部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維視圖，以幫助識(shí)圖人員理解，如圖5所示。

圖5 沉井BIM出圖

3.2 參數(shù)化設(shè)計(jì)

合理應(yīng)用BIM技術(shù)參數(shù)化的特點(diǎn)可大幅提升BIM設(shè)計(jì)效率。通過(guò)BIM軟件可實(shí)現(xiàn)建模參數(shù)與EXCEL文件交互的功能[17]，在建模初期，在EXCEL中定義所有模型的重要參數(shù)。開(kāi)始建模所輸入的參數(shù)值并不代表最終設(shè)計(jì)參數(shù)值，在通過(guò)總體結(jié)構(gòu)計(jì)算、沉井下沉計(jì)算后，對(duì)總體參數(shù)修改可直接驅(qū)動(dòng)整體模型修改，并且聯(lián)動(dòng)修改由總體模型衍生而成的節(jié)段、分塊模型及圖紙。同理，在通過(guò)細(xì)部結(jié)構(gòu)計(jì)算、鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算之后，修改相關(guān)構(gòu)件參數(shù)，驅(qū)動(dòng)修改構(gòu)件庫(kù)中的型鋼桿件，并在模型中自動(dòng)更新桿件信息。

3.3 并行設(shè)計(jì)與協(xié)同工作

為提高設(shè)計(jì)效率、縮短設(shè)計(jì)周期，結(jié)合BIM參數(shù)化、信息集成的特點(diǎn)，本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過(guò)程采用設(shè)計(jì)計(jì)算、模型建立的并行設(shè)計(jì)方式。在進(jìn)行沉井整體和局部計(jì)算的同時(shí)開(kāi)展詳細(xì)的建模及出圖工作。在完成所有計(jì)算后，對(duì)定義的參數(shù)進(jìn)行更新，驅(qū)動(dòng)模型以及圖紙的同步更新，達(dá)到縮短設(shè)計(jì)周期的效果[18]。

在多人配合設(shè)計(jì)過(guò)程中，協(xié)同信息的傳遞及更新尤為重要[19]。由頂至底的信息傳遞以及底層設(shè)計(jì)信息的實(shí)時(shí)性直接關(guān)系到最終設(shè)計(jì)成果的精度情況。此次設(shè)計(jì)項(xiàng)目通過(guò)研究BIM軟件的模型衍生及修改聯(lián)動(dòng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)人員協(xié)同工作。總體負(fù)責(zé)人進(jìn)行整體模型建立、總體計(jì)算，模型節(jié)段及分塊的劃分，將需要詳細(xì)設(shè)計(jì)的分塊單元衍生成為下一級(jí)模型，分發(fā)給具體設(shè)計(jì)人員，同時(shí)將EXCEL參數(shù)表、型鋼構(gòu)件庫(kù)進(jìn)行分發(fā)。設(shè)計(jì)人員無(wú)法修改衍生的模型文件，只能在衍生模型上進(jìn)行后續(xù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。此方式既保證了模型的正確性又保證了所有設(shè)計(jì)工作的一致性。同時(shí)，下級(jí)模型蘊(yùn)含了分塊的位置信息，完成分塊詳細(xì)建模后可回拼到整體模型之中，最終可生成完整鋼結(jié)構(gòu)沉井。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，總體負(fù)責(zé)人修改整體模型、參數(shù)表及構(gòu)件庫(kù)，下一級(jí)的衍生模型會(huì)自動(dòng)進(jìn)行更新，這樣就省去了設(shè)計(jì)人員統(tǒng)一配合修改，避免了信息傳遞不暢帶來(lái)的隱患，具體見(jiàn)圖6。

圖6 設(shè)計(jì)人員協(xié)同工作示意

3.4 工程數(shù)量表

BIM軟件中的BOM表功能可以快速統(tǒng)計(jì)所有構(gòu)件的工程數(shù)量，但是BOM表的工作方式是基于機(jī)械行業(yè)來(lái)設(shè)計(jì)的，只能提供構(gòu)件的凈體積或是凈重，也無(wú)法得到構(gòu)件的尺寸信息，這種統(tǒng)計(jì)方式與橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有很大不同[20]。所以在常泰長(zhǎng)江大橋主塔沉井設(shè)計(jì)中，僅是填芯混凝土、承臺(tái)等混凝土結(jié)構(gòu)采用了軟件統(tǒng)計(jì)的工程數(shù)量，而沉井鋼結(jié)構(gòu)的工程數(shù)量表格還是人工計(jì)算統(tǒng)計(jì)，BIM軟件提供的凈重結(jié)果作校核之用。

4 結(jié)語(yǔ)

常泰長(zhǎng)江大橋主塔沉井基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用BIM技術(shù)進(jìn)行全程正向設(shè)計(jì)應(yīng)用研究，研究取得了以下成果。

(1)提出了一種全新的“自頂向下”與“自底向上”相結(jié)合的BIM建模思路并應(yīng)用于設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，建模思路符合設(shè)計(jì)流程，總體驅(qū)動(dòng)零部件，型鋼單獨(dú)設(shè)計(jì)用于桁架結(jié)構(gòu)快速建模，可為后續(xù)BIM設(shè)計(jì)項(xiàng)目提供指導(dǎo)性的參考與借鑒。

(2)項(xiàng)目進(jìn)行BIM出圖，采用統(tǒng)一標(biāo)注樣式的工程圖模板進(jìn)行繪制，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)出圖標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)總結(jié)出一種“自頂向下”的圖面擺放方式，達(dá)到增強(qiáng)圖紙識(shí)圖性的目的，可在以后項(xiàng)目出圖中推廣使用。

(3)項(xiàng)目研究出一套高效的參數(shù)化設(shè)計(jì)流程，通過(guò)EXCEL輸入重要結(jié)構(gòu)參數(shù)導(dǎo)入模型中，建立參數(shù)、模型、圖紙相互驅(qū)動(dòng)的聯(lián)動(dòng)機(jī)制，極大地提高了設(shè)計(jì)效率。

(4)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，項(xiàng)目提出了計(jì)算與建模并行工作的設(shè)計(jì)方式，大幅度地縮短了設(shè)計(jì)周期；同時(shí)提出了設(shè)計(jì)人員協(xié)同設(shè)計(jì)的工作模式，優(yōu)化了BIM信息傳遞及設(shè)計(jì)人員管理。

(5)未來(lái)在應(yīng)用BIM技術(shù)統(tǒng)計(jì)工程數(shù)量上還需進(jìn)一步深入研究，進(jìn)一步拓展BIM橋梁構(gòu)件庫(kù)以提高BIM設(shè)計(jì)的效率。