鋼桁架橋信息模型交付標(biāo)準(zhǔn)的研究

余文成, 劉 秀, 2, 劉均利, 薛飛宇, 歐陽平

(1.桂林理工大學(xué) a.土木與建筑工程學(xué)院; b.廣西巖土力學(xué)與工程重點實驗室, 廣西 桂林 541004;2.中石化江漢石油工程設(shè)計有限公司, 武漢 430000; 3.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司, 重慶 400067;4.廣西交通設(shè)計集團(tuán)有限公司, 南寧 530029)

0 引 言

隨著軌道交通的發(fā)展, 鋼桁架橋應(yīng)用逐步增多, 如重慶朝天門長江大橋、菜園壩長江大橋和曾家?guī)r嘉陵江大橋等, 均是公軌兩用橋。公軌兩用鋼桁架橋占橋梁總量比重小, 但主要用于大型橋梁, 單橋造價往往極高, 并且施工工序多, 工藝較為復(fù)雜, 加工制造要求的精度較高, 設(shè)計施工階段出錯補救困難, 成本高昂。在鋼桁架橋梁的設(shè)計和施工中采用BIM技術(shù), 不僅可以有效果圖的展示、報表的生成, 更重要的是為施工管理帶來了極大的便利, 實現(xiàn)不同專業(yè)之間的協(xié)同性, 降低設(shè)計誤差和施工事故的發(fā)生概率。

相關(guān)學(xué)者對BIM技術(shù)在鋼桁架橋上的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究。汪存書[1]以重慶朝天門大橋為工程背景, 對大跨徑鋼桁架拱橋上部結(jié)構(gòu)關(guān)鍵的施工技術(shù)進(jìn)行了研究, 通過建立臨時結(jié)構(gòu)與主結(jié)構(gòu)共同受力三維模型, 對施工全過程進(jìn)行了模擬仿真分析, 確定了施工主要控制工況、各工況下主結(jié)構(gòu)內(nèi)力、控制節(jié)點位移等參數(shù), 作為施工方案設(shè)計的主要依據(jù)。宋紅飛等[2]以重慶新白沙沱長江大橋鋼桁梁制造項目為依托, 通過BIM技術(shù)在鋼橋制造中的應(yīng)用研究, 將BIM技術(shù)引入鋼橋制造領(lǐng)域中。袁帥等[3]將BIM技術(shù)成功應(yīng)用到跨江鐵路特大橋施工中, 實現(xiàn)了安全、高質(zhì)量、智能化的建造過程, 總結(jié)出基于BIM的鋼桁架橋組合式數(shù)字化拼裝技術(shù)，并從建造階段視角出發(fā), 針對BIM應(yīng)用在各階段分離、模型與數(shù)據(jù)分開的現(xiàn)象, 建立并指出BIM技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系是解決問題的核心。朱奕蓓等[4]利用Autodesk Revit軟件平臺, 通過建立參數(shù)化橋墩、箱梁、鋼筋等族庫, 實現(xiàn)了族模型的自動修改, 并構(gòu)建出鋼桁架加勁PC連續(xù)箱梁橋的模型。章偉等[5]運用BIM-3D技術(shù)對大跨度鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行虛擬仿真施工, 模擬施工工序, 快速完成了技術(shù)交底, 使現(xiàn)場作業(yè)人員充分了解施工方案, 對過程中反映出的問題及時調(diào)整, 提高了施工的安全性和可操作性?？梢? BIM技術(shù)在鋼桁架橋梁上的應(yīng)用較廣, 也取得了很好效益，但由于目前缺乏針對鋼桁架橋的統(tǒng)一信息模型交付標(biāo)準(zhǔn), 阻礙了不同參建方之間的信息傳輸和共享。

本文以曾家?guī)r嘉陵江大橋為工程背景, 通過研究國內(nèi)外相關(guān)信息模型交付標(biāo)準(zhǔn), 結(jié)合山地城市工程項目的特點, 并根據(jù)項目實際情況進(jìn)行細(xì)化, 約定項目拆分原則、命名規(guī)則、模型要求、交付要求、交付物等交付內(nèi)容, 提出了大跨度鋼桁架梁橋的交付標(biāo)準(zhǔn)。

1 工程背景及鋼桁架橋BIM模型建立

1.1 工程背景

重慶市曾家?guī)r嘉陵江大橋為公軌兩用橋, 全長540 m, 主跨跨徑270 m, 主橋結(jié)構(gòu)為剛性懸索加勁連續(xù)鋼桁架梁, 上下雙層布置, 上層為城市主干路雙向六車道, 下層為在建的軌道10號線, 橋梁總寬28.5 m。曾家?guī)r大橋主橋工程概況示意圖如圖1所示[6]。

圖1 曾家?guī)r大橋工程概況圖

1.2 鋼桁架BIM模型構(gòu)建

模型的構(gòu)建是建立在部件、構(gòu)件對象基礎(chǔ)上, 因此在信息模型中, 構(gòu)件的劃分是“獨立的、分離的、用戶需要跟蹤和報告的事物”[8]。項目模型的拆分是進(jìn)行全專業(yè)構(gòu)建的基礎(chǔ), 對于大型橋梁工程項目應(yīng)根據(jù)項目需求進(jìn)行拆分, 以確保橋梁專業(yè)建筑信息模型能夠?qū)崿F(xiàn)有效的管理, 并建立清晰的分類編碼。鋼桁架橋的特點主要有結(jié)構(gòu)分類多、形式復(fù)雜、異形構(gòu)件多、對力的分析要求高和施工工藝復(fù)雜等。在主橋橋梁信息模型的搭建過程中, 按照構(gòu)件的結(jié)構(gòu)功能和受力特點對其進(jìn)行構(gòu)件的劃分, 并充分考慮構(gòu)件拆分的原則(如拆分的細(xì)度、構(gòu)件的交叉重疊等)，這與BIM的建模原則一致。模型構(gòu)件拆分后要對BIM模型的實體構(gòu)件進(jìn)行編碼, 編碼原則的依據(jù)要與國家建筑標(biāo)準(zhǔn)保持一致。同時借鑒《鐵路工程信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》, 并充分參考橋梁工程定額體系、《橋梁工程量清單計價指南》《橋梁工程實體結(jié)構(gòu)分解指南》等現(xiàn)行的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)[9]。對于曾家?guī)r大橋特殊實體構(gòu)件拆分和編碼可進(jìn)行擴充和編制, 并作相應(yīng)的說明。

2 BIM模型交付標(biāo)準(zhǔn)的制定要點

2.1 基本要求和交付原則

2.1.1 基本要求 BIM技術(shù)在設(shè)計階段應(yīng)用的最終目的是傳遞至下游用于工程施工和運營, 故將設(shè)計階段的信息交付至建設(shè)和運營階段至關(guān)重要。在本項目中, BIM模型的交付內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)將根據(jù)行業(yè)規(guī)范、重慶市地方標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和后期管理需求進(jìn)行規(guī)定, 確立一套具備可移植性的標(biāo)準(zhǔn)化交付體系。

在制定交付標(biāo)準(zhǔn)過程中應(yīng)遵循的基本要求適應(yīng)于本項目中所有的專業(yè): 1)信息模型的建模坐標(biāo)應(yīng)與真實工程坐標(biāo)一致, 宜采用原點(0, 0, 0)作為特征點, 并在信息模型使用周期內(nèi)不得變動，對應(yīng)的高程基準(zhǔn)應(yīng)分別采用1956年黃海高程系統(tǒng)和1985國家高程基準(zhǔn); 2)信息模型的建模精度應(yīng)符合工程項目各階段的工作需求, 模型信息深度應(yīng)滿足不同工程階段的使用目的; 3)當(dāng)建模精度幾何尺寸與數(shù)據(jù)信息幾何尺寸不一致時, 應(yīng)以模型信息數(shù)據(jù)作為優(yōu)先采信的有效信息; 4)工程信息模型所描述的對象以及參數(shù)的命名在全生命周期內(nèi)應(yīng)保持一致。

2.1.2 交付原則 ①不同階段模型在數(shù)據(jù)傳遞過程中應(yīng)保證完整性, 不應(yīng)發(fā)生信息丟失或失真; ② 項目應(yīng)采用統(tǒng)一的坐標(biāo)系、原點、度量單位, 并遵守協(xié)同工作規(guī)則與協(xié)定; ③ 模型建模精度、信息粒度宜在滿足BIM應(yīng)用需求的前提下, 采用較低的模型精度, 較高的信息粒度; ④ 共享模型文件命名應(yīng)包含項目名稱、專業(yè)、模型階段、版本信息等。

2.2 交付內(nèi)容

2.2.1 BIM模型包含的元素 參照《重慶市建設(shè)工程信息模型技術(shù)深度規(guī)定》[13], 并結(jié)合曾家?guī)r大橋(剛性懸索加勁連續(xù)鋼桁架梁公軌兩用橋)的特點, 總結(jié)出鋼桁架梁橋交付內(nèi)容, 主要有: 項目全壽命周期各階段(工可、方案比選, 初步設(shè)計, 施工圖設(shè)計, 施工階段, 運維階段)BIM模型包含的元素、設(shè)計階段附屬交付成果，施工階段附屬交付成果和運維階段附屬交付成果。曾家?guī)r大橋設(shè)計階段BIM模型所包含的元素涉及到的專業(yè)有道路工程、橋梁工程、隧道工程等。以主橋模型鋼桁架梁橋為例, 通過對桁架橋梁信息模型進(jìn)行分析, 可知鋼桁架梁橋涉及到構(gòu)件分類明顯, 對應(yīng)拆分包含的元素較多, 曾家?guī)r大橋各階段的模型元素如表1所示。圖2是鋼桁架梁橋的信息模型。

表1 曾家?guī)r大橋各階段的模型元素

圖2 曾家?guī)r大橋模型

2.2.2 設(shè)計階段附屬交付成果 依據(jù)曾家?guī)r大橋的應(yīng)用特點和交付需求, 設(shè)計階段包含的附屬成果有碰撞檢測、工程量統(tǒng)計、工程視圖和虛擬仿真。表2為設(shè)計階段信息模型所包含的交付成果, 并且依據(jù)項目交付需求對交付成果的交付內(nèi)容及對應(yīng)的要求與目標(biāo)都作出了相應(yīng)的規(guī)定。

表2 設(shè)計階段附屬交付成果

2.2.3 施工階段附屬交付成果 在施工階段, 為確保能將BIM技術(shù)用于指導(dǎo)施工、降低施工階段的經(jīng)濟(jì)成本和保障項目施工的質(zhì)量, 對模型的精確度要求較高, 須對設(shè)計階段的模型進(jìn)行深化設(shè)計, 并進(jìn)行施工的模擬、質(zhì)量校核等。表3是依據(jù)交付需求對施工階段附屬交付成果的總結(jié), 包含深化設(shè)計、施工模擬、質(zhì)量校核和竣工記錄。

表3 施工階段信息模型附屬交付成果

2.2.4 運維階段交付成果 運維階段即后期的運營管理階段, 是曾家?guī)r大橋應(yīng)用BIM技術(shù)的重點。將統(tǒng)一編碼的數(shù)字化信息模型導(dǎo)入到管理平臺并制作好數(shù)據(jù)的表格體系, 便于后期信息化的運營管理。運維應(yīng)用階段包含的成果類型有管理平臺和數(shù)據(jù)表格體系。其中, 管理平臺要做到數(shù)字化的運營管理，并制定對應(yīng)的管理方案; 工程中導(dǎo)出的各類工程數(shù)據(jù)表格要真實準(zhǔn)確并設(shè)置嚴(yán)格的數(shù)字化管理體系。表4是運維應(yīng)用階段信息模型常用的交付成果。

表4 運維階段信息模型的交付成果

2.3 交付深度

2.3.1 模型精細(xì)度 BIM模型交付深度的研究是基于信息模型精細(xì)度(level of details, LOD)。模型精細(xì)度是衡量模型包含的信息全面性、細(xì)致程度及準(zhǔn)確性的指標(biāo)。通常通過建模精度和信息深度進(jìn)行評價[14]。模型精細(xì)度可以劃分為5個等級, 分別為LOD100、LOD200、LOD300、LOD400、LOD500, 主要應(yīng)用對應(yīng)的階段分別是工程可行性研究及方案設(shè)計階段、初步設(shè)計階段、施工圖設(shè)計階段、施工階段、運維階段。模型精細(xì)度各等級的劃分不對應(yīng)于建設(shè)工程生命周期的各階段, 即不同的工程階段對模型構(gòu)件的深度等級要求不是唯一固定的, 同一組件不同構(gòu)件可能對應(yīng)的模型精細(xì)度都不一樣, 要根據(jù)不同建設(shè)階段需要制定不同的模型精細(xì)度。

結(jié)合該工程背景特點, 并參照《重慶市建設(shè)工程信息模型技術(shù)深度規(guī)定》, 得出橋梁專業(yè)包含的信息模型建模精度等級, 并列舉出各構(gòu)件各等級的具體內(nèi)容, 具體總結(jié)如表5所示。

表5 橋梁工程信息模型精細(xì)度劃分

2.3.2 建模精度 建模精度是指在不同的模型精細(xì)度下, 建筑工程信息模型幾何信息的全面性、細(xì)致程度及確定性指標(biāo)[15]。在BIM實際應(yīng)用中, 首先要根據(jù)不同階段以及項目的具體目的確定LOD等級, 根據(jù)不同等級概括的模型精度要求確定建模精度。在曾家?guī)r大橋項目設(shè)計階段, 根據(jù)相應(yīng)模型精細(xì)度確定在設(shè)計階段鋼桁架橋的建模精度見表6。

表6 橋梁工程專業(yè)設(shè)計應(yīng)用階段建模精度

2.3.3 信息深度 信息深度指在不同的模型精細(xì)度下, 建筑工程信息模型所容納的幾何信息和非幾何信息的單元大小和健全程度。曾家?guī)r大橋信息模型的信息深度應(yīng)符合表7規(guī)定。

表7 曾家?guī)r大橋設(shè)計階段項目構(gòu)件信息

3 結(jié)束語

通過研究國內(nèi)外相關(guān)信息模型交付標(biāo)準(zhǔn), 結(jié)合曾家?guī)r大橋鋼桁架橋梁的特點, 建立了一套從設(shè)計端到施工端直到運維端的BIM成果交付標(biāo)準(zhǔn), 完善重慶市地方標(biāo)準(zhǔn)《重慶市市政工程信息模型交付標(biāo)準(zhǔn)》, 為山地城市市政工程項目交付標(biāo)準(zhǔn)提供參照。后期根據(jù)企業(yè)自身的業(yè)務(wù)特點, 通過工程項目實踐, 不斷總結(jié)歸納經(jīng)驗, 逐步改進(jìn)并完善, 最終制定企業(yè)層級的信息模型交付標(biāo)準(zhǔn), 使其成為企業(yè)層級BIM實施戰(zhàn)略的重要組成部分。