BIM技術(shù)在鋼箱拱組合梁橋三角區(qū)鋼筋碰撞分析中的應(yīng)用

李 建 朱飛飛

(華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院 江西南昌 330013)

1 引言

鋼箱拱組合梁橋結(jié)構(gòu)造型復(fù)雜，結(jié)構(gòu)行為與受力特點不易把握，尤其在三角區(qū)V腿交叉位置和梁拱結(jié)合部受力較為復(fù)雜[1－3]。因此，鋼箱拱組合梁橋三角區(qū)局部鋼筋布置困難，鋼筋之間容易發(fā)生碰撞、沖突。BIM精細(xì)化模型能夠精確建立鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼束布置位置，并對鋼筋進行碰撞檢查，避免施工過程中發(fā)生位置沖突[4－9]。鑒于BIM技術(shù)在鋼筋碰撞檢查方面的優(yōu)異作用，國內(nèi)已有一些學(xué)者對該方向展開了研究。韋華威等[10]以西安火車站改擴建項目中梁柱節(jié)點為例，建立梁柱節(jié)點的BIM鋼筋模型，對BIM技術(shù)在梁柱節(jié)點配筋優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用進行了研究。黃聚生[11]依托濟南繞城高速公路，利用BIM技術(shù)，檢查了梁體鋼筋、預(yù)埋件等構(gòu)件的碰撞點。錢搏健[12]基于Revit二次開發(fā)，研究了橋梁工程中鋼筋的建模方法與應(yīng)用。葉兆平等[13]在浙江建工嘉興港區(qū)濱海會展中心項目中應(yīng)用了BIM技術(shù)進行鋼筋碰撞檢查，分析并總結(jié)了信息化技術(shù)在大型公建項目鋼筋集中加工中的應(yīng)用前景。張鵬程[14]對常見鋼筋碰撞節(jié)點進行分類分析并提出建議措施，將其歸納為4類，同時提出基于BIM的鋼筋深化設(shè)計流程。孟卓[15]對鋼結(jié)構(gòu)BIM模型與鋼筋BIM模型優(yōu)化整合，通過模型模擬預(yù)判碰撞位置，對型鋼混凝土梁柱節(jié)點進行三維模型展示。結(jié)合節(jié)點部位的型鋼構(gòu)造，優(yōu)化排布節(jié)點部位梁、柱鋼筋的排布方式。目前，國內(nèi)采用BIM技術(shù)在鋼筋布置方面的應(yīng)用主要集中在房建領(lǐng)域，對于鋼箱拱組合梁橋三角區(qū)局部鋼筋碰撞分析的研究較少，本文依托實際工程項目—象山大橋，對鋼箱拱組合梁橋三角區(qū)局部鋼筋碰撞分析進行了研究，提出了一些優(yōu)化碰撞分析操作的方法，避免了象山大橋三角區(qū)鋼筋施工時發(fā)生沖突，為以后類似工程項目提供了參考與借鑒。

2 工程概況及研究技術(shù)路線

2.1 工程概況

象山大橋位于江西省鷹潭市內(nèi)，主橋上部結(jié)構(gòu)為(80＋160＋80)m預(yù)應(yīng)力混凝土梁拱組合橋，由主梁(變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁)、拱肋結(jié)構(gòu)(主拱上下弦、副拱)、吊桿及系桿組成。主梁橫截面采用單箱三室斜腹板截面，頂板寬26.5 m，頂面橫坡為2.0%，變截面箱梁底緣為二次拋物線，主梁采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系。主墩采用V型實體墩樁基承臺結(jié)構(gòu)。P12號墩高23.5 m，V型墩斜腿高6.5 m，V型墩墩座高7.0 m。P13號墩高22.5 m，V型墩斜腿高16.5 m，V型墩墩座高6.0 m。V型墩斜腿厚2.5 m，采用C50鋼筋砼。V型墩墩座采用C40鋼筋砼，長×寬＝12.428 m×6.2 m。象山大橋剖面圖如圖1所示。

圖1 象山大橋剖面圖

2.2 技術(shù)路線

當(dāng)全橋BIM模型考慮鋼筋布置時，對計算機硬件等配置和軟件性能要求較高，極大影響建模效率。因此，本文首先采用Autodesk Revit軟件建立象山大橋BIM全橋三維模型，然后從全橋模型中提取三角區(qū)關(guān)鍵區(qū)域的構(gòu)件族，補充該區(qū)域鋼筋模型，進行三角區(qū)鋼筋碰撞分析。技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 技術(shù)路線

3 三角區(qū)BIM模型建立

3.1 橋梁構(gòu)件建立

首先，依據(jù)設(shè)計圖紙將該鋼箱拱組合梁橋進行構(gòu)件層面的拆分；其次，通過Revit族中放樣、融合等功能模塊，分別對橋梁各個構(gòu)件進行建模；最后，獲得象山大橋樁基礎(chǔ)、拱肋、橋墩和主梁等構(gòu)件。該鋼箱拱組合梁橋主橋箱梁為單箱三室變截面箱梁，建模過程較為復(fù)雜，下面以象山大橋主梁3＃塊為例。

(1)在Revit族樣板中選擇“公制輪廓族”，依照主梁3＃塊截面的輪廓圖紙，分別創(chuàng)建內(nèi)、外輪廓族，定義輪廓參數(shù)，添加約束，實現(xiàn)箱梁輪廓參數(shù)化建模。

(2)在Revit族樣板中，選擇“公制常規(guī)模型”，然后將箱梁構(gòu)件族所需的參數(shù)屬性、參照平面系統(tǒng)和相關(guān)標(biāo)識添加到族樣板中。使用“公制常規(guī)模型”樣板文件中的放樣融合工具定位放樣中心線，載入箱梁截面輪廓族，然后創(chuàng)建箱梁模型，如圖3所示。

圖3 象山大橋箱梁3＃塊族模型

3.2 全橋模型搭建

當(dāng)橋梁中所有構(gòu)件族搭建完成后，便可以通過新建橋梁項目文件創(chuàng)建軸網(wǎng)、設(shè)定標(biāo)高、確定參照平面；再將各個構(gòu)件族文件載入到新建的項目文件中；最后通過軸網(wǎng)和標(biāo)高的控制，根據(jù)設(shè)計坐標(biāo)放置各個構(gòu)件族，拼接成完整橋梁模型。象山大橋全橋BIM模型如圖4所示。

圖4 象山大橋全橋BIM模型

3.3 三角區(qū)鋼筋模型建立

3.3.1 主橋V墩鋼筋模型建立

主橋V墩鋼筋多為常見的鋼筋樣式，所以，本文使用Revit軟件自帶的鋼筋功能創(chuàng)建此處鋼筋模型。

(1)選擇合適視圖。Revit軟件中，支持多種視角、視圖模式，包括三維模式，其在空間上自由度很高。在建模過程中，可根據(jù)情況來確定視圖，以達(dá)到準(zhǔn)確、快速建模的目的。因鋼筋模塊是基于混凝土構(gòu)件，所以在創(chuàng)建鋼筋模型時，對主橋V墩局部選擇合適的位置增加剖面，采用剖面視圖進行配筋設(shè)計。

(2)確定混凝土保護層厚度。根據(jù)結(jié)構(gòu)施工圖紙及相關(guān)規(guī)范，確定相應(yīng)保護層厚度。Revit軟件中保護層設(shè)置應(yīng)先選擇主體單元，然后進行保護層的設(shè)定。

(3)選擇鋼筋參數(shù)設(shè)置及繪制。Revit軟件中擁有自帶的鋼筋族庫，對于常見的普通鋼筋形狀，可以通過鋼筋瀏覽器查看所需的鋼筋形狀。選擇對應(yīng)形狀的鋼筋，按照設(shè)計圖紙更改鋼筋編號、創(chuàng)建鋼筋實例，方便后期相同鋼筋的放置與查找。鋼筋放置之前應(yīng)按照設(shè)計圖紙設(shè)定鋼筋材質(zhì)、直徑、彎曲半徑、彎鉤長度及角度等參數(shù)。設(shè)置完鋼筋信息后，通過手動調(diào)節(jié)鋼筋防銹長度，放置于混凝土主體內(nèi)。對于非常規(guī)鋼筋(如弧形鋼筋)，Revit軟件中有“繪制鋼筋”的功能，在確定合適的剖面視圖后，根據(jù)設(shè)計圖紙手動對鋼筋路徑進行繪制，再添加鋼筋參數(shù)。主橋V墩鋼筋BIM模型如圖5所示。

圖5 主橋V墩鋼筋BIM模型

3.3.2 主梁預(yù)應(yīng)力鋼筋模型建立

主梁預(yù)應(yīng)力鋼筋類型較多，各類型預(yù)應(yīng)力鋼筋尺寸不一，且在項目中定位不規(guī)則，直接使用Revit軟件自帶的鋼筋功能創(chuàng)建模型的工作量較大。本文在創(chuàng)建預(yù)應(yīng)力鋼筋模型過程中，采用與創(chuàng)建橋梁構(gòu)件模型相同的方法，先創(chuàng)建預(yù)應(yīng)力鋼筋族庫，再在項目中進行拼裝，搭建完整模型。具體流程如下:

(1)劃分主梁預(yù)應(yīng)力類別。將復(fù)雜的主梁預(yù)應(yīng)力按放置位置與模型相似度劃分為頂板橫向預(yù)應(yīng)力束、主梁預(yù)應(yīng)力頂板懸臂束(底層)、主梁預(yù)應(yīng)力頂板懸臂束(頂層)、主梁預(yù)應(yīng)力頂板懸臂束(中層)、主梁預(yù)應(yīng)力腹板彎起束、豎向預(yù)應(yīng)力筋等6個類型進行族模型的創(chuàng)建以及主梁預(yù)應(yīng)力整體模型的搭建。

(2)主梁預(yù)應(yīng)力束參數(shù)化建模。選擇Revit軟件中的“公制常規(guī)模型”作為族樣板，使用放樣功能繪制主梁預(yù)應(yīng)力束路徑和截面，添加長度和彎起角度等共享參數(shù)。

各類別預(yù)應(yīng)力束只需創(chuàng)建一個模型，其余模型可以通過修改參數(shù)的方式快速建模。

(3)主梁預(yù)應(yīng)力鋼筋整體模型搭建。在項目文件中載入主梁預(yù)應(yīng)力束族模型，選擇合適的視圖，通過不同截面上的位置調(diào)整，對每根預(yù)應(yīng)力束進行精確定位放置，拼接成完整的主梁預(yù)應(yīng)力束模型。預(yù)應(yīng)力束模型放置完成后，利用Revit自帶的鋼筋功能創(chuàng)建豎向預(yù)應(yīng)力筋模型。主梁預(yù)應(yīng)力鋼筋BIM模型如圖6所示。

圖6 主梁預(yù)應(yīng)力鋼筋BIM模型

4 三角區(qū)鋼筋碰撞分析

基于已建立的三角區(qū)BIM模型，選用Navisworks軟件對象山大橋三角區(qū)進行鋼筋碰撞分析。Navisworks與Revit模型之間的交互較為簡便，且Navisworks具有操作簡便、碰撞類型豐富等優(yōu)勢，是目前最常用的碰撞分析軟件之一。

鋼箱拱組合梁橋三角區(qū)由主梁0＃塊和V腿墩相交形成，構(gòu)件之間鋼筋交叉布置，且數(shù)量多、位置密集，要完成該部位碰撞分析工作，對電腦配置有較高要求，且模型分析耗時較長。本文將此工作劃分為3個分項目分別進行碰撞分析。

4.1 主梁預(yù)應(yīng)力鋼筋碰撞分析

使用Navisworks軟件對主橋預(yù)應(yīng)力鋼筋模型進行碰撞分析，具體流程如下:

(1)Navisworks軟件不能直接讀取Revit模型，需要經(jīng)過中間文件格式的轉(zhuǎn)換達(dá)到模型間的交互。Revit軟件可以將主橋預(yù)應(yīng)力鋼筋模型導(dǎo)出為nwc文件格式供Navisworks軟件讀取。

(2)在Navisworks中打開模型nwc文件，使用Clash Detective功能，添加檢測項目，在檢測項目中選擇預(yù)應(yīng)力鋼筋以及三角區(qū)其他構(gòu)件作為碰撞模型并勾選自碰撞選項，設(shè)置碰撞類型為硬碰撞、碰撞公差為1 mm，然后運行檢測。

(3)碰撞檢測結(jié)束后，可以根據(jù)用戶所需的內(nèi)容選擇需要導(dǎo)出的信息，導(dǎo)出碰撞報告。

(4)Navisworks導(dǎo)出的碰撞報告對模型每個碰撞點都進行了描寫，但這種形式的碰撞報告在實際項目中并不適用，所以需要人工篩選整合同類型的碰撞信息，編寫可供項目使用的碰撞報告。

4.2 主橋V墩鋼筋碰撞分析

使用Navisworks軟件對主橋V墩鋼筋模型進行碰撞分析的操作流程與4.1節(jié)相似，由于橋梁V墩內(nèi)部除鋼筋外并無其他構(gòu)件，選擇碰撞模型時只需選擇結(jié)構(gòu)鋼筋進行碰撞分析即可。

4.3 墩梁結(jié)合部鋼筋碰撞分析

象山大橋主橋V墩鋼筋設(shè)計時，在主橋V墩上部有一部分鋼筋伸入箱梁內(nèi)部，這部分鋼筋容易與主橋預(yù)應(yīng)力鋼筋發(fā)生空間位置上的沖突，所以需要對主橋預(yù)應(yīng)力鋼筋與主橋V墩鋼筋之間的碰撞情況進行分析。

為了進行兩個模型之間的碰撞分析，需要將兩個模型的Revit項目文件結(jié)合。將構(gòu)件數(shù)較少的主橋預(yù)應(yīng)力鋼筋模型鏈接進入主橋V墩鋼筋模型文件，形成三角區(qū)局部鋼筋BIM模型。Revit可以根據(jù)鏈接模型原項目文件的坐標(biāo)在新文件中放置模型，因此，在三角區(qū)局部鋼筋BIM模型，主橋預(yù)應(yīng)力鋼筋模型與主橋V墩鋼筋模型的空間位置并不會產(chǎn)生變化。

模型修改完成后，碰撞分析的具體流程與4.1節(jié)相似。分別選擇主橋預(yù)應(yīng)力鋼筋模型與主橋V墩鋼筋模型為碰撞模型進行相互碰撞，由于4.1節(jié)、4.2節(jié)中已進行過鋼筋的自碰撞，所以該部分碰撞分析不勾選自碰撞選項。

4.4 碰撞分析結(jié)果

(1)通過對主梁預(yù)應(yīng)力鋼筋進行碰撞分析得到如下結(jié)果:主橋下弦拱腳與橫向預(yù)應(yīng)力、縱向預(yù)應(yīng)力4-T0、4-J06、4-T13、4-T3 有位置沖突。主梁預(yù)應(yīng)力鋼筋碰撞報告示例如圖7所示。

(2)通過對主橋V墩鋼筋進行碰撞分析得到碰撞位置如下:橋墩鋼筋 N1與鋼筋 N2、N3、N3a、N4a、N6、N7、N8、N9、N10、N11、N12、N16、N19；橋墩鋼筋 N2與鋼筋 N5、N6、N7、N8、N10、N11、N12、N19；橋墩鋼筋N3 與鋼筋 N4、N5、N6、N7、N11、N12；橋墩鋼筋 N4 與鋼筋 N5、N6、N11、N12、N16；橋墩鋼筋 N5 與鋼筋 N7、N8、N11、N12；橋墩鋼筋 N6 與鋼筋 N7、N8、N9、N11、N12。

(3)通過對墩梁結(jié)合部鋼筋進行碰撞分析得到如下結(jié)果:豎向預(yù)應(yīng)力筋與鋼筋N7、N15、N20有位置沖突。

圖7 碰撞報告示例

5 結(jié)束語

(1)基于Revit軟件介紹了象山大橋BIM參數(shù)化建模步驟，建立了象山大橋全橋BIM模型，為后續(xù)鋼筋模型的創(chuàng)建提供了載體，從三維角度能夠更加直觀地反映鋼箱拱組合梁橋構(gòu)件之間的沖突關(guān)系。

(2)基于Revit軟件建立象山大橋三角區(qū)鋼筋模型，采用將模型分割后獨立創(chuàng)建的方法創(chuàng)建鋼筋模型，降低了對電腦配置的需求，提高了建模速度。將預(yù)應(yīng)力鋼筋分類型創(chuàng)建，使其能夠應(yīng)用參數(shù)化建模，提高建模效率。

(3)介紹了Navisworks軟件對Revit模型進行碰撞分析的操作流程?；贜avisworks軟件，將象山大橋三角區(qū)鋼筋模型碰撞分析分割為3個分項目分別進行碰撞檢查，降低了該項工作對電腦配置的需求，加快了軟件進行碰撞分析的速度。將導(dǎo)出的碰撞報告手動篩選、整理后得到可供項目使用的碰撞報告，為象山大橋三角區(qū)鋼筋圖紙的優(yōu)化提供參考。