李家沱長(zhǎng)江復(fù)線橋BIM正向設(shè)計(jì)

(林同棪國(guó)際工程咨詢(xún)(中國(guó))有限公司，重慶 401121)

引言

經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展和論證，全國(guó)各地均認(rèn)可BIM的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，BIM作為基于可視化建筑信息模型的信息集成和管理技術(shù)，先天具有可視化、模擬性、協(xié)同性、優(yōu)化性、節(jié)約成本、共建共享等優(yōu)勢(shì)[1]。隨著我國(guó)綜合國(guó)力的提升，正在建設(shè)更多大型復(fù)雜的橋梁、建筑結(jié)構(gòu)，對(duì)BIM技術(shù)的需求已迫在眉睫，其應(yīng)用的推廣趨勢(shì)已不可阻擋。

本文介紹了李家沱長(zhǎng)江復(fù)線橋的BIM應(yīng)用，采用自主探索的“R+GH+R”正向設(shè)計(jì)路線，充分融合各軟件的強(qiáng)大功能，在已有類(lèi)似橋梁BIM技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，針對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行深入分析和拓展應(yīng)用，極大提升了設(shè)計(jì)品質(zhì)與設(shè)計(jì)效率。

1 項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

李家沱長(zhǎng)江復(fù)線橋工程北起九龍坡區(qū)九龍半島，南至巴南區(qū)李家沱，復(fù)線橋位于現(xiàn)狀李家沱長(zhǎng)江大橋上游側(cè)約52m處平行跨越長(zhǎng)江，大橋主橋?yàn)槁奋墐捎脴?，橋面為路軌同層非?duì)稱(chēng)布置，一側(cè)為市政道路(四縱線)單向4車(chē)道，另一側(cè)為雙線軌道交通(18號(hào)線)。

大橋全長(zhǎng)1 306m，其中主橋長(zhǎng)986.7m，主跨跨徑454m，是國(guó)內(nèi)首座路軌同層非對(duì)稱(chēng)布置兩用斜拉橋，橋?qū)?3.95m[2]。本橋總體布置見(jiàn)圖1，總體透視效果見(jiàn)圖2。

1.2 項(xiàng)目特點(diǎn)

跨江主橋采用跨徑布置為(68.4+150.8+454+161.3+102.2+50)m的雙塔雙索面斜拉橋，與老橋及周邊的地理環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一。主梁采用流線型扁平鋼箱梁，斜拉索布置采用扇形空間索面。為與老橋形式匹配，橋塔采用鉆石型的H型橋塔結(jié)構(gòu)。受控于總體線路技術(shù)、景觀、站點(diǎn)、總投資等綜合因素影響，本橋橋面為路軌同層非對(duì)稱(chēng)布置，橋面上游側(cè)為單向4車(chē)道，下游側(cè)為雙線軌道，尚屬于國(guó)內(nèi)首例。該橋各重要組成結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)詳見(jiàn)表1。

圖1 總體布置圖(單位：cm)

圖2 總體透視效果

表1 李家沱長(zhǎng)江復(fù)線設(shè)計(jì)特點(diǎn)

李家沱長(zhǎng)江復(fù)線橋涉及專(zhuān)業(yè)多，涵蓋道路、橋梁、軌道、線路、限界、接觸網(wǎng)、信號(hào)、疏散平臺(tái)、聲屏障、結(jié)構(gòu)、排水、交通、景觀、電照等數(shù)十個(gè)專(zhuān)業(yè)，并具有結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜、施工工序繁多的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)過(guò)程中的協(xié)調(diào)和相互配合工作量大，需要借助BIM正向協(xié)同設(shè)計(jì)手段以確保設(shè)計(jì)產(chǎn)品質(zhì)量。因此，項(xiàng)目從方案設(shè)計(jì)階段開(kāi)始運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行三維正向設(shè)計(jì)，并積極引入方案智能適配、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、3D打印技術(shù)、虛擬建造及移動(dòng)交互體驗(yàn)等新技術(shù)，以直觀高效地表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)BIM模型的賦能增值。

2 BIM技術(shù)應(yīng)用概況

2.1 BIM應(yīng)用目標(biāo)

在總結(jié)以往橋梁BIM技術(shù)應(yīng)用[3]的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目進(jìn)一步深化和拓展了BIM技術(shù)應(yīng)用點(diǎn)，明確了李家沱長(zhǎng)江復(fù)線橋BIM應(yīng)用總體目標(biāo)，借助BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)全階段實(shí)現(xiàn)直接在三維軟件環(huán)境中設(shè)計(jì)，以三維模型為出發(fā)點(diǎn)和數(shù)據(jù)源，完成從方案設(shè)計(jì)到施工圖設(shè)計(jì)的全過(guò)程工作，所形成的三維模型能夠準(zhǔn)確地反映設(shè)計(jì)意圖和體現(xiàn)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，并能夠利用三維模型及其參數(shù)信息，自動(dòng)生成所需要的圖紙及文檔，完成各專(zhuān)業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)[4]。

為進(jìn)一步拓展設(shè)計(jì)服務(wù)的產(chǎn)業(yè)鏈，自主研發(fā)了方案智能適配系統(tǒng)、BIM模型管理系統(tǒng)及數(shù)智運(yùn)維云平臺(tái)，并引入云計(jì)算、沉浸式全景漫游、施工仿真技術(shù)及移動(dòng)端交互式體驗(yàn)等技術(shù)，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量，保障設(shè)計(jì)進(jìn)度，發(fā)揮BIM模型的附加值。

圖3 “R+GH+R”橋梁BIM技術(shù)路線

2.2 R+GH+R協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)

為滿(mǎn)足上述項(xiàng)目應(yīng)用目標(biāo)，在進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)選擇時(shí)，應(yīng)具備優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、數(shù)據(jù)共享、高效協(xié)同、信息無(wú)損傳遞，以便打造智慧設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)精細(xì)化設(shè)計(jì)[5]。為避免BIM模型在不同軟件間信息傳遞過(guò)程中的丟失，本項(xiàng)目采用基于“R+GH+R”進(jìn)行全階段的BIM協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)。該平臺(tái)集成了具有強(qiáng)大建模功能的三維造型軟件Rhinoceros(以下簡(jiǎn)稱(chēng)R)、參數(shù)化設(shè)計(jì)創(chuàng)新領(lǐng)域的設(shè)計(jì)插件Grasshopper(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GH)、族庫(kù)存儲(chǔ)及信息化集成軟件Revit(以下簡(jiǎn)稱(chēng)R)的綜合優(yōu)勢(shì)。該協(xié)同平臺(tái)充分發(fā)揮了Rhino的造型優(yōu)勢(shì)，并在此基礎(chǔ)上借助GH插件進(jìn)行可視化編程，打通了傳統(tǒng)軟件間數(shù)據(jù)難以互通的技術(shù)壁壘[6]； 同時(shí)可高效地進(jìn)行定制化二次開(kāi)發(fā)，確保數(shù)據(jù)信息的高效流通； 最后，借助Revit模型進(jìn)行信息編輯和集成，以.rvt格式進(jìn)行BIM數(shù)據(jù)交付。故該平臺(tái)具備造型能力強(qiáng)、易于定制化二次開(kāi)發(fā)、參數(shù)化程度高、模型輕量化且協(xié)作效率高等綜合性?xún)?yōu)勢(shì)?！癛+GH+R”橋梁BIM技術(shù)路線如圖3所示。

2.3 硬件環(huán)境

在企業(yè)數(shù)智化部門(mén)及平臺(tái)管理技術(shù)人員等多方支持下，配備公用服務(wù)器、云計(jì)算平臺(tái)、高配臺(tái)式電腦、3D打印設(shè)備、輕型VR設(shè)備等搭建協(xié)同設(shè)計(jì)硬件環(huán)境。本項(xiàng)目中的硬件環(huán)境如表2所示。

表2 硬件環(huán)境

圖4 正向設(shè)計(jì)流程

3 BIM正向設(shè)計(jì)與分析

3.1 BIM正向設(shè)計(jì)流程

由于本橋技術(shù)難度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在設(shè)計(jì)之初確定了本項(xiàng)目BIM應(yīng)用目標(biāo)和建模原則，一方面需進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)和提高BIM正向設(shè)計(jì)的工作效率與協(xié)同，另一方面將正向設(shè)計(jì)成果應(yīng)用于運(yùn)維階段，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與運(yùn)維的融合應(yīng)用。

為保證各專(zhuān)業(yè)間的協(xié)同效率，規(guī)范各專(zhuān)業(yè)的正向設(shè)計(jì)行為，借助制定的正向設(shè)計(jì)作業(yè)流程與定制的作業(yè)模板，保證BIM模型的信息實(shí)時(shí)交互與共享，將制模標(biāo)準(zhǔn)集成至正向設(shè)計(jì)模板族中，進(jìn)行統(tǒng)一的構(gòu)件族庫(kù)及信息管理。另外，將正向設(shè)計(jì)模板文件加入到正向設(shè)計(jì)流程管理中，有效地保證了專(zhuān)業(yè)間的設(shè)計(jì)高效協(xié)同。本項(xiàng)目正向設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用到的模板庫(kù)如圖4所示。

3.2 BIM模型構(gòu)建

在正向設(shè)計(jì)初期，對(duì)BIM模型按照“總體到局部”的原則進(jìn)行模型拆分，如圖5所示。應(yīng)用上述三維正向設(shè)計(jì)模板進(jìn)行各設(shè)計(jì)階段的正向設(shè)計(jì)，有效規(guī)范正向設(shè)計(jì)的成果，提升效率。

正向設(shè)計(jì)具體操作流程如下：

1)結(jié)合本項(xiàng)目特點(diǎn)實(shí)際情況，制定正向設(shè)計(jì)基本原則[7]；

圖5 結(jié)構(gòu)拆分原則

2)借助自主研發(fā)的三維地形地質(zhì)環(huán)境模型生成模塊，基于地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)，快速生成場(chǎng)地范圍內(nèi)的地形地質(zhì)模型；

3)借助自主研發(fā)的橋梁方案智能適配系統(tǒng)，快速匹配與場(chǎng)地環(huán)境相適應(yīng)的橋梁方案，為方案的確定提高效率；

4)借助參數(shù)化設(shè)計(jì)手段，針對(duì)不同設(shè)計(jì)階段，逐步深化參數(shù)化骨架模型，并借助定制化的二次開(kāi)發(fā)批量導(dǎo)出骨架模型數(shù)據(jù)信息，快速進(jìn)行計(jì)算信息和二維圖紙信息交互；

5)對(duì)于常規(guī)族構(gòu)件，建立豐富可調(diào)的參數(shù)化常規(guī)構(gòu)件族庫(kù)[8]，本項(xiàng)目新增入庫(kù)零件563個(gè)，其中參數(shù)化族庫(kù)新增125個(gè)；

6)對(duì)于復(fù)雜構(gòu)件，借助企業(yè)日益完善的參數(shù)化構(gòu)件族庫(kù)，高效、精準(zhǔn)地完成復(fù)雜構(gòu)件的三維正向設(shè)計(jì)；

7)利用骨架模型獲取構(gòu)件及組件系統(tǒng)的定位信息，按照下部、上部、附屬的順序進(jìn)行構(gòu)件及組件系統(tǒng)的組拼[6]；

8)借助定制的數(shù)據(jù)接口將Rhino模型批量交互至Revit中，并據(jù)此拓展構(gòu)件屬性，信息深度達(dá)到施工圖設(shè)計(jì)要求，并可有效拓展運(yùn)維信息；

9)將各專(zhuān)業(yè)模型鏈接至中心地質(zhì)地形模型文件，實(shí)現(xiàn)模型信息的分類(lèi)權(quán)限管理和實(shí)時(shí)共享，以滿(mǎn)足BIM正向設(shè)計(jì)協(xié)同要求。

3.3 BIM設(shè)計(jì)應(yīng)用

本項(xiàng)目結(jié)合GIS地理信息系統(tǒng)，借助自主研發(fā)地形地質(zhì)環(huán)境生成系統(tǒng)，快速搭建場(chǎng)地模型，同時(shí)借助自主研發(fā)的方案智能生成系統(tǒng)，將場(chǎng)地模型與橋梁BIM模型相融合，在場(chǎng)地環(huán)境中對(duì)橋型方案進(jìn)行優(yōu)化比選，最終確定項(xiàng)目實(shí)施方案。

由于本橋結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜，計(jì)算比選及三維表現(xiàn)工作量大，為更好地進(jìn)行前期方案溝通，借助云計(jì)算革新傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，節(jié)省了計(jì)算和渲染時(shí)間70%以上。復(fù)雜多樣的密集型數(shù)據(jù)處理亟需云計(jì)算技術(shù)，其計(jì)算容量大、支持種類(lèi)多且更新迭代速度快，一方面可以大大提升日常工作效率，另一方面也可為未來(lái)的大數(shù)據(jù)信息處理提供一個(gè)安全性高、容納大的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)[9]。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中交流互動(dòng)和專(zhuān)家評(píng)審時(shí)，利用720和VR技術(shù)進(jìn)行沉浸式全景漫游、三維動(dòng)態(tài)瀏覽及互動(dòng)性展示，實(shí)現(xiàn)了大橋全視角、真實(shí)景、高清晰的在線體驗(yàn)，極大提升溝通效率。

針對(duì)橋塔、主梁等結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化比選，對(duì)景觀造型及力學(xué)性能進(jìn)行分析，優(yōu)化構(gòu)造細(xì)節(jié)，為準(zhǔn)確把控項(xiàng)目建成后的效果，借助3D打印技術(shù)進(jìn)行感官性能分析與比選，幫助參建方充分理解設(shè)計(jì)意圖。

針對(duì)拉索及錨固構(gòu)造等特殊空間結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)了一序列智能提效工具，用于快速地進(jìn)行空間定位及三維出圖，并實(shí)時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)碰撞檢查，以減少錯(cuò)、漏、碰、缺。

設(shè)計(jì)出圖方面，利用“三維+二維+智慧圖紙”相結(jié)合的方式，圖紙表達(dá)更加清晰直觀。本項(xiàng)目正向設(shè)計(jì)出圖率達(dá)70%。基于BIM+AR技術(shù)研發(fā)“橋梁智慧圖紙”，可實(shí)現(xiàn)掃碼后直接呈現(xiàn)構(gòu)件的BIM模型，使參建各方能夠快速、準(zhǔn)確地了解復(fù)雜構(gòu)造。

結(jié)構(gòu)計(jì)算方面，利用參數(shù)化技術(shù)快速交互結(jié)構(gòu)計(jì)算信息，進(jìn)行全橋有限元計(jì)算分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。同時(shí)，開(kāi)發(fā)了與有限元分析軟件的無(wú)縫接口，實(shí)現(xiàn)了BIM模型與FEM分析軟件數(shù)據(jù)模型的無(wú)損傳遞、實(shí)時(shí)更新。

通過(guò)引入BIM正向設(shè)計(jì)技術(shù)，借助定制化的二次開(kāi)發(fā)，本項(xiàng)目在工作效率、設(shè)計(jì)品質(zhì)、溝通表現(xiàn)、計(jì)算交互和正向出圖等方面均取得了良好的應(yīng)用效果?；谌S的BIM正向設(shè)計(jì)，有效地提升設(shè)計(jì)溝通效率，并提升了設(shè)計(jì)品質(zhì)，具體應(yīng)用效果如表3所示。

表3 BIM應(yīng)用效果

4 BIM創(chuàng)新應(yīng)用

4.1 智慧設(shè)計(jì)

自主研發(fā)并搭建“方案快速生成系統(tǒng)”，建立可維護(hù)的開(kāi)放型橋梁設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)，基于項(xiàng)目實(shí)踐不斷擴(kuò)充橋梁方案資源庫(kù)。該系統(tǒng)由智能檢索、信息維護(hù)與共享、用戶(hù)權(quán)限管理、方案適配系統(tǒng)等功能組成，大大提升了前期方案創(chuàng)作的效率。方案快速生成系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 方案快速生成系統(tǒng)

基于定制化的二次開(kāi)發(fā)和知識(shí)沉淀，研發(fā)“BIM模型管理系統(tǒng)”，集成企業(yè)三維設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)，進(jìn)行三維模型構(gòu)件的信息管理，可快速實(shí)現(xiàn)模型轉(zhuǎn)換、預(yù)覽、集成及共享，大幅提升設(shè)計(jì)溝通效率。BIM模型管理系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 BIM模型管理系統(tǒng)

4.2 虛擬建造

利用BIM施工仿真技術(shù)避免施工過(guò)程中的碰撞問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)施工組織優(yōu)化。鑒于本橋施工工法的特殊性和復(fù)雜性，采用4D動(dòng)態(tài)模擬平臺(tái)進(jìn)行施工全過(guò)程的三維可視化施工模擬[10]。其中基礎(chǔ)采用鋼圍堰施工； 橋塔及墩柱均采用爬模施工； 主橋中跨鋼箱梁節(jié)段船運(yùn)就位后，采用懸臂拼裝施工； 通過(guò)特制吊裝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)起梁、旋轉(zhuǎn)、梁上運(yùn)梁等作業(yè)。為避免對(duì)既有交通運(yùn)營(yíng)的影響，兩側(cè)邊跨主梁采用步履式頂推工藝。關(guān)鍵施工過(guò)程如圖8所示。

圖8 關(guān)鍵施工過(guò)程

4.3 數(shù)智運(yùn)維

為進(jìn)一步拓展設(shè)計(jì)階段BIM模型的應(yīng)用價(jià)值，本項(xiàng)目已成功接入自主研發(fā)的數(shù)智運(yùn)維云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)維管理的可視化、信息化、智能化。平臺(tái)由感知層、傳輸層和應(yīng)用層組成，賦能軌道橋梁數(shù)智升級(jí)。

考慮本項(xiàng)目全生命周期信息傳遞的有效性，平臺(tái)集成BIM模型并建立三維檔案庫(kù)，實(shí)現(xiàn)大橋全景展示與信息互聯(lián)，提升了溝通效率。

本橋跨度大、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，需采用多維度數(shù)據(jù)支撐運(yùn)維管理?；谥悄鼙O(jiān)測(cè)與人工檢查相結(jié)合的方式，大幅提升索力、應(yīng)力、變形等信息的采集效率，并構(gòu)建了全方位的評(píng)價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)自動(dòng)化與預(yù)警智能化。

通過(guò)制定數(shù)據(jù)對(duì)接規(guī)范，提升了Web、APP與云端互聯(lián)互通的安全性，利用自診斷分析保障數(shù)據(jù)完整性與可靠性，基于移動(dòng)智能終端驅(qū)動(dòng)信息傳遞，實(shí)現(xiàn)了全過(guò)程評(píng)判智能化、檔案管理信息化。數(shù)智運(yùn)維云平臺(tái)如圖9所示。

圖9 數(shù)智運(yùn)維云平臺(tái)

5 結(jié)論

本文介紹了李家沱長(zhǎng)江復(fù)線橋正向設(shè)計(jì)與數(shù)智運(yùn)維內(nèi)容，基于正向設(shè)計(jì)和數(shù)智運(yùn)維云平臺(tái)，集成BIM模型的可視化、參數(shù)化、信息化和一模多用的特點(diǎn)，打造基于“正向設(shè)計(jì)+數(shù)智運(yùn)維”的創(chuàng)新服務(wù)模式。自主研發(fā)橋梁方案快速生成系統(tǒng)和BIM模型管理系統(tǒng)，集成企業(yè)設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)，大幅提升方案創(chuàng)作和正向設(shè)計(jì)效率，助力智慧橋梁的發(fā)展。引入云計(jì)算技術(shù)提升設(shè)計(jì)效率，并借助定制的三維出圖標(biāo)準(zhǔn)，高效地實(shí)現(xiàn)了橋梁智慧圖紙的表達(dá)，整合多種沉浸式漫游技術(shù)，為BIM模型賦能增值。依托數(shù)智運(yùn)維云平臺(tái)，集成應(yīng)用GIS、BIM、智能傳感、監(jiān)測(cè)評(píng)估等前沿技術(shù)，打通設(shè)計(jì)到運(yùn)維信息傳遞鏈條，實(shí)現(xiàn)了橋梁信息化管理和科學(xué)維護(hù)。