淺談?wù)褂[大道跨截流河特大橋設(shè)計(jì)及BIM技術(shù)的應(yīng)用

彭鳳強(qiáng)，冉汶民，李立威，張 宇，王慶濱，郭振鋒，彭 堅(jiān)

（1.中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶市400000；2.深圳市寶安區(qū)工務(wù)署，廣東 深圳518000）

0 引 言

橋梁是一種承載著道路或鐵路跨越自然障礙的結(jié)構(gòu)物。然而，橋梁的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于此。她不僅僅是架設(shè)于空中的通道，更是一門(mén)藝術(shù)，一種文化。橋梁可以成為一個(gè)城市的名片和窗口，也可以使其因此聞名天下。因此橋梁不僅要滿(mǎn)足通行要求，更需要體現(xiàn)它的精神價(jià)值，甚至讓它成為具有地標(biāo)性的建筑物[1]。

同時(shí)，隨著鋼結(jié)構(gòu)橋梁技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)橋梁景觀(guān)需求的提高，使橋梁不斷往輕盈化、纖細(xì)化、異形化方向發(fā)展，其鋼拱橋以?xún)?yōu)美的曲線(xiàn)造型、強(qiáng)勁的力量感，在城市景觀(guān)橋梁中廣為應(yīng)用。但由于鋼箱拱肋結(jié)構(gòu)空間復(fù)雜，傳統(tǒng)二維平面圖紙很難有效地表達(dá)其空間關(guān)系。為了創(chuàng)造更優(yōu)的橋梁景觀(guān)效果，纖細(xì)異形鋼結(jié)構(gòu)成為景觀(guān)橋梁的優(yōu)先選擇，然而其復(fù)雜構(gòu)造的合理性將直接影響結(jié)構(gòu)的受力性能和焊接、拼裝、拉索安裝及張拉、探傷、檢測(cè)等施工工藝。若前期未充分考慮，將為施工安裝埋下較多隱患，甚至導(dǎo)致質(zhì)量安全事故發(fā)生。為了解決以上問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)BIM技術(shù)已在部分橋梁項(xiàng)目中嘗試應(yīng)用，且積累了不少實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[2-4]。

現(xiàn)以深圳空港新城啟動(dòng)區(qū)展覽大道跨截流河特大橋（展云橋）為工程背景，簡(jiǎn)述BIM在設(shè)計(jì)及施工中的應(yīng)用。其成果可為今后其他類(lèi)似橋梁的設(shè)計(jì)、施工提供一定的參考。

1 項(xiàng)目概況

展覽大道位于深圳空港新城啟動(dòng)區(qū)南部，道路等級(jí)為城市主干路，設(shè)計(jì)速度50 km/h，道路標(biāo)準(zhǔn)路幅寬度50 m，雙向六車(chē)道。橋梁位于平交口展寬段，橋梁為雙向八車(chē)道。

深圳空港新城啟動(dòng)區(qū)展覽大道跨截流河特大橋（展云橋）為一座下承式鋼拱橋，橋梁跨徑布置為：1×155 m，上部結(jié)構(gòu)為分叉六邊形鋼箱拱肋+鋼箱縱梁+鋼橫梁。橋梁兩側(cè)人行道采用變寬，全橋橋?qū)?2～68.894 m，與河道正交。全橋采用Q420qD高強(qiáng)度橋梁用鋼，全橋用鋼11 229 t。圖1為橋梁立面圖，圖2為橋梁橫斷面圖，圖3為橋梁效果圖。

圖1 橋梁立面圖

圖2 橋梁橫斷面圖

圖3 展覽大道跨截流河特大橋效果圖

2 方案設(shè)計(jì)思路

城市橋梁被人們近距離接觸，使得城市橋梁與人們的心理和生活非常緊密地聯(lián)系。橋梁不僅僅是一種滿(mǎn)足物質(zhì)需求的實(shí)際工程結(jié)構(gòu)物，還是人們審美的對(duì)象。橋梁還承載各種精神象征意義，并且對(duì)人的心理產(chǎn)生各種不同的影響，是具有物質(zhì)和精神雙重性構(gòu)筑物。

橋梁設(shè)計(jì)方案應(yīng)重視總體構(gòu)思，突出重點(diǎn)橋梁的景觀(guān)效果，并充分利用該地區(qū)的自然特色，處理好重點(diǎn)橋梁與周邊環(huán)境的相互協(xié)調(diào)關(guān)系。通過(guò)對(duì)橋型、梁體、墩臺(tái)等的精心設(shè)計(jì)，打造新城區(qū)的新景點(diǎn)，新地標(biāo)。

該項(xiàng)橋梁設(shè)計(jì)結(jié)合國(guó)際會(huì)展中心景觀(guān)要求，對(duì)河道沿線(xiàn)的橋梁進(jìn)行了整體景觀(guān)規(guī)劃，為了使河上橋梁整體視覺(jué)有層次感，秉著“亮點(diǎn)突出、和諧統(tǒng)一”的原則對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的橋梁進(jìn)行中大體量的景觀(guān)造型打造，其他的橋梁采用中小體量的橋梁進(jìn)行景觀(guān)搭配。展覽大道跨截流河特大橋?yàn)槠渲械囊粋€(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)（03節(jié)點(diǎn)）上的一座大型景觀(guān)橋梁。

圖4為橋位規(guī)劃圖，圖5為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)景觀(guān)橋梁方案圖。

圖4 橋位規(guī)劃圖

圖5 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)景觀(guān)橋梁方案圖

展覽大道跨截流河特大橋的橋位處于國(guó)際會(huì)展中心主軸線(xiàn)上，正對(duì)國(guó)際會(huì)展中心南登錄大門(mén)，橋梁景觀(guān)定位為門(mén)戶(hù)性、地標(biāo)性的建筑物。

標(biāo)志性的幾何造型、鮮明的外裝飾顏色和炫麗的燈光使橋梁在視覺(jué)上別具一格。為了讓行人能更多地參與橋梁互動(dòng)，將橋梁設(shè)計(jì)為行人聚集的目的地，通過(guò)在橋梁人行道上應(yīng)用了彩色石材鋪裝和特色的欄桿，塑造出獨(dú)具特色的橋梁。

結(jié)構(gòu)形式上為了保證橋下防洪凈高，減小橋面下結(jié)構(gòu)高度，將三條縱梁設(shè)計(jì)成了向上凸出的結(jié)構(gòu)，形成獨(dú)特的人車(chē)分離結(jié)構(gòu)，減少行車(chē)對(duì)行人的影響。

3 受力分析

該橋梁為無(wú)推力的下承式梁拱組合結(jié)構(gòu)，外部為靜定結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為高次超靜定結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)組成：由一道分叉式箱型拱圈、三道箱型縱梁、箱型端橫梁、工字型中橫梁、正交異形橋面板、吊桿等組成。

圖6為橋梁結(jié)構(gòu)拆解示意圖，圖7為橋梁結(jié)構(gòu)受力體系示意圖。

圖7 橋梁結(jié)構(gòu)受力體系示意圖

傳力途徑：行車(chē)道板→橫梁→吊桿→拱肋及縱梁→支座→下部結(jié)構(gòu)。

由于橋梁跨徑大，橋面寬，為了保證景觀(guān)效果減小拱肋受力，橋梁采用了梁拱組合體系。三道縱梁與端橫梁、中橫梁固結(jié)，構(gòu)成平面穩(wěn)定框架，再與拱肋固結(jié)后形成空間穩(wěn)定體系。中縱梁屬于剛性系桿，是屬于拉彎構(gòu)件，并對(duì)中橫梁具有縱橫向的彈性約束作用。

4 設(shè)計(jì)難點(diǎn)及解決措施

（1）難點(diǎn)一：主拱采用異形分叉雙拱，且向外傾斜。

對(duì)策：由于主拱橫向外傾，且傾角大，拱肋彎矩較大。為控制主拱受力，采取了三項(xiàng)措施：一是減小吊桿張拉力，增加縱梁梁高，讓縱梁充分受力，以減小主拱彎矩；二是在拱腳設(shè)置多道橫隔板，分擔(dān)拱腳受力；三是采用高強(qiáng)度厚鋼板，橋梁中主要受力構(gòu)件應(yīng)用了60 mm厚的Q420qd鋼板

（2）難點(diǎn)二：異形三維空間結(jié)構(gòu)，表述困難。

對(duì)策：方案設(shè)計(jì)階段采用Rhino軟件，建立空間模型，準(zhǔn)確表達(dá)方案結(jié)構(gòu)；施工圖階段采用BIM正向設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確繪制空間節(jié)點(diǎn),優(yōu)化構(gòu)造；施工階段采用Tekla軟件,進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)，直接對(duì)接工廠(chǎng)深加工。

（3）難點(diǎn)三：拱腳水平力不能由三片縱梁均勻分擔(dān)，變形不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致中縱梁伸長(zhǎng)量大于邊縱梁（見(jiàn)圖8）。

圖8 縱梁受力示意圖

對(duì)策：為了克服不一致的伸長(zhǎng)量，防止受力不均，設(shè)計(jì)時(shí)增強(qiáng)端橫梁水平向抗彎慣性矩和橋面板厚度，增大橫梁水平抗彎剛度和橋面板抗剪能力。為了防止三縱梁伸長(zhǎng)量不統(tǒng)一而影響橫梁和橋面板安裝，拱肋和橋面系安裝均采用了密支架安裝方案；全橋結(jié)構(gòu)拼裝完成后，先拆除拱肋支架，再?gòu)埨鯒U，最后拆除主梁支架；橋面系安裝完成之前，拱腳采用鉸接形式鎖定水平位移。

（4）難點(diǎn)四：鋼結(jié)構(gòu)橋梁鋪裝耐久性問(wèn)題。

對(duì)策：采用澆筑式瀝青。它具有密水性好、耐久性?xún)?yōu)、疲勞抗裂性能和隨從變形能力好、整體性強(qiáng)、不會(huì)出現(xiàn)由于碾壓所帶來(lái)的病害等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

5 BIM在項(xiàng)目中的應(yīng)用簡(jiǎn)介

展覽大道跨截流河特大橋（展云橋）造型奇特，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在拱肋線(xiàn)形的空間定位、拱腳構(gòu)造設(shè)計(jì)、拱肋錨點(diǎn)空間構(gòu)造設(shè)計(jì)、吊桿錨點(diǎn)坐標(biāo)高程定位等均涉及異形的三維空間定位，常規(guī)的二維平面設(shè)計(jì)已不能有效解決以上問(wèn)題。該項(xiàng)目在設(shè)計(jì)及施工階段采用BIM技術(shù)與常規(guī)二維圖紙相結(jié)合的設(shè)計(jì)方式，解決了復(fù)雜的異形橋梁空間定位問(wèn)題。下文主要介紹BIM技術(shù)在方案設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)、工廠(chǎng)預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)安裝等過(guò)程中的應(yīng)用。利用BIM技術(shù)優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)形式、鋼箱構(gòu)造、工廠(chǎng)鋼板下料排版，解決復(fù)雜空間定位，模擬節(jié)段拼裝，從而保證了工程質(zhì)量，提高了工作效率，縮短了工期和節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本。

5.1 方案設(shè)計(jì)階段

方案設(shè)計(jì)階段采用Rhino軟件，通過(guò)添加現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形地貌，建立空間粗略模型，準(zhǔn)確表達(dá)橋梁結(jié)構(gòu)外觀(guān)造型及主要結(jié)構(gòu)構(gòu)造。模型中放入準(zhǔn)確的河道、道路、周邊建筑群信息，直觀(guān)地展示出了橋梁與周邊建筑環(huán)境之間的體量關(guān)系。利用上述模型優(yōu)化橋梁體量及體態(tài)，最終得到了最優(yōu)的橋梁景觀(guān)方案，使橋梁與周邊環(huán)境和諧統(tǒng)一，脫穎而出（見(jiàn)圖9）。

圖9 方案設(shè)計(jì)階段BIM模型

由于橋梁方案階段，重點(diǎn)在于橋型和造型的比選，注重結(jié)構(gòu)造型與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)，因此對(duì)于此階段的BIM應(yīng)用側(cè)重于建模速度和造型能力。Rhino軟件占用電腦空間小，對(duì)硬件要求低，反應(yīng)速度快，且可以容易創(chuàng)建編輯各種復(fù)雜的曲線(xiàn)和曲面，因此在重點(diǎn)表現(xiàn)橋梁輪廓的橋梁方案階段，充分展示了快速完成復(fù)雜造型的建模優(yōu)勢(shì)，同時(shí)配合各類(lèi)插件可完成方案設(shè)計(jì)的漫游視頻和效果圖渲染。

5.2 初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)階段

由于橋梁結(jié)構(gòu)鋼板構(gòu)件數(shù)量多，空間構(gòu)造復(fù)雜，在施工圖階段采用Revit正向設(shè)計(jì)，精準(zhǔn)建立整個(gè)橋梁的每個(gè)構(gòu)件細(xì)節(jié)。

拉索錨固區(qū)和拱腳區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，多向鋼板交叉，設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)法直觀(guān)判斷構(gòu)造合理性，故采用Revit建立其詳細(xì)的三維模型，以?xún)?yōu)化箱室空間及加勁構(gòu)造。通過(guò)上述模型準(zhǔn)確定位分叉拱肋線(xiàn)形、吊桿、錨點(diǎn)等重要節(jié)點(diǎn)的空間坐標(biāo)。由于拉索為三維斜面，無(wú)法直接采用二維圖紙畫(huà)出錨板斷面圖，設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)三維模型的截面剖切功能，準(zhǔn)確生成二維平面圖。該橋構(gòu)造復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)先通過(guò)建立三維模型確定構(gòu)造參數(shù)，然后再完善二維施工圖，充分保證了設(shè)計(jì)質(zhì)量（見(jiàn)圖10～圖12）。

圖10 施工圖設(shè)計(jì)階段BIM模型

圖11 施工圖設(shè)計(jì)階段BIM模型橫斷面剖面圖

圖12 施工圖設(shè)計(jì)階段BIM模型立面剖面圖

該階段將方案階段的輪廓模型文件存儲(chǔ)為DXF格式后，導(dǎo)入Revit中再進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，可利用現(xiàn)有輪廓模型完善內(nèi)部構(gòu)造細(xì)節(jié)（見(jiàn)圖13）。

圖13 施工圖設(shè)計(jì)階段橋下管廊BIM模型

為了節(jié)省用地，管廊設(shè)置在橋梁正下方，為了避免干擾，方便同步實(shí)施，設(shè)計(jì)階段也對(duì)橋下管廊進(jìn)行了BIM建模。該BIM應(yīng)用于查驗(yàn)管廊支護(hù)樁、工程樁與橋梁樁基礎(chǔ)的空間關(guān)系，指導(dǎo)施工方案設(shè)計(jì)。

5.3 鋼結(jié)構(gòu)加工階段

鋼結(jié)構(gòu)加工階段利用Tekla Structures軟件對(duì)施工圖階段的模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換并深化，精確繪制工廠(chǎng)加工深化圖和下料清單，根據(jù)運(yùn)輸條件進(jìn)行構(gòu)件拆分，精確排版鋼板大樣，避免材料浪費(fèi)，直觀(guān)指導(dǎo)工人精準(zhǔn)下料（見(jiàn)圖14、圖15）。該階段可以將Revit的設(shè)計(jì)模型存儲(chǔ)為IFC格式，導(dǎo)入Tekla后進(jìn)行二次加工詳圖深化。

圖14 加工階段BIM模型

圖15 加工階段運(yùn)輸節(jié)段劃分模型

5.4 現(xiàn)場(chǎng)安裝階段

由于結(jié)構(gòu)體量較大，無(wú)條件在工廠(chǎng)進(jìn)行全橋預(yù)拼裝，為了達(dá)到預(yù)期安裝進(jìn)度，施工前將前期BIM模型結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形地貌進(jìn)行施工安裝工序模擬，制作安裝流程視頻指導(dǎo)施工。施工時(shí)，利用該模型指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)定位安裝及復(fù)核（見(jiàn)圖16）。

圖16 施工安裝模擬圖

5.5 運(yùn)營(yíng)階段

該橋梁BIM模型已納入了空港新城城市運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)，由后期運(yùn)營(yíng)管理部分統(tǒng)籌管理。

6 BIM在該項(xiàng)目中解決的問(wèn)題

方案設(shè)計(jì)階段解決了景觀(guān)效果直觀(guān)表達(dá)問(wèn)題，優(yōu)化橋梁的造型設(shè)計(jì)；施工圖階段解決了復(fù)雜空間定位難等技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)解決了復(fù)雜節(jié)點(diǎn)局部受力分析的難題，優(yōu)化了異形鋼箱拱肋細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)；鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工階段數(shù)字化精準(zhǔn)放樣、下料，避免了由于構(gòu)件制作錯(cuò)誤或誤差較大而引起的返工和材料浪費(fèi)，為后期現(xiàn)場(chǎng)安裝的精度保證提供了必備條件；施工安裝過(guò)程中，利用BIM直觀(guān)的三維視圖功能結(jié)合視頻處理軟件，合理安排了施工安裝計(jì)劃，確定了拼接節(jié)點(diǎn)高程坐標(biāo)，最終達(dá)到了提高功效、降低成本的目的。

BIM技術(shù)在該項(xiàng)目中，從方案設(shè)計(jì)直至施工完成都得到了充分的應(yīng)用，該橋梁已經(jīng)投用一年多，各方反映效果良好（見(jiàn)圖17～圖19）。

圖17 成橋?qū)嵕皥D1

圖18 成橋?qū)嵕皥D2

圖19 成橋?qū)嵕皥D3

7 BIM在異形景觀(guān)橋梁中的應(yīng)用前景

在目前“新基建”政策的導(dǎo)向下，以及行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)來(lái)看，BIM在橋梁領(lǐng)域中的充分應(yīng)用也是必然的趨勢(shì)。針對(duì)復(fù)雜的異形景觀(guān)橋梁，傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)仍然是一個(gè)難題。BIM橋梁技術(shù)在異形景觀(guān)橋梁的應(yīng)用中具備了以下優(yōu)勢(shì)：

（1）有利于設(shè)計(jì)質(zhì)量的控制和設(shè)計(jì)效率的提升。

（2）優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式，解決復(fù)雜的橋梁“錯(cuò)、漏、碰、缺”，降低了工程成本。

（3）由于全橋信息模型的參數(shù)化、關(guān)聯(lián)性，可以根據(jù)需要設(shè)置不同的參數(shù)組合，生成不同的橋梁模型，統(tǒng)計(jì)分析得到相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，從而優(yōu)化方案、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

（4）信息模型可以在橋梁的建造、管理階段重復(fù)利用，契合了全壽命周期設(shè)計(jì)和管理的理念，在新時(shí)代為投資和管理提供了高效的決策和管理平臺(tái)。

8 結(jié) 語(yǔ)

該橋梁設(shè)計(jì)結(jié)合國(guó)際會(huì)展中心和河道的景觀(guān)要求，對(duì)河道沿線(xiàn)的橋梁進(jìn)行了整體景觀(guān)規(guī)劃，力爭(zhēng)使得河道沿線(xiàn)橋梁既和諧統(tǒng)一而非千篇一律，又富于變化而不雜亂無(wú)章，做到有亮點(diǎn)、有韻律、簡(jiǎn)潔大方、精致美觀(guān)，與河道景觀(guān)交相輝映、相得益彰，為該區(qū)域增加一道靚麗的風(fēng)景線(xiàn)[5-7]。

該橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且跨徑大，該橋在結(jié)構(gòu)形式上具有很大的創(chuàng)新性，在目前國(guó)內(nèi)還未推出該類(lèi)拱橋的相關(guān)設(shè)計(jì)及施工規(guī)范，因此在設(shè)計(jì)和施工上都具有較大的挑戰(zhàn)。

其中BIM正向設(shè)計(jì)的應(yīng)用，不僅節(jié)約了工作時(shí)間、減少了施工圖的錯(cuò)誤，大大提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，同時(shí)利用BIM模型實(shí)現(xiàn)了工廠(chǎng)精準(zhǔn)下料、拼裝精確模擬，為橋梁安全順利的建設(shè)，起到了事半功倍的作用。

通過(guò)BIM在該項(xiàng)目中的應(yīng)用，使人們看到BIM的應(yīng)用在不同的階段有著不同的深度和需求。作者充分感受到了不同專(zhuān)業(yè)軟件之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的便利性，若各BIM軟件能統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，使更多專(zhuān)業(yè)化軟件的數(shù)據(jù)可以無(wú)縫銜接，這將極大地提高建模效率，使BIM的應(yīng)用發(fā)展步入快車(chē)道。