基于BIM技術(shù)鋼混組合梁橋設(shè)計及施工的應(yīng)用研究

張海林

（山西路橋第六工程有限公司，山西 晉中 030600）

0 引言

公路橋梁工業(yè)化、信息化和智能化是未來橋梁行業(yè)發(fā)展的新趨勢。BIM作為新興熱門技術(shù)，將它與橋梁全生命周期設(shè)計與管理理念結(jié)合，有助于推動橋梁產(chǎn)業(yè)向信息化技術(shù)的發(fā)展。鋼混組合梁橋具有受力性能好、施工周期短、便于工業(yè)化生產(chǎn)、經(jīng)濟性能突出，且資源可回收持續(xù)發(fā)展的優(yōu)勢，同樣是未來中小跨徑公路橋梁的發(fā)展潮流[1]。為實現(xiàn)鋼混組合梁橋高效設(shè)計、快速施工及便于管理，將BIM技術(shù)與鋼混組合梁橋建造方式相結(jié)合，采用設(shè)計、施工一體化的信息化建造模式，可全面提高橋梁的設(shè)計效率、施工速度，并有效降低建造成本，為實現(xiàn)橋梁產(chǎn)業(yè)向信息化和工業(yè)化方向轉(zhuǎn)型發(fā)展提供技術(shù)保障。

1 基于BIM技術(shù)的鋼混組合梁橋參數(shù)化設(shè)計

鋼混組合梁橋的BIM設(shè)計可按照傳統(tǒng)的初步設(shè)計、技術(shù)設(shè)計和施工設(shè)計3個階段依次進(jìn)行，主要的區(qū)別是從傳統(tǒng)的CAD圖紙和分散的工程資料轉(zhuǎn)向為信息集成的BIM設(shè)計模型。創(chuàng)建設(shè)計模型時，可通過控制參數(shù)將各比選方案在同一個BIM模型中切換。以BIM全生命周期理念為基礎(chǔ)，通過虛擬模擬、AI等新技術(shù)的應(yīng)用，BIM模型設(shè)計所包含的內(nèi)容和深度都將遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的設(shè)計方式[2]?，F(xiàn)階段具體做法可通過BIM核心建模軟件創(chuàng)建參數(shù)化模型，并完成信息集成，以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，對模型進(jìn)行二維平面出圖、工程量統(tǒng)計和碰撞檢測等深化設(shè)計應(yīng)用，并為設(shè)計方與業(yè)主和施工方搭建起一個有效的數(shù)據(jù)交流平臺。

1.1 參數(shù)化BIM模型

針對鋼混組合梁橋構(gòu)造特點，開發(fā)一個面向?qū)ο蟮腂IM建模系統(tǒng)，將橋梁上、下部構(gòu)件拆分，形成固定形式的構(gòu)件對象。以Revit為例，面向?qū)ο蠓Q之為族，由于Revit系列軟件主要針對房屋建筑行業(yè)，缺乏橋梁族構(gòu)件[3]，因此，在BIM模型設(shè)計過程中，選擇合適的控制參數(shù)，分別創(chuàng)建參數(shù)化構(gòu)件族，通過參數(shù)驅(qū)動模型幾何型體，并添加非幾何信息。將創(chuàng)建的構(gòu)件族載入共享族庫中，根據(jù)工程實際需求從族庫數(shù)據(jù)中載入類似的標(biāo)準(zhǔn)化族構(gòu)件，再利用共享參數(shù)調(diào)整構(gòu)件的尺寸和空間位置，以及模型屬性信息，從而完成族構(gòu)件的創(chuàng)建和橋梁BIM模型的建立，加快建模速度，提高設(shè)計效率。

圖1 參數(shù)化構(gòu)件模型

具體做法是將創(chuàng)建好的族構(gòu)件載入至Revit“鋼混組合梁橋”項目文件中，按照橋梁空間位置關(guān)系和邏輯關(guān)系依次拼接，創(chuàng)建完成后輸入項目相關(guān)的屬性信息，最終完成鋼混組合梁橋的設(shè)計BIM實體模型。模型具有高度的信息關(guān)聯(lián)性，調(diào)整其中任一構(gòu)件的參數(shù)值，與它相聯(lián)系的所有參數(shù)信息都將實現(xiàn)自動更新，利用參數(shù)信息控制模型構(gòu)造，實現(xiàn)模型調(diào)控智能化。

1.2 參數(shù)信息自動集成

BIM技術(shù)的核心是“I”，即Information（信息），實現(xiàn)橋梁全生命周期各階段的應(yīng)用，需要在設(shè)計階段將各參數(shù)信息輸入到模型中，以達(dá)到參數(shù)信息的集成目的。

鋼混組合梁橋構(gòu)件數(shù)量多，信息參數(shù)多類，若以手動方式在族構(gòu)件屬性欄中將參數(shù)輸入到模型中，容易出錯且工作效率低，同時不易查找錯誤和調(diào)整，不符合BIM技術(shù)高效快速的理念，因此，本文嘗試基于Dynamo二次插件可視化編程，通過程序流方式快速地將參數(shù)信息數(shù)據(jù)批量錄入到設(shè)計模型中。Dynamo可通過可視化編程幫助Revit和Excel中的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，實現(xiàn)信息的雙向傳遞，因此，可先在Excel中創(chuàng)建與族構(gòu)件一一對應(yīng)的參數(shù)信息，再利用Dynamo中的程序流將表中信息自動錄入到模型中。以鋼主梁為例，腹板、頂板、底板尺寸厚度、構(gòu)件材質(zhì)、極限應(yīng)力大小、材料標(biāo)號等參數(shù)都可以根據(jù)設(shè)計要求和取值范圍進(jìn)行設(shè)置，如表1所示。

表1 項目參數(shù)值批量導(dǎo)入結(jié)果

當(dāng)項目參數(shù)信息需要調(diào)整時，修改Excel中的參數(shù)值，重新運行Dynamo中的程序流便可實時數(shù)據(jù)更新，從而通過驅(qū)動模型參數(shù)信息值進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，實現(xiàn)智能聯(lián)動效果，提高工作效率，減少錯誤和節(jié)約成本。

2 基于BIM技術(shù)可視化施工

2.1 虛擬施工分析

傳統(tǒng)的鋼混組合梁橋施工方式是通過二維平面圖紙和文檔資料反復(fù)查閱對比，并通過人工或電腦進(jìn)行記錄和標(biāo)記，而后再傳輸至現(xiàn)場進(jìn)行指導(dǎo)施工。這種方式需要耗費大量的人力和時間，而且經(jīng)常會出現(xiàn)“差、漏、錯、重”等情況，導(dǎo)致施工難以正常進(jìn)行?，F(xiàn)基于BIM技術(shù)可視化的重要特征，通過施工模擬提前分析橋梁整個建造過程，優(yōu)化施工方案，用于現(xiàn)場指導(dǎo)施工工藝，并通過4D施工模型虛擬分析、控制施工進(jìn)度。具體做法可通過設(shè)計單位向施工單位提供BIM設(shè)計模型及相關(guān)文件，施工單位對模型進(jìn)行交互處理，并利用Navisworks等施工分析軟件創(chuàng)建BIM施工模型，實現(xiàn)科學(xué)精確的對接和管理。為實現(xiàn)BIM模型在鋼混組合梁橋施工階段最大化的利用，需要對已有的設(shè)計模型進(jìn)行深化應(yīng)用和開發(fā)，在3D的初始信息模型基礎(chǔ)上，定義施工階段的進(jìn)度、成本、質(zhì)量、安全等多維信息，建立nD-BIM信息模型，將BIM的應(yīng)用從3D模型轉(zhuǎn)變到nD模型，使得橋梁多種信息聯(lián)合在一起，更好地模擬整個施工過程，以信息化的方式指導(dǎo)施工，并科學(xué)規(guī)劃資源和優(yōu)化配置，節(jié)約成本，加快施工周期。當(dāng)前在橋梁領(lǐng)域，已初步探索BIM的4D和5D模型[4]，即在3D信息模型基礎(chǔ)上根據(jù)施工方案定義時間參數(shù)，創(chuàng)建4D施工進(jìn)度模型，通過施工不同階段以3D可視化的方式模擬分析橋梁的施工狀況，控制施工進(jìn)度，在4D進(jìn)度模型基礎(chǔ)上，定義現(xiàn)金流或成本預(yù)核算創(chuàng)建5D成本模型，按工程進(jìn)度對建造成本進(jìn)行動態(tài)模擬，從而達(dá)到科學(xué)管理、節(jié)約成本的目的。

2.2 施工信息化管理

為實現(xiàn)施工資料和信息模型的高度整合，并進(jìn)行統(tǒng)一的管理，可借助施工管理平臺對施工階段進(jìn)行信息化控制。以往是基于二維數(shù)據(jù)資料，具有很大的局限性，不易理解和溝通，當(dāng)前引入BIM技術(shù)，將信息模型輸入到管理平臺中，通過不同建模軟件數(shù)據(jù)格式的交互，主要對導(dǎo)入的模型進(jìn)行進(jìn)度管理、各種文檔資料的管理、各環(huán)節(jié)流程和協(xié)同工作的管理，平臺對模型的屬性信息主動識別，并根據(jù)讀取到的構(gòu)件編碼系統(tǒng)建立樹狀管理目標(biāo)，第三方可通過選擇構(gòu)件編碼、所在分類或直接點擊查看具體的信息[5]。

施工管理平臺將業(yè)主、設(shè)計單位、施工單位以及其他所屬部門的項目信息錄入到系統(tǒng)中，根據(jù)實際要求和規(guī)定設(shè)置訪問權(quán)限，并將項目流程展示在平臺不同的操作界面上，依據(jù)施工方案分配至各個階段的參與人員，實現(xiàn)鋼混組合梁橋的施工全過程協(xié)同作業(yè)。

3 工程應(yīng)用

3.1 項目背景

龍馬洪水河特大橋位于廣西壯族自治區(qū)來賓市忻城和興賓區(qū)交界處，由南至北，跨越紅水河，主橋跨徑為180 m。為減輕自重和避免腹板開裂，主梁采用波形鋼腹板的鋼混組合結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜和工程信息量大，項目設(shè)計難度加大，平面出圖協(xié)同度要求高，因此在橋梁建造過程中引入了BIM技術(shù)，并快速高效地完成了該橋梁的設(shè)計應(yīng)用和運維階段的信息化管理。

3.2 參數(shù)化設(shè)計

采用橋梁BIM核心建模軟件實現(xiàn)建模過程全參數(shù)化控制，主要做法是通過修改列表的參數(shù)值控制整個模型的尺寸和空間位置。對于主梁波形鋼腹板，具體做法是先設(shè)定鋼腹板長度和鋼板厚度為控制參數(shù)，而后將鋼腹板上、下緣定位曲線作為定位幾何元素輸入，并由定位曲線決定鋼腹板高度空間位置。設(shè)計過程中，利用批量化出圖工具實現(xiàn)鋼混組合梁的二維出圖。模型中的各類構(gòu)件可進(jìn)行碰撞分析，導(dǎo)出碰撞報告，并及時調(diào)整參數(shù)，達(dá)到優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型的目的。

3.3 構(gòu)件編碼信息化

為了讓BIM模型在運維階段方便協(xié)同檢查，發(fā)揮更大的作用，依據(jù)公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)對橋梁構(gòu)件進(jìn)行分類編碼，并進(jìn)行項目信息的集成，實現(xiàn)智能高效管理。此外，利用輕量化模型進(jìn)入?yún)f(xié)同平臺實時流轉(zhuǎn)，方便審查者實時地查看和批閱。

4 結(jié)語

BIM技術(shù)被稱為當(dāng)今建筑行業(yè)最新的技術(shù)變革，它與互聯(lián)網(wǎng)、計算機技術(shù)緊密結(jié)合，能有效整合傳統(tǒng)工程項目的信息資源，其必然會給橋梁行業(yè)的生產(chǎn)模式帶來革命性的變化。本文將BIM技術(shù)與鋼混組合梁橋相結(jié)合，對橋梁BIM核心軟件進(jìn)行了比較分析，現(xiàn)階段Revit軟件可基本滿足鋼混組合梁橋的建模需求。提出了基于BIM技術(shù)在設(shè)計階段的參數(shù)化建模和深化設(shè)計應(yīng)用方法，并引入Dynamo插件進(jìn)行信息的可視化編程，通過程序流的方式實現(xiàn)參數(shù)信息值的自動錄入，對橋梁施工階段BIM模型可視化應(yīng)用和信息化管理、運維階段橋梁的養(yǎng)護和維修模式等不同階段進(jìn)行了探討研究，并通過工程實例驗證了基于BIM技術(shù)實現(xiàn)鋼混組合梁橋參數(shù)化設(shè)計和信息化管理的可行性，可為最終實現(xiàn)BIM技術(shù)在鋼混組合梁橋全生命周期的應(yīng)用提供借鑒，有利于鋼混組合梁橋向工業(yè)化和信息化模式的轉(zhuǎn)變，同時在橋梁BIM技術(shù)中也具備一定的參考價值。