基于SolidWorks的橋梁BIM技術(shù)研究

張興凌

（鹽城市交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司，江蘇鹽城 224001）

0 引言

社會經(jīng)濟與科技的發(fā)展帶動了我國各地的建設(shè)步伐，這不僅改善了人們的生活，提高了生活品質(zhì)，還為交通行業(yè)的發(fā)展帶來了全新的動力與挑戰(zhàn)。其中BIM 技術(shù)的發(fā)展將會為交通行業(yè)注入新的動力，能否將BIM 技術(shù)落實到行業(yè)內(nèi)各個環(huán)節(jié)是重中之重，其中設(shè)計環(huán)節(jié)更是首當(dāng)其沖。

1 BIM 定義

《美國國家建筑信息模型標(biāo)準(zhǔn)（第三版）》（National Building Information Model Standard，簡稱NBIMS）對BIM 進(jìn)行了相對全面、系統(tǒng)的定義，BIM 是指借助先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)開展工程項目的設(shè)計、施工與運營等工作，這些工作的成果會構(gòu)成一個豐富、多維的項目信息模型，簡稱BIM 模型。參考以上定義，認(rèn)為BIM 技術(shù)所倡導(dǎo)的理念并非完全新興的事物，現(xiàn)階段的工業(yè)產(chǎn)品制造行業(yè)，正在使用類似的技術(shù)理念。利用AutoCAD、CATIA、Rino 等軟件進(jìn)行產(chǎn)品三維設(shè)計的普及率已經(jīng)相當(dāng)高；在生產(chǎn)過程中借助這些軟件設(shè)計的三維模型，無需二維圖紙就可借助CNC 加工（數(shù)字化控制精密機械加工）或3D 打印技術(shù)生產(chǎn)出來。更重要的是，參數(shù)化設(shè)計、信息平臺、三維展示以及力學(xué)分析等技術(shù)在設(shè)計、制造、運維等環(huán)節(jié)的應(yīng)用早已相當(dāng)成熟。

早在20世紀(jì)70年代，法國達(dá)索公司的三維設(shè)計軟件就被應(yīng)用到陣風(fēng)戰(zhàn)斗機設(shè)計中。在我國，一汽集團(tuán)、成飛集團(tuán)等企業(yè)也很早就使用了平臺化設(shè)計制造技術(shù)，芯片行業(yè)的數(shù)字化技術(shù)也十分先進(jìn)。由此可見，單從概念上來說，可以嘗試將BIM 技術(shù)的推廣，理解成將工業(yè)領(lǐng)域先進(jìn)、成熟的數(shù)字技術(shù)合理遷移到土木工程行業(yè)中。

2 基于SolidWorks 的橋梁設(shè)計BIM實例

第一，SolidWorks 是法國達(dá)索系統(tǒng)（Dassault Systemes）研發(fā)的產(chǎn)品，是世界上第一個基于Windows 開發(fā)的三維CAD 系統(tǒng)，其為設(shè)計、工程、制造和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等各個領(lǐng)域提供了全產(chǎn)品生命周期系統(tǒng)。

第二，331 省道是江蘇省規(guī)劃東西橫向線路的“橫十”，線路名稱為丹寶明線，路線起點位于國道228，終點為蘇皖界，規(guī)劃里程267km。結(jié)合位于331 省道鹽城段護(hù)龍河上的橋梁項目，對BIM 技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行研究。該橋梁跨徑20m，斜10，上部結(jié)構(gòu)是預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁，下部結(jié)構(gòu)是薄壁橋臺，橋臺兩側(cè)采用扶壁式擋土墻。采用SolidWorks 軟件進(jìn)行設(shè)計，通過拉伸、切除、陣列等工具進(jìn)行真實尺寸建模，圖1為SolidWorks 軟件在該工程項目中的建模結(jié)果。

圖1 參數(shù)化建模效果

3 基于SolidWorks 橋梁設(shè)計的效果

3.1 全過程可視化

傳統(tǒng)的設(shè)計多以二維圖紙為主，通常用三視圖的畫法來表達(dá)構(gòu)件之間的關(guān)系，這需要業(yè)主、設(shè)計、施工、監(jiān)理等工作人員具備足夠的經(jīng)驗和良好的空間想象力，而在一些復(fù)雜情況下，尤其是涉及異形鋼筋結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)方法很難完全表達(dá)出設(shè)計意圖。而基于SolidWorks 的BIM 技術(shù)，可以很好解決這些問題。軟件可通過所獲取的設(shè)計信息自動生成交互式3D 視覺效果，根據(jù)需要配合VR、AR 技術(shù)，所呈現(xiàn)出的效果會更寫實、更明確。SolidWorks 軟件還具備鋼筋碰撞檢測功能，可避免一些不全面、不合理的設(shè)計疏忽，工程相關(guān)人員可以隨時360°查看設(shè)計模型，尤其是在觀察復(fù)雜工程及其周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)程度時，這更能體現(xiàn)3D 可視化功能的優(yōu)勢。

3.2 參數(shù)化

參數(shù)化設(shè)計是BIM 技術(shù)的一個重要特點，設(shè)計人員建立的每一個子項模型都是由具體的參數(shù)來驅(qū)動，下一個子項模型的參數(shù)建立在上一個關(guān)聯(lián)子模型的基礎(chǔ)上，若干個子模型通過參數(shù)定義相對位置關(guān)系形成總模型，無論是總模型還是子模型，BIM 技術(shù)都可以記錄相關(guān)信息，進(jìn)而形成完整的BIM 模型，為后續(xù)運維管理提供可靠依據(jù)。要修改設(shè)計中的某一項數(shù)據(jù)時，只需要修改相關(guān)參數(shù)，其各個關(guān)聯(lián)子項以及整體BIM 模型都會隨時完成重建，所涉及的二維圖紙均會自動同步修改。如該項目中，擋土墻0.15m 的鋼筋間距如果想調(diào)整為0.2m，只需雙擊數(shù)字修改為0.2m，則所有相關(guān)模型、圖紙、表格、工程數(shù)量都會自動同步修改（見圖2）?？梢宰龅酵瓿梢环N橋型即可得到這類橋型不同跨徑、不同角度、不同寬度的橋梁設(shè)計方案。參數(shù)化設(shè)計的特點可以為橋梁設(shè)計人員節(jié)約時間，讓設(shè)計人員將大部分精力放在思考設(shè)計上，而非重復(fù)改圖，這也正是參數(shù)化的魅力體現(xiàn)之一。

圖2 鋼筋參數(shù)化修改

3.3 建模力學(xué)分析一體化

使用BIM 技術(shù)開展橋梁設(shè)計工作，除了能將設(shè)計效果更形象、完整地呈現(xiàn)出來外，還能對模型數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)處理，在此背景下，設(shè)計人員設(shè)計的方案也會更加簡潔、清晰。基于SolidWorks 軟件的BIM 分析技術(shù)的優(yōu)勢十分明顯，Solidworks 具備線性和非線性靜態(tài)分析以及線性動態(tài)分析功能，其功能類似于ANSYS、ABAQUS、Midas。不同的是，SolidWorks 創(chuàng)建的模型無需轉(zhuǎn)換，可以直接進(jìn)行力學(xué)分析（見圖3）。它的力學(xué)分析較傳統(tǒng)的獨立式橋梁計算軟件效果更好，正朝著“建?！W(xué)分析—配筋—繪圖”一體化的方向前進(jìn)。

圖3 力學(xué)分析示意圖

3.4 協(xié)作

BIM 的另一個好處是協(xié)作，要想確保工程項目順利開展，各相關(guān)單位需要很好地協(xié)作。在BIM 技術(shù)的支持下，能更好地融合業(yè)主與設(shè)計單位的設(shè)計建議，隨之可制定高效、可行且能滿足多方要求的設(shè)計計劃，再不斷優(yōu)化、整合計劃內(nèi)容，能促進(jìn)工程項目各方的高效協(xié)作。再者是動態(tài)仿真，模型仿真只是一部分，BIM 技術(shù)還可以基于想象狀態(tài)下對無法直接反映的工作動態(tài)進(jìn)行模仿?；赟olidWorks 軟件或其他同類BIM 軟件，不但能將用戶設(shè)計的可行性較強的想法模仿出來，還能基于模仿落實到實踐，從而幫助設(shè)計人員選出最適宜的工程施工方案。在開展橋梁工程施工的過程中，借助BIM 技術(shù)，能對工程的各個組成部分進(jìn)行有機整合，還能合理匯總，也能科學(xué)計算各施工環(huán)節(jié)的工作量，這不僅能為工程管理工作提供更精準(zhǔn)、真實的數(shù)據(jù)參考，還能全面提高施工質(zhì)量與效率。同時，監(jiān)理人員可以根據(jù)BIM 模型所提供的信息核查工程與設(shè)計的匹配度，并直觀地提出整改意見。業(yè)主、設(shè)計、施工、監(jiān)理、咨詢等單位可通過BIM信息模型進(jìn)行高效協(xié)作。

4 BIM 技術(shù)應(yīng)用于橋梁設(shè)計存在的問題

相較于工業(yè)制造行業(yè)，土木行業(yè)的施工周期長、工程量大、容易受到外界環(huán)境的影響，且使用的施工材料、機械、設(shè)備較為復(fù)雜，這也導(dǎo)致制造行業(yè)所用的技術(shù)手段在土木行業(yè)中推廣時受到了一定的限制。因此，很多單位還在使用傳統(tǒng)的設(shè)計方法，這一點在橋梁工程設(shè)計工作中尤為明顯。究其原因，主要是橋梁類型相對固定、板梁構(gòu)件高度標(biāo)準(zhǔn)化、傳統(tǒng)的圖紙資料比較豐富等倒成了雙刃劍，所以想要在交通建設(shè)行業(yè)全面推廣BIM 技術(shù)還需要時間與技術(shù)成熟的雙重沉淀。

4.1 軟件專業(yè)化程度有待提高

通常情況下，BIM 技術(shù)是基于計算機技術(shù)運用的，其間需要使用相應(yīng)的計算機軟件。然而，適用于BIM 技術(shù)的專業(yè)軟件有很多，但大部分軟件是引進(jìn)國外的，所以其適用性還有待提高。而且很多BIM 計算機軟件都是建筑或機械工程相關(guān)的，而建筑、機械工程的設(shè)計工作和橋梁設(shè)計工作存在一些差異，使得目前國內(nèi)缺乏專門服務(wù)于橋梁設(shè)計工作的BIM 計算機軟件。

4.2 技術(shù)人才數(shù)量有限

在橋梁設(shè)計工作中，BIM 技術(shù)具備很多優(yōu)勢，而要想將此技術(shù)的作用全面發(fā)揮，就需有專業(yè)技術(shù)人才的支持。設(shè)計人員不僅要具備較強的工程設(shè)計理論知識，還要熟悉計算機技術(shù)，并能靈活運用BIM 計算機軟件，這樣才能構(gòu)建出精準(zhǔn)的工程模型，也能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題，高效、全面地發(fā)揮出BIM 技術(shù)的作用便。但當(dāng)前，盡管工程設(shè)計人員掌握專業(yè)的設(shè)計知識，但還有部分設(shè)計人員未認(rèn)識到BIM 技術(shù)的重要性，對BIM 技術(shù)的掌握程度及軟件操作能力也有待提高，這也是BIM 技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用與發(fā)展受阻的原因之一。

4.3 設(shè)計習(xí)慣問題

由于各家設(shè)計院都有不成文的圖面習(xí)慣，因此軟件導(dǎo)出來的圖紙還需要進(jìn)行手動調(diào)整，大規(guī)模的手動調(diào)整就會不可避免地陷入“走老路”的尷尬，不符合使用BIM 技術(shù)的初衷。另外，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計方面還存在一些不夠智能的情況，這是現(xiàn)階段橋梁BIM技術(shù)的通病，實踐證明，SolidWorks 軟件也不例外。這些設(shè)計階段“最后一公里”的問題亟待行業(yè)各方聯(lián)合推動解決。

5 BIM 技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用展望

在前期設(shè)計工作中，應(yīng)用BIM 技術(shù)能有效解決二維圖紙信息不全面、不精準(zhǔn)等問題，還可為設(shè)計工作與信息交流提供可視化平臺，這樣也能全面加速項目設(shè)計方案的落實。此外，在后續(xù)開展施工建設(shè)時使用BIM 技術(shù)，能系統(tǒng)模擬橋梁施工存在的問題，可大幅度提升工程項目的施工安全性。由此可見，BIM 技術(shù)在道路橋梁工程設(shè)計工作中發(fā)揮著十分重要的作用。

5.1 前期設(shè)計的可行性

道路橋梁工程施工建設(shè)涉及很多方面，也需要很多專業(yè)人員參與，只有在各單位、部門達(dá)成共識后，工程才能順利開展。針使用BIM 技術(shù)設(shè)計的方案可基于數(shù)字化、信息化構(gòu)建相應(yīng)的三維模型，施工單位可使用此模型全面展示工程橋梁的設(shè)計效果。若一些設(shè)計方案無法從表面看出問題，就無法斷定是否能正常施工建設(shè)，在這一過程中，施工單位可運用BIM 技術(shù)模擬設(shè)計方案，隨著BIM 數(shù)據(jù)的精確與細(xì)化，方案中存在的問題能直觀呈現(xiàn)出來，便于對設(shè)計方案進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化，進(jìn)而全面提升方案的可行性。

5.2 BIM 數(shù)據(jù)平臺化

實際工作過程中，要科學(xué)匯總、整理圖紙資料，將其整合成一套完善的圖紙信息并作為建模的依據(jù)。構(gòu)建完模型后，BIM 軟件可給出碰撞報告以及專業(yè)設(shè)計問題的匯總，通過實現(xiàn)模型的漫游，設(shè)計人員與施工人員能全面預(yù)覽平面設(shè)計圖在三維實體階段的預(yù)期效果。此外，借助BIM 模型也能進(jìn)行各設(shè)計專業(yè)的信息共享，推進(jìn)設(shè)計平臺化“總—分”模式。以Solid-Works 軟件目前提供的平臺技術(shù)為例，可由橋梁負(fù)責(zé)人在軟件平臺上完成橋梁模塊的總體架構(gòu)，并在平臺上分配任務(wù)，負(fù)責(zé)不同部位的橋梁設(shè)計人員完成屬于自己的分項。針對已經(jīng)構(gòu)建的模型也能落實工程量統(tǒng)計、設(shè)計文檔歸檔等操作。同時，業(yè)主、施工、監(jiān)理、咨詢等技術(shù)人員可以隨時通過平臺看到項目進(jìn)度，并及時提出建議。橋梁負(fù)責(zé)人總結(jié)各環(huán)節(jié)的問題報告，結(jié)合具體問題采取有效措施進(jìn)行處理，再不斷優(yōu)化、改進(jìn)設(shè)計方案，這樣也能全面發(fā)揮BIM 技術(shù)的作用，設(shè)計工作也能更加高效、穩(wěn)定。將工程相關(guān)的圖紙、文檔、模擬視頻關(guān)聯(lián)到模型中，設(shè)計施工人員便可通過模型直接打開文檔查詢相關(guān)信息。

6 結(jié)語

通過以SolidWorks 軟件為載體完成橋梁BIM 設(shè)計的實踐操作，證明BIM 技術(shù)在橋梁設(shè)計中有非常廣闊的應(yīng)用前景。合理使用BIM 技術(shù)開展橋梁工程的設(shè)計工作，借助信息技術(shù)構(gòu)建三維可視化模型，不但可以提高設(shè)計效率，而且能夠優(yōu)化設(shè)計成果，甚至能實現(xiàn)全數(shù)字化、平臺化的建設(shè)流程。如果能夠攻克相關(guān)技術(shù)難題，再經(jīng)過一定的時間積累，相信BIM 技術(shù)將會使我國的橋梁建設(shè)水平更上一層樓。