鋼結構異形橋梁BIM 正向設計探索

彭鳳強，冉汶民，李立威，王慶濱，彭 堅

（中冶賽迪工程技術股份有限公司，重慶市 400000）

0 引言

近年來，隨著建筑業(yè)信息化進程的加快，國家及各省市出臺眾多利好政策，促進土木行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作，大力發(fā)展數(shù)字設計、智能制造和智慧運維，加快建筑信息模型（BIM）技術研發(fā)和應用。為了更好地實現(xiàn)智能化設計、施工，以及運營管理，以實際工程項目為載體，從數(shù)字化轉(zhuǎn)型先驅(qū)探索出發(fā)，本著多專業(yè)協(xié)同、單專業(yè)深研的戰(zhàn)略思想，聚焦BIM 正向設計，同時將BIM 技術全面賦能設計、施工全過程、項目管理乃至后期的運維等工作。通過BIM 技術賦能的方式，解決了復雜橋梁的設計、施工過程中眾多技術難題，有利于提升專業(yè)能力，提高工作效率，降低工程成本[1-3]。

目前常規(guī)橋梁已有較為成熟的手段和軟件可較為輕松地實現(xiàn)BIM 技術，但BIM 在復雜的異形橋梁設計、工廠制作下料、施工管理等方面的應用探索較少[4-6]。

從異形景觀橋傳統(tǒng)設計難點出發(fā)，分析以往項目經(jīng)驗，總結出二維設計的相關局限性與弊端，主要分為以下幾點：

（1）在方案設計方面：二維繪制的平面圖、立面圖很難直觀表達出結構的特異形狀，讓人難以理解真實的設計意圖。

（2）在效果圖設計方面：委托其他公司進行建模渲染，花費時間溝通，花費昂貴的費用增加成本且展示角度有限。

（3）在CAD 繪制出圖方面：異形橋梁結構復雜，導致繪圖難度增加；對于復雜的空間形狀，繪制的二維平面圖難以指導施工，尤其在空間異形構造繪制方面完全不能準確表達清楚，全靠施工人員對圖紙的理解，導致施工不準確，且項目工程量的統(tǒng)計不清。

（4）在識圖方面：施工人員不易充分解讀圖紙內(nèi)容，在表達和理解上往往會帶來差錯。

（5）在圖紙變更方面：異形結構圖紙變更工作量大、工期長，施工單位接納變更圖紙后，消化和施工準備時間長，變更內(nèi)容不能及時實施，影響施工進度。

傳統(tǒng)二維設計在解決復雜橋梁設計時會有很多的局限性與弊端，所以嘗試BIM 技術在異形橋梁正向設計中的應用探索。

根據(jù)目前國家政策和市場需求，在橋梁領域大力發(fā)展BIM 技術是大勢所趨。利用BIM 技術進行的橋梁三維設計相對于傳統(tǒng)的二維設計方法，具備以下優(yōu)勢：

（1）對復雜異形的橋梁結構，三維設計可更直觀、更準確地表達出復雜結構的形態(tài)和構造。

（2）能實現(xiàn)自動化、智能化的橋梁設計。

（3）由于BIM 技術的參數(shù)化三維建模，可通過調(diào)整參數(shù)快速實現(xiàn)方案的調(diào)整和優(yōu)化。同時，建成的參數(shù)化模型還可用于其他項目。

（4）BIM 可以在橋梁的全生命周期重復利用，為各階段的管理者提供高效便捷的決策平臺。

（5）BIM 結合三維地理信息系統(tǒng)，可將高分辨率影像地形、無人機實景三維模型、激光點云等空間數(shù)據(jù)，以及紅線、地質(zhì)、自然保護區(qū)、行政區(qū)劃、國土空間規(guī)劃、耕地保護矢量數(shù)據(jù)等業(yè)務數(shù)據(jù)，高效整合到BIM 中，實現(xiàn)精確全面的三維信息模型，實現(xiàn)工程可視化需求。

（6）橋梁監(jiān)測系統(tǒng)隨著BIM 技術、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術的發(fā)展形成了一套新型的智慧監(jiān)測系統(tǒng)，以實現(xiàn)智慧管養(yǎng)，以便后期運營管理人員可以直觀地瀏覽并讀取橋梁病害信息，從而有助于對橋梁病害的認識和判斷,為管理者提供合理的、及時的決策依據(jù)。

（7）橋梁BIM 納入城市運營管理系統(tǒng)，由后期運營管理部門統(tǒng)籌管理。

1 項目概況

本項目位于深圳市空港新城啟動區(qū)沙井南環(huán)路西延段，城市主干路，設計速度為50 km/h。該橋梁為沙井南環(huán)路西延段跨越截流河重點打造的景觀橋，為人車分離、分層的鋼縱橫梁組合體系橋梁。橋梁全長149 m，孔跨布置為32 m+72 m+32 m，橋梁范圍內(nèi)為雙向十車道。橋梁效果圖見圖1 。

橋梁縱梁采用變高度的變截面鋼箱梁，橫梁采用工字型截面，非機動車道與車行道為同一平面，橋梁人行道單獨分離下沉，人行道采用12～22 m 的大懸臂懸挑結構，并通過鋼拉桿形成桁架結構提高整體性，詳見圖2。

圖2 橋梁橫斷面

主橋上部結構采用鋼縱橫梁組合體系，均為鋼結構。下部橋墩采用矩形實體墩，基礎采用承臺樁基礎。橋臺采用輕型橋臺，基礎采用承臺樁基礎。

主梁由鋼縱梁、橫梁、橋面板組成。縱梁采用鋼箱室，中縱梁為變高度結構，梁端梁高3.314 m，梁中部梁高5.2 m,寬1.5 m。邊縱梁為變高度結構，梁端梁高2.95 m，梁中部梁高4.45 m,寬1.5 m。橫梁工字鋼結構，沿路線縱向間距4.0 m。橫梁與橋面板設置過渡段焊接。

中縱梁頂?shù)装褰Y構采用60 mm 厚，側(cè)板采用60 mm，標準段橫隔板采用20 mm，間距4 m。頂?shù)装寮皞?cè)板設置肋板，I 肋厚度20 mm，高220 mm，標準間距500 mm。

邊縱梁在橋梁跨中支點處8 m 范圍內(nèi)頂?shù)装宀捎?0 mm，其他范圍內(nèi)頂?shù)装褰Y構采用60 mm 厚，側(cè)板采用60 mm，標準段橫隔板采用20 mm，間距400 mm。頂?shù)装寮皞?cè)板設置肋板，I 肋厚20 mm，高220 mm，標準間距500 mm。

橫梁為工字形截面，頂?shù)装搴?0 mm,頂板寬1 000 mm，底板寬500 mm，腹板厚20 mm。橋面板厚20 mm，橫梁與橋面板設置過渡段焊接，過渡段長160 mm。

橋梁平面位于半徑800 m 的圓曲線上，橋梁墩臺及上部結構的橫梁均采用徑向布置。

2 BIM 正向設計的總體方案

本項目中的BIM 正向設計主要應用在設計階段和施工階段。BIM 正向設計流程圖見圖3。

圖3 BIM 正向設計流程圖

本項目在方案階段完成了結構形式方案比選、行車及行人視覺模擬、可視化展示技術營銷，降低了溝通成本，提升了協(xié)作效率。

在施工圖設計階段完成了基于BIM 的結構計算、輔助二維施工圖出圖、復核工程量、可復制的通用型項目樣板制作。

在施工過程中，本項目在設計施工一體化理念下，運用BIM 完成了鋼結構工廠下料、施工方案模擬。

在BIM 設計的軟件平臺選擇上，考慮結構的異形幾何曲面較多，常規(guī)建模手段較為困難，故本項目采用Revit 及自適應構件族實現(xiàn)了異形構件參數(shù)化設計，建模深度達到了LOD400，并極大提高了構件族的通用性，減少了構件族的種類。通過Dynamo+Python 二次開發(fā)，實現(xiàn)了Civil 3D、CAD 與Revit 的快速交互，滿足橋梁設計上下游協(xié)同設計的考慮。本項目建模流程詳見圖4。

圖4 本項目建模流程

3 基于BIM 正向設計的應用探索

3.1 設計階段應用

3.1.1 正向設計模型的衍變

（1）模型拆解：BIM 建立之前，按照設計習慣及滿足設計師協(xié)同工作的需求，將擬建橋梁拆分為多個子系統(tǒng)：車行系統(tǒng)、人行系統(tǒng)、非機動車系統(tǒng)、下部結構。根據(jù)每個系統(tǒng)的實際情況，再細分自適應構件族。

（2）通用族庫助力后續(xù)項目應用：建立本項目自適應族庫，僅使用10 余構件族，即可滿足設計需求。相較于常規(guī)構件族庫的數(shù)十上百個構件族，本項目構件族減少了60%以上。并且后續(xù)項目可直接利用該自適應構件族庫，快速完成BIM 設計工作。

（3）二次開發(fā)助力BIM 設計：采用Dynamo+Python的組合方式，自主開發(fā)了一系列通用節(jié)點，以滿足模型裝配的需求。通過Dynamo 節(jié)點包，僅用一個自適應構件，就完成了本項目橋梁空間曲線主梁模型、橋梁各位置橫、縱坡自動適應等，并在空間三維曲線中快速自動放置各橋梁構件。且后續(xù)復雜橋梁BIM 設計可通過少量修改直接運用該節(jié)點包。

（4）設計模型組裝：利用Dynamo 自主開發(fā)節(jié)點包，構建模型組裝節(jié)點流，并完成設計模型的一鍵組裝。后續(xù)修改模型，僅需少量修改Dynamo 節(jié)點流中輸入數(shù)據(jù)，即可快速完成對整個模型的修改工作（見圖5）。

圖5 完整模型示意

3.1.2 設計階段BIM 應用

（1）方案設計主要應用

a.結構形式比選：修改自適應構件模型，調(diào)整結構形式，直觀反映橋梁建筑方案在整個環(huán)境中的美感與和諧性，快速優(yōu)化橋梁建筑形式；模型上賦予實際的材質(zhì)、顏色、燈光等，模擬成橋效果見圖6。

圖6 成橋夜景效果圖

b.車及行人視覺模擬：模擬行車及行人視角，查看橋梁自身景觀及周邊環(huán)境景觀、橋梁通透性等，校核行車視距（見圖7）。

圖7 行車視覺模擬

c.快速形成方案模型展示：在BIM 中添加周邊場地環(huán)境和建筑模型，考慮與道路設計的融合合理性，并充分考慮橋梁與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)性。

（2）施工圖設計主要應用

a.結構計算：將建立的Revit 模型導入有限元分析軟件，對導入模型進行修正和網(wǎng)格劃分處理后，添加荷載和邊界條件，進行橋梁結構的強度、剛度、穩(wěn)定性驗算（見圖8）。

圖8 有限元計算

b.輔助二維施工圖出圖：配合二維施工圖設計，優(yōu)化鋼結構箱室設計，解決三維曲面坐標高程計算困難問題。

c.工程量統(tǒng)計：精準獲取橋梁構件工程量，輸出實物工程量，與傳統(tǒng)手算相比，工程量偏差3.5%左右。

通過參數(shù)化建模，控制模型中各構件的幾何關系，以適應各類結構的變化。在后期方案變更過程中，參數(shù)化的模型可以通過簡單的命令實現(xiàn)全模型整體修改。另外，參數(shù)化的模塊還可供后期項目的重復適用。

3.2 BIM 正向設計在施工階段的延伸

基于BIM 正向設計，探索設計施工一體化，通過模型、數(shù)據(jù)等無損延續(xù)保障施工的合理性。

在鋼結構工廠下料方面，設計階段已準確繪制板件尺寸和形狀的數(shù)字模型，鋼結構加工廠將正向設計模型轉(zhuǎn)換成3ds 格式后導入Tekla Structures 軟件，經(jīng)過復核和局部修改后便可利用模型精確繪制工廠加工深化圖和下料清單。根據(jù)運輸條件進行構件拆分，精確排版鋼板大樣，避免材料浪費，直觀指導工人精準下料，實現(xiàn)智慧制造（見圖9）。

圖9 施工下料輔助

對于復雜的三維曲面，傳統(tǒng)的二維圖紙很難直接表達出弧度的變化。在設計給定的原則下需要經(jīng)過復雜的計算才可得出準確的三維坐標，增加了施工的難度。三維數(shù)字模型的應用，方便施工單位直接讀取所需要的數(shù)據(jù)，避免變化換算的錯誤，有效提高了施工效率和精度。

在施工方案模擬方面，可通過BIM 技術實現(xiàn)數(shù)字化預拼裝，正向設計模型轉(zhuǎn)換成3ds 格式后導入渲染軟件lumion 進行安裝過程模擬（見圖10）。

圖10 施工過程模擬

BIM 技術將本需要巨大財力、物力的工廠整體預拼裝變成了三維數(shù)據(jù)模擬，并能得到滿足工程需要的精度要求。同時，還可以通過BIM 技術優(yōu)化施工工序，實現(xiàn)節(jié)能降噪。

4 BIM 正向設計在項目中的應用成效

BIM 橋梁正向設計在項目各階段得到了較好的應用和效益。

（1）方案比選階段：BIM 橋梁模型直面業(yè)主，可隨時動態(tài)修改方案，更加快速地達到業(yè)主想要的橋梁方案，減少之后的會面交流成本。

（2）在復雜的空間曲線與多元化的橋梁截面方面：可通過Dynamo 節(jié)點包編程，實現(xiàn)對空間曲線的控制、異形結構參數(shù)化建模，做到一個參數(shù)化截面適用于多個變截面，極大地減少了人力的投入。

（3）在模型渲染方面：橋梁模型與Civil 3D 道路結合導入3d Max 進行效果渲染，降低效果圖方面的開支。

（4）在三維出圖與識圖方面：精細化后的橋梁模型，可以實現(xiàn)高質(zhì)量、高效率地出圖，準確預算工程量。三維模型可以幫助施工人員更清楚、直觀地讀懂圖紙內(nèi)容。

（5）在工期與成本方面：BIM 正向設計較傳統(tǒng)的二維設計縮短了時間，同時也降低了工程成本。

（6）在施工方面：BIM 模型提交施工單位后，可進行快速施工下料，確保施工精度和質(zhì)量，縮短施工工期，節(jié)省工程造價。

（7）施工完成后，BIM 模型歸檔業(yè)主，還可用于進行運維管理。

從以問題為導向的角度出發(fā)，與異形景觀橋傳統(tǒng)二維設計相比，BIM 正向設計的水平、質(zhì)量與效率均有提高，專業(yè)協(xié)作更加完善，內(nèi)容表達更加豐富。

同時，復雜橋梁設計對設計師提出更高挑戰(zhàn)，基于BIM 正向設計拓展的全生命周期BIM 應用至關重要。從正向設計出發(fā)，發(fā)揮數(shù)字化信息傳遞和數(shù)據(jù)應用的優(yōu)勢，積極探索BIM 設計施工的延展性。

5 BIM 正向設計總結

對于常規(guī)橋來說，現(xiàn)階段的二維設計經(jīng)過多年的實踐已能成熟地應用于施工。但對于復雜的異形橋梁，常規(guī)的二維設計手段在設計階段和施工交底階段較難校對出問題，多在施工過程中才發(fā)現(xiàn)各種各樣的碰撞、錯臺、錯位，或因施工先后順序不合理導致無法安裝等問題。由于該類問題往往累積到一定程度后才被發(fā)現(xiàn)，因此后期整改措施代價極大。

BIM 正向設計的應用給復雜異形橋梁賦予了強大的空間問題解決能力，為該類二維圖紙無法表達的多維度的曲線、曲面、幾何體提供了直觀表達方案。因此，從需求角度來說，復雜異形橋梁的BIM 正向設計應用是非常必要的。如何快速建立復雜異形橋梁模型的方法和手段也是未來研究的重點方向。

6 結語

本文通過介紹BIM 技術在異形鋼結構橋梁的設計，得到以下結論：

（1）復雜橋梁BIM 設計，需采用多軟件協(xié)同的方式完成，技術路線可參考本項目。

（2）族庫先行原則，在開展橋梁設計前，需總結歸納不同項目的構件族庫，為當前項目提速增效。

（3）必要的二次開發(fā)是BIM 設計中強有力的助推劑。設計過程中，需充分利用各軟件的擴展開發(fā)功能，深入開展二次開發(fā)工作。

（4）BIM 技術在施工和運營階段的優(yōu)勢需得到發(fā)揮。BIM 技術不僅僅體現(xiàn)在設計階段，而是貫通項目的全生命周期。