BIM技術在公路橋梁設計中的具體應用研究

高風勇

摘要 為了提高公路橋梁設計水平，文章總結了BIM技術在橋梁設計中的應用優(yōu)勢，建立了標準框架和設計流程框架。同時，以某公路大橋為研究對象，闡述了Revit軟件建立橋梁BIM模型的具體方法，分析了BIM技術在鋼筋布置、鋼筋碰撞檢查、自動統計工程量、施工模擬等方面的應用，研究成果可為類似工程提供理論指導。

關鍵詞 BIM技術；公路橋梁；三維模型；設計模擬；工程應用

中圖分類號 U442.5文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）08-0071-03

0 引言

近年來，橋梁工程建設規(guī)模逐漸擴大，且結構復雜程度高，對橋梁設計質量要求越來越嚴格。在現階段橋梁設計中，多采用二維設計方法，直觀性差，容易出現不同專業(yè)間沖突、工程量統計錯誤、設計變更多等問題，嚴重影響了橋梁建設質量。為了解決這一問題，建議引入BIM技術（Building Information Modeling）。目前，BIM技術在工民建領域應用較多，但在橋梁工程中可參考的案例較少。因此，深入研究BIM技術在公路橋梁設計中的具體應用具有重要的意義。

1 BIM技術在橋梁設計中的應用優(yōu)勢

隨著公路橋梁結構區(qū)域大型化和復雜化，基于CAD軟件的二維設計方法已難以滿足需求，而BIM技術可以很好解決這一問題，并提高設計質量，其應用優(yōu)勢體現在以下幾個方面：

1.1 可視化

BIM是一個新型設計理念，是以三維建模軟件為核心，建立真實的公路橋梁模型。相對于二維圖紙，三維模型能詳細地展示橋梁的構件細節(jié)及不同構件間的空間關系，并直觀表達設計人員的意圖，有利于設計單位向業(yè)主或建設主管部門匯報橋梁設計方案。

1.2 參數化

公路橋梁在工可、初步設計、施工圖設計等階段需反復地修改或優(yōu)化，尤其是大型橋梁，其構件多且構件之間相互關聯，其中一個構件信息改變，與之相關聯的構件都要修改，將大幅增加設計時間和設計成本。BIM技術可實現參數化建模，修改一個構件參數后，與之相關聯的所有構件都可以修改，從而優(yōu)化橋梁設計工作流，如圖1所示[1]。

由圖1可知：應用BIM技術后使得橋梁設計前期工作量增加，但能明顯減少設計時間，后期工作量大幅減少?？傮w而言，BIM技術的設計工作量更小，設計效率更高。

1.3 協同性

公路橋梁設計需與道路、交安設施、巖土等專業(yè)相互配合，在傳統設計模式下，各專業(yè)之間往往各自設計，缺乏溝通；溝通以word或excel文件為主，實時性較差，容易出現沖突。利用BIM技術可構建一個協同管理平臺，不同專業(yè)之間可實時查詢橋梁的最新設計信息，避免設計沖突。一般情況下，協同管理平臺要對不同對象設置權限，確保在不干涉他人數據的前提下，實現數據模型的共享。

2 橋梁BIM模型實施框架分析

2.1 標準框架建立

BIM技術所涉及的范圍非常廣，應用復雜，從縱向看，包括投資、勘察、設計、施工、運維等全生命周期；從橫向看，包括參與的業(yè)主、設計、施工、監(jiān)理、運維單位等。為保證BIM技術的應用質量，先要建立一套標準框架。參考美國的NBIMS標準，我國也提出了與本國國情更接近的開放式標準框架，即中國建筑信息模型標準（China Building Information Model Standards，簡稱CBIMS），其具體組成包括三部分：標準規(guī)范（數據交換IFC、信息分類IFD、流程規(guī)則IDM），解決方案（技術選擇說明、CBIMS說明、構件詳細說明），使用指南（構件制作、工程建模、模型應用）[2]。

2.2 設計流程框架建立

大量工程實踐表明，BIM技術在橋梁設計中的具體應用都是基于三維模型開展的，即建立BIM模型后，才能開展公路橋梁的結構分析、鋼筋布設、碰錯漏檢查、工程量統計、自動輸出圖紙等應用。

當前的BIM建模水平尚不完善，需在不同設計階段建立不同深度等級的三維模型。由《公路工程信息模型應用統一標準》可知，公路橋梁的模型可劃分為L0D1.0～L0D5.0五個等級。在工可階段，模型要達到L0D1.0級，有基本的橋梁外輪廓形狀、粗略尺寸及主要的設計信息；在初步設計階段，模型要達到L0D2.0級，有近似的幾何尺寸、形狀等，要能反映橋梁大致幾何特性及主要的設計信息；在施工圖設計階段，模型要達到L0D3.0級，要有精確的幾何尺寸，能夠反映橋梁的實際外形，并包含詳細的設計信息。

3 BIM技術在橋梁設計中的應用實例

3.1 工程概況

研究對象為某公路大橋，全長550 m，交叉角度為90 °，設計荷載為公路Ⅰ級，設計速度為80 km/h，地震設防烈度為Ⅵ度，結構重要性系數取1.1。橋梁上部結構為箱梁，先簡支后連續(xù)箱梁為等截面，高度為1.6 m，板厚為0.2；橋梁下部結構中的橋臺為肋式臺，橋墩為柱式墩，基礎為鉆孔灌注樁基礎，且樁基之間以系梁連接；橋面橫坡為2%，由10 cm瀝青混凝土鋪裝+防水層+8 cm水泥混凝土面板組成。

3.2 橋梁設計模型建立

國內應用BIM技術的建模平臺有歐特克（Autodesk）、奔特利（Bentley）、達索（Dassult）等，其中Autodesk平臺開發(fā)的Revit軟件兼容性好，支持二次開發(fā)，便于操作，在國內的應用也最廣；Bentley平臺開發(fā)的MicroStation軟件支持參數化設計及復雜曲面的建立，對各專業(yè)之間的配合要求高，操作界面較復雜，文件格式特殊，兼容性不好，且價格較昂貴。文件交互格式，是一款需要長時間研究的軟件，而且軟件價格較昂貴；Dassult平臺開發(fā)的Catia軟件，多用于復雜橋梁模型的建立，比如空間扭曲結構的大橋和特大橋，可快速實現參數和模型的關聯，但操作較復雜[3]。

綜上，擬選擇Revit軟件用于該橋梁建模，采用參數化建模方法。在建立模型前，要在軟件中創(chuàng)建項目初始文件，輸入項目名稱、工程概況、設計人員、設計單位等基本信息。

3.2.1 族庫建立

Revit軟件未內置公路橋梁族庫，但可利用拉伸、旋轉、融合、放樣等命令自定義族庫。

上部結構族庫：箱梁截面的受力面積大，能承受較大的正負彎矩，可利用Revit軟件中的梁和支撐樣板定義。以箱梁下部的中間點為基準，利用拉伸工具進行拉伸，并添加尺寸約束。

下部結構族庫：橋梁下部結構包括樁基礎、承臺、墩柱、系梁、蓋梁等，可以在軟件中分別定義，然后用嵌套命令將其整合在同一個族文件中。以樁基承臺族為例，樁基礎可用圓形樣板拉伸建立，以承臺底部為參照平面，添加尺寸約束。隨后，用嵌套命令對樁基礎和承臺的參數進行關聯，形成一個完整的族。

3.2.2 建立模型

按照橋梁設計圖紙，整理了橋梁上部結構和下部結構各個構件的具體尺寸，基于上述族庫對橋梁模型進行組裝，最終建立的模型如圖2所示。此外，橋面鋪裝層、防撞墻、橋頭搭板、錐坡、橡膠支座、護欄等附屬設施族直接附著在模型中即可。

3.3 鋼筋布設和碰撞檢查

3.3.1 鋼筋布設

鋼筋布設是公路橋梁設計的關鍵，其設計質量直接影響了橋梁結構的安全性。Revit軟件中提供了多種型號、尺寸等鋼筋，可利用鋼筋命令布置橋梁各部分構件的鋼筋。需注意，橋梁結構鋼筋布置時要分區(qū)，不得一次性布置全部構件的鋼筋，否則軟件容易出現“卡頓”問題。

3.3.2 鋼筋碰撞檢查

碰撞檢查是BIM技術最大的優(yōu)勢之一，可以在橋梁施工前及時發(fā)現不同專業(yè)或相同專業(yè)之間的沖突問題，以減少設計返工，確保工程順利推進。

鋼筋碰撞有硬碰撞（接觸碰撞）和軟碰撞（間距、尺寸小于規(guī)范值）兩種。Revit軟件雖自帶碰撞檢查功能，但效率低、耗費時間長、不便于修改，故橋梁在交付設計成果前可將Revit軟件建立的BIM模型導入Navisworks軟件中，利用“clash detective”命令對模型進行碰撞檢查，具體流程如圖3所示[4]。

由圖3可知：如發(fā)現橋梁構件的鋼筋有碰撞問題，Navisworks軟件會自動生成碰撞檢查報告，報告中會顯示出碰撞點、碰撞位置、碰撞日期等參數。隨后，設計人員應結合碰撞檢查報告及時查明原因，修改BIM模型后再次碰撞，直至碰撞點清零。

3.3.3 鋼筋碰撞優(yōu)化

在優(yōu)化存在碰撞沖突的鋼筋時，要充分考慮施工的便利性，并堅持以下原則：①當縱向鋼筋和橫向鋼筋碰撞時，優(yōu)先調整橫向鋼筋。②當縱向鋼筋和豎向鋼筋碰撞時，優(yōu)先調整豎向鋼筋。③縱向鋼筋、橫向鋼筋、豎向鋼筋自身通常不會碰撞，不需單獨優(yōu)化。

3.4 自動統計工程量

在公路橋梁設計階段，大多是使用表格或是word文檔計算各部分構件的工程量，使得數據相互孤立、缺乏聯系。如果設計需求更高，相應的工程量無法動態(tài)更新，一旦遺漏更改，施工結果可能出現大變更。而利用Revit 軟件中的“明細表”命令可直接提取出橋梁各部分構件的工程量。如果修改了橋梁模型中的部分構件，明細表中關于該構件的工程量會自動更新，大幅節(jié)約了設計人員的統計時間。

Revit軟件中的橋梁結構工程量明細表可自定義，自定義內容有字段、過濾器、排序、外觀等，具體見表1：

為了驗證Revit軟件統計工程量的可行性，自動提取了橋梁不同直徑鋼筋的重量，并與手工計算的工程量做對比，并定義了絕對誤差C，見式（1）。一般情況下，A值越小，BIM技術的應用效果越好[5]。

（1）

式中，R——人工計算值（t）；S——軟件計算值（t）。

不同直徑的鋼筋工程量統計結果見圖4：

對于直徑為8 mm、10 mm、12 mm、16 mm的鋼筋，其絕對誤差C分別為0.60%、0.36%、0.18%、0.32%，平均值為0.36%，總體誤差較小，滿足工程建設需求。

3.5 施工模擬

該公路橋梁的總體施工工序為樁基—系梁—墩柱—蓋梁—箱梁—端部橫梁—橫向濕接縫—橋面鋪裝—橋面線。利用BIM技術對施工工藝復雜的部位進行施工進度模擬（在BIM模型中加入時間線），可檢查設計施工工序的合理性，優(yōu)化資源配置。

4 結語

該文研究了BIM技術在橋梁設計中的應用優(yōu)勢、實施框架及具體工程應用，研究成果表明：

（1）將BIM技術應用于公路橋梁設計中可很好地實現可視化、參數化、協同性，提高設計質量。

（2）在實際項目中可基于CBIMS標準開展橋梁設計，并結合設計進度來選擇BIM模型深度等級。

（3）橋梁BIM模型建立應優(yōu)先使用Revit軟件，需先定義上部結構和下部結構的族庫，并結合設計參數進行拼裝。

（4）基于BIM模型可實現鋼筋布置、鋼筋碰撞檢查、自動統計工程量、施工模擬等功能。

參考文獻

[1]韋澤鵬， 成家勝. 基于BIM的橋梁智慧化設計系統研究[J]. 中國水運， 2023（9）： 95-97.

[2]王博， 祝興虎， 裴王簡， 等. BIM正向設計在復雜立體交通設計階段的應用[J]. 中外公路， 2023（4）： 299-302.

[3]衡江峰， 高進進， 張谷雨. 基于BIM的橋梁工程設計與施工優(yōu)化研究[J]. 工程與建設， 2023（4）： 1106-1108.

[4]王開， 羅天靖， 李輝， 等. 基于BIM技術的橋梁下部結構參數化建模與協同設計應用[J]. 鐵道標準設計， 2023（10）： 134-140.

[5]靳雄兵. 基于BIM技術的測繪要素集成在公路勘察設計中應用的研究[J]. 江西建材， 2023（5）： 169-171.