基于BIM技術的城市異形橋塔斜拉橋設計研究

朱殷橋， 何 畏， 王 亮

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

基于BIM技術的城市異形橋塔斜拉橋設計研究

朱殷橋， 何 畏， 王 亮

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

作為一個熱點應用技術，BIM在建筑工程與橋梁工程中的應用存在重要的聯(lián)系，但也有明顯的差異。文章以廣東省珠海市橫琴新區(qū)依依橋為背景工程，介紹了斜拉橋初步設計過程中的BIM技術應用研究工作，主要包括構件分類、族庫建模、可視化設計、參數(shù)化設計、半自動化出圖等。針對橋梁工程的應用特點，進一步提出了基于XML格式的橋梁設計BIM信息分類存儲和傳遞技術的方法。通過分析BIM建模軟件與其他軟件的數(shù)據(jù)交互，并依托具體案例驗證基于XML的實現(xiàn)對斜拉橋塔、梁、索的結構化信息和非結構化信息數(shù)據(jù)存儲和傳遞的可行性。研究表明，在異型斜拉橋中應用BIM技術，可有效提升設計效率，減少人工、時間和資金成本，采用基于XML格式的信息存儲技術可解決橋梁BIM中信息存儲復雜的問題，為橋梁全壽命管理提供重要支撐。

斜拉橋； BIM技術； 橋梁全壽命管理； 存儲與傳遞； XML格式

傳統(tǒng)的計算機輔助設計與管理方法及流程已經(jīng)越來越難滿足目前建筑工程和交通領域越來越復雜的需求，建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)概念的出現(xiàn)突破了土建行業(yè)信息管理發(fā)展新階段的瓶頸，為工程行業(yè)提供一個全新高效的工作平臺，使工程設計建造周期顯著縮短、效率和品質(zhì)全面提高。

然而橋梁工程運用BIM技術核心是實現(xiàn)橋梁工程信息的共享與轉(zhuǎn)換[1]，因此結合橋梁工程信息特點探索橋梁工程信息交換和共享機制，通過構建橋梁工程 BIM 數(shù)據(jù)集成管理框架體系和基于BIM的橋梁信息模型數(shù)據(jù)分類與存儲模式，對促進橋梁工程BIM技術的發(fā)展應用有重大意義。

1 工程背景

1.1 BIM技術在橋梁中應用現(xiàn)狀

由于橋梁工程的高速發(fā)展，如今出現(xiàn)越來越多的橋梁異型構件，其構造復雜，對材料和力學性能的要求更高，同時還需要保證橋梁長期服役狀態(tài)下的高標準、高質(zhì)量。因此為了適應橋梁工程技術的發(fā)展與應用，橋梁工程BIM技術應運而生[2]。國外BIM在科研、設計、施工和維護重建等領域均有應用，但國內(nèi)針對橋梁BIM應用更多的是在施工階段，在橋梁設計階段仍處于初步探索狀態(tài)，而BIM技術在設計階段的應用主要表現(xiàn)為以模型為主導的設計，具體表現(xiàn)有構件分類、族庫建模、可視化設計、參數(shù)化設計、半自動化出圖等應用。在滬昆客專北盤江特大橋(圖1)設計中，中鐵二院進行了基于BIM技術的設計，建立了詳細的全橋模型、勁性骨架局部模型、節(jié)段模型及場地模型等(圖2)。

圖1 滬昆客專北盤江大橋

1.2 橋梁工程BIM與建筑工程BIM的異同

建筑工程對BIM應用的要求主要以減少重復工作、解決碰撞、利于工程各方溝通和管理為主，便于運營維護管理，是一定場地范圍內(nèi)建筑、結構、機電工程的集成[3]。而橋梁工程較之建筑工程，對結構的受力性能要求更為突出，橋梁工程的BIM研究不存在建筑、機電和結構相互協(xié)調(diào)的問題，而是由于其跨度大、使用壽命長、荷載大、易損傷，需長期監(jiān)測檢修，因此其主要以包含性能信息在內(nèi)的全壽命模型應用為主，以結構受力性能為主要關注對象，傾向于生命期內(nèi)結構和性能信息的集成和流動管理。兩者的應用側(cè)重點見圖3。

圖2 滬昆客專北盤江大橋BIM應用

圖3 BIM在建筑工程、橋梁工程中應用的側(cè)重點

1.3 依依橋工程背景

本文以珠海市橫琴新區(qū)依依橋橋梁工程為項目背景，橋梁總長188 m，全長196 m，布跨方式為4×30 m+68 m =188 m，通航孔設置在主跨跨徑內(nèi)。本橋結合周圍環(huán)境和橋位建設條件，在對傳統(tǒng)有背索斜拉橋深入研究的基礎上，取獨具東方之美且象征世界性的鳳凰文化的“鳳首箜篌”，提出的一種新型的有背索前傾曲塔斜拉橋，橋塔前索面向北岸彎曲傾斜約40°，配合豎琴形前索，整體外觀呈“鳳首箜篌”造型。從傾斜曲塔上設置兩組背索錨固于邊跨的外緣，與前索在空間上形成穩(wěn)定的四面體構型(圖4)。設計結構形式既區(qū)別于常規(guī)斜拉橋，又區(qū)別于傳統(tǒng)無背索斜塔斜拉橋[4]，全橋結構力線明確，與周圍景觀協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

圖4 依依橋空間造型

依依橋主橋橋?qū)挒?1～38 m，主塔采用變截面傾斜曲塔結構，塔身曲線線形采用圓曲線擬合，橋面采用雙向6車道布置，全橋共設23根拉索, 包括17根前索和6根背索。

2 BIM技術在斜拉橋設計中的應用

2.1 依依橋特殊部件的優(yōu)化及構件族的建立

依依橋為鋼結構異形斜曲塔斜拉橋，也可看作協(xié)作體系斜拉橋，采用的是塔梁固結、塔墩分離的結構形式，主梁主跨采用變截面鋼箱梁，邊跨也采用了鋼箱梁結構形式。橋梁上部結構包括鋼箱梁主梁、前傾曲線鋼塔和斜拉索系統(tǒng)三大部分。下部結構包括橋墩和樁基礎、橋臺等內(nèi)容，具有結構復雜、異型構件眾多、工程信息量巨大等特點。為順利實現(xiàn)該橋的設計，從概念設計開始就采用了基于BIM技術的空間三維模型設計思想，并一致貫穿到施工圖設計階段[5]。

橋塔采用了前傾式曲塔方案，橋塔立面線形復雜，設計過程中采用曲線擬合的方式實現(xiàn)立面線形擬定，并利用BIM專業(yè)軟件Autodesk Revit的參數(shù)化功能實現(xiàn)曲線各段的平滑擬合。在橋塔設計過程中，三維模型對空間的展示使得用戶通過比平面圖更直觀的方式選擇了造型更優(yōu)的設計方案一(圖5)。

圖5 橋塔立面優(yōu)化設計

錨固構造的設計在整個設計過程中占了很大比例的工作量，同時錨固構造也由于橋梁的特殊造型變得空間性很強，且其本身構造復雜，傳統(tǒng)二維設計很難表達設計成果，因此通過BIM對錨固構造進行三維設計[6]。由于橋面布置渠化范圍向南側(cè)移動30 m，考慮相關構造和受力特性，使得梁上后錨塊設計多次進行優(yōu)化調(diào)整，使之和橋面板、橫隔板、腹板、加勁肋、封板等的相互關系明確和統(tǒng)一，并構成合理傳力結構(圖6)。

圖6 錨固傳力優(yōu)化設計

在依依橋項目設計建模時，首先需要根據(jù)結構構件類別對項目橋梁結構進行分類(表1)。構件族可由多人分別建立，導入項目文件中進行族的調(diào)用，采用關鍵的點線面定位拼裝方法組建全橋結構；若某構件族結構發(fā)生變化，可直接由項目進入構件族中進行修改，重新導入項目即可完成結構的調(diào)整，大大提高了橋梁設計的效率。

表1 橋梁構件族分類

2.2 可視化設計

由于設計過程中建立了相對完善的三維空間模型，因此可以認為設計過程實現(xiàn)了可視化。基于BIM的設計將很好地規(guī)避橋梁結構構造空間位置不合理或相互干擾的問題，在設計細節(jié)的處理上，橋梁設計中常常被忽略或容易出錯的細部構造問題在三維模型中有很好地展示，因此其出錯率將大大降低。還有在空間障礙的分析中，通過三維模型更利于分析施工可行性，如本橋的鋼結構焊接空間是否足夠等，都可以通過三維模型形象量測和展示(圖7)。

圖7 局部構造可視化設計

2.3 參數(shù)化設計

利用Revit強大的參數(shù)化性能對依依橋的構造進行設計，通過的相關約束和特征方程，可以快速計算得到需要的點位、交線等空間位置信息，極大方便了構造設計過程[7]。這種參數(shù)化設計在模型建立過程中頻繁應用，對提高建模效率起到了重要作用。圖8為和索塔結構族參數(shù)化驅(qū)動模型，展示了下部結構中可以被驅(qū)動的參數(shù)。

圖8 下部結構族參數(shù)

2.4 半自動出圖

依依橋在設計過程中基本完成了全橋重要部位的詳細三維建模，因此在設計圖出圖過程中充分利用了建立好的三維模型，利用三維模型的平面投影來實現(xiàn)平面圖出圖工作。根據(jù)投影比例補充標注和相關細節(jié)信息即得到詳細的設計圖[8]，圖紙生成比人工根據(jù)平面投影關系手繪更加便捷準確。以梁上后錨塊為例，由三維模型直接生成部分圖紙，輔助施工圖繪圖(圖9)。

2.5 BIM技術對傳統(tǒng)設計及管理優(yōu)化

BIM技術的應用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩個方面，一是改傳統(tǒng)以圖紙為主導的二維設計為以模型為主導的三維設計；二是能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁全壽命周期的有效信息管理[9]。

傳統(tǒng)設計難以直觀地表現(xiàn)設計對象，在概念設計和方案設計階段，特別是造型比選方面天生劣勢。基于BIM的設計可以得到直觀形象的三維立體模型，而以模型為主導的三維設計質(zhì)量必然高于二維設計，各專業(yè)之間基于模型的協(xié)同設計也能夠有效避免傳統(tǒng)設計中較多存在的碰撞和錯漏問題。另一方面，傳統(tǒng)設計的信息呈分散狀態(tài)，信息斷層和信息孤島現(xiàn)象嚴重，對上一階段的信息難以有效繼承和利用?；贐IM的設計為信息集成提供一個平臺，使得信息的繼承利用得以快速實現(xiàn)，同時基于BIM的橋梁設計信息還可以與VR技術[10]、3D打印技術進行結合，發(fā)揮出更大的優(yōu)勢。

(a) 三維軸測

(b) 平面

(c) 側(cè)視

(d) 立面

盡管BIM這項新技術在橋梁工程領域得到了越來越多的關注和持續(xù)的發(fā)展，但其基礎理論還不盡完善，適合橋梁工程的BIM平臺尚無較好的解決方案，基于BIM的橋梁設計、施工、管理等的實施方案還在探索階段，導致BIM技術在橋梁中的應用目前未取得明顯優(yōu)勢。正因為如此，針對橋梁BIM應用的基礎性研究需要重點先行開展，為之后的程序開發(fā)管理提供理論支撐。

3 基于XML的數(shù)據(jù)信息存儲與傳遞

3.1 橋梁BIM信息分類與編碼

信息分類與編碼是指對某一領域的事物按照一定的原則進行分類組織，然后按照一定規(guī)則完成統(tǒng)一編碼。作為BIM標準中信息語義標準的重要組成部分，橋梁工程要實現(xiàn)BIM應用也必須按一定的原則進行分類編碼，特別是強調(diào)全壽命設計的要求下，還需要實現(xiàn)對橋梁項目全生命周期各種信息數(shù)據(jù)的分類和編碼，才能實現(xiàn)橋梁工程項目在全生命周期中各階段、各相關方及各類信息應用平臺對橋梁BIM信息的規(guī)范利用[11]。

3.2 XML數(shù)據(jù)格式簡介

XML，全稱Extensible Markup Language，可擴展標記語言XML主要被設計來存儲和傳遞數(shù)據(jù)，可以對文檔和數(shù)據(jù)等內(nèi)容進行“結構化”處理，其具有開放性、可擴展性、平臺無關性、內(nèi)容與形式可分離、結構化、自描述性、異構性等特點。

XML作為一種數(shù)據(jù)存儲和交換的標準，提供了對信息系統(tǒng)內(nèi)組件建模的方法。XML自身的構造很簡單，只使用四個基本“組件”來表達信息，這四個“組件”分別是標記、屬性、數(shù)據(jù)元素和層次結構。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)建模相比，XML信息建模的優(yōu)點在于它非常直觀地模擬了現(xiàn)實，使信息傳達更為便捷[12]。

3.3 基于XML的橋梁數(shù)據(jù)存儲與傳遞

橋梁工程中涉及到的信息除了結構化信息外，還有很大一部分非結構化信息，包括文本、圖形圖像、文檔、單獨文件等，這些信息都是存在異構環(huán)境中，異構數(shù)據(jù)集成可以靠XML來描述并保存。因此XML也可以作為跨平臺的非結構化信息交換和互操作的一種實現(xiàn)方式。這樣，統(tǒng)一的數(shù)據(jù)XML模型屏蔽數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)結構的異構性，還可將多個數(shù)據(jù)納入同一XML文件模型。把XML作為橋梁工程非結構化信息的存儲和轉(zhuǎn)換媒介是一種可行的選擇。

4 結論

本文依托珠海市依依橋的設計，針對斜拉橋設計過程中的BIM應用進行研究，分析了現(xiàn)階段BIM應用存在的問題，針對存在的問題進行了基于BIM的橋梁設計信息管理框架、數(shù)據(jù)存儲與傳遞技術的基礎研究，并總結如下[13]：

(1)依依橋設計過程中運用到了可視化設計、參數(shù)化設計、半自動化出圖、導出計算模型等BIM技術應用，利用REVIT建立了自定義構件庫并組拼全橋BIM模型，BIM技術的應用對提高橋梁設計質(zhì)量和設計效率具有一定的促進作用。

(2)在橋梁領域中BIM信息更關注橋梁受力信息以及全壽命相關信息。要實現(xiàn)橋梁工程BIM信息集成管理必須按一定的規(guī)則對橋梁工程全生命周期信息進行分類和編碼。

(3)XML可以作為橋梁BIM信息存儲的有效載體。利用對橋梁工程結構化信息和非結構化信息的XML格式存儲研究，證實了選用XML作為橋梁BIM信息存儲數(shù)據(jù)格式具備可行性，為橋梁信息數(shù)字化存儲提出了一種新的實現(xiàn)途徑。

[1] 張海華,劉宏剛,甘一鳴.基于BIM技術的橋梁可視化施工應用研究[J].公路,2016(9):155-161.

[2] 尚春靜.基于建筑生命用期的建筑業(yè)管理信息化研究[D].北京：北京交通大學,2007.

[3] 王珺.BIM理念及BIM軟件在建設項目中的應用研究[D].成都：西南交通大學,2011.

[4] 董耀文,王顯臣,張勝超.樂清灣大橋基于Revit軟件的橋梁BIM模型參數(shù)化設計初探[J].公路,2016(9):161-164.

[5] 陳艾榮.基于給定結構壽命的橋梁設計過程[M].北京：人民交通出版社，2009.

[6] 安雪暉.基于信息技術的建設項目生命周期管理[J]. 智能建筑與城市信息,2003(4):70-72.

[7] 王亮.基于BIM的斜拉橋設計應用與信息管理研究[D].成都：西南交通大學,2016.

[8] Seo Jong-Cheol,Kim In-Han.A Study on the Current Guideline Trends and Strategic Directions for Developing Open BIM Guideline[J]. Korea Journal of Construction Engineering and Management.2008,10(4):58-65.

[9] 汪波.斜塔無背索部分斜拉橋結構設計計算研究[D]. 南京：東南大學,2006.

[10] 林友強,曾明根,馬天樂,等.橋梁工程設計BIM技術應用探索[J].結構工程師,2016(4):7-12.

[11] 陳莎莎.基于BIM技術的鋼桁架拱橋設計及信息管理研究[D].成都：西南交通大學,2016.

[12] 吳露方.基于BIM的橋梁全生命周期管理研究初探[J].土木建筑工程信息技術,2013(6):17-21.

[13] 陳訓.建設工程全壽命信息管理(BLM)思想和應用的研究[D].上海：同濟大學,2006.

朱殷橋(1991～)，男，碩士研究生，研究方向為橋梁概念設計；何畏(1972～)，男，副教授，研究方向為橋梁概念設計；王亮(1989～)，男，助理工程師，研究方向為橋梁概念設計。

U442.5+4

A

[定稿日期]2017-03-10