公路工程混凝土結(jié)構(gòu)橋梁的BIM正向設(shè)計(jì)應(yīng)用

梁曉林 南進(jìn)江 李宇航

（1.中國(guó)公路工程咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京 100089；2.中交路橋建設(shè)有限公司，北京 100097；3.中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

一、引言

近年來(lái)，BIM技術(shù)正處于大力推廣應(yīng)用的階段，在公路工程領(lǐng)域受到高度關(guān)注[1-3]。從建筑行業(yè)具體應(yīng)用表現(xiàn)來(lái)看，BIM技術(shù)相較于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)明顯，用戶(hù)運(yùn)用三維模型直接設(shè)計(jì)，改善了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中圖紙和工程資料離散、二維圖紙表達(dá)抽象、設(shè)計(jì)過(guò)程中相關(guān)聯(lián)的工程內(nèi)容不具備聯(lián)動(dòng)性等局限性。BIM技術(shù)使得項(xiàng)目的設(shè)計(jì)進(jìn)度、成本及范圍發(fā)生了改變，具有提升效率、數(shù)據(jù)重復(fù)利用、協(xié)調(diào)性強(qiáng)、設(shè)計(jì)成本低、設(shè)計(jì)質(zhì)量高和出錯(cuò)率低等特點(diǎn)，但當(dāng)前未能在設(shè)計(jì)、管理和運(yùn)營(yíng)等過(guò)程中連續(xù)應(yīng)用該技術(shù)，導(dǎo)致在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中無(wú)法最大程度實(shí)現(xiàn)信息源共享。

另外，在實(shí)際應(yīng)用中，多數(shù)項(xiàng)目為響應(yīng)政策規(guī)定應(yīng)用BIM的要求，僅做到了三維可視化程度，在設(shè)計(jì)階段往往采用“翻?！钡姆桨?，即先開(kāi)展二維設(shè)計(jì)，再依據(jù)二維圖紙創(chuàng)建模型。此方式采用的是“逆向設(shè)計(jì)”，不僅工作量大、低效、不具備技術(shù)含量，而且模型與圖紙的一致性難以保證，這與使用BIM技術(shù)的初衷相悖且降低了公路工程項(xiàng)目中圖紙的精確度。因此，對(duì)于BIM技術(shù)在公路工程中正向設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用研究具有相當(dāng)?shù)谋匾浴?/p>

二、項(xiàng)目概況

湖南省省道482線(xiàn)鐘祥市豐樂(lè)漢江公路大橋，位于鐘祥市北部，路線(xiàn)起于胡集鎮(zhèn)陳營(yíng)村，與既有省道482線(xiàn)胡集至轉(zhuǎn)斗段相接，自周營(yíng)村東側(cè)轉(zhuǎn)向東南，在轉(zhuǎn)斗村南側(cè)布線(xiàn)，向東跨越漢江，新建漢江特大橋，繼續(xù)向東至終點(diǎn)豐樂(lè)鎮(zhèn)三灘村北，與既有省道482線(xiàn)豐樂(lè)至北新集段相接，并與省道218線(xiàn)相交。路線(xiàn)全長(zhǎng)6.688km，含特大橋2319m/1座，其中主橋557m，引橋1762m。橋梁跨徑組合為（11×30）mT梁+（57+88+2×160+92）m預(yù)應(yīng)力混凝土懸澆連續(xù)梁+（28×40）mT梁+（45+65+45）m現(xiàn)澆連續(xù)箱梁+（5×30）mT梁。主橋采用掛籃分段懸臂澆筑施工，預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，橋面總寬24.5m，中間設(shè)置2×25cm的空隙，為分離式雙幅橋。

三、BIM正向設(shè)計(jì)方案

為使項(xiàng)目模型組織井然有序，應(yīng)預(yù)先歸類(lèi)構(gòu)件類(lèi)型并建立完整的模型樹(shù)形目錄結(jié)構(gòu)，具體如圖1所示。模型樹(shù)形結(jié)構(gòu)目錄為建立項(xiàng)目級(jí)參數(shù)化構(gòu)件庫(kù)提供了依據(jù)。

圖1 模型樹(shù)形結(jié)構(gòu)目錄

軟件平臺(tái)（Bentley Openroads Designer+sw Tools）探索出一套符合設(shè)計(jì)深度要求、提高設(shè)計(jì)效率、提升設(shè)計(jì)質(zhì)量的混凝土橋梁BIM正向設(shè)計(jì)方案。在此基礎(chǔ)上建立的BIM正向設(shè)計(jì)方案流程為：建立三維地形模型創(chuàng)建設(shè)計(jì)環(huán)境，確定橋墩平面位置、橋梁控制點(diǎn)高程等基本要素；開(kāi)展平縱橫設(shè)計(jì)、孔跨布置等總體設(shè)計(jì)，根據(jù)項(xiàng)目需求整理補(bǔ)全軟件的預(yù)制結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)參數(shù)化構(gòu)件庫(kù)，創(chuàng)建參數(shù)化構(gòu)件庫(kù)的關(guān)鍵是在構(gòu)件的不同位置，利用不同形式設(shè)置好不同的參數(shù)以便調(diào)整；開(kāi)展主橋上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成后開(kāi)展深化設(shè)計(jì)并逐步達(dá)到施工圖深度。

在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，還需滿(mǎn)足設(shè)計(jì)圖紙同步建立、實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)工程量、同步建立屬性信息及構(gòu)件編碼等相關(guān)要求。建立三維BIM模型可實(shí)現(xiàn)橋梁的全貌檢測(cè)，設(shè)計(jì)人員可直觀(guān)分析多項(xiàng)參數(shù)，并通過(guò)專(zhuān)業(yè)BIM設(shè)計(jì)，提高工程項(xiàng)目的精確度，提升完成設(shè)計(jì)項(xiàng)目的整體效率。

四、BIM正向設(shè)計(jì)過(guò)程

針對(duì)項(xiàng)目開(kāi)展橋梁專(zhuān)業(yè)接口要求的編寫(xiě)，根據(jù)地形圖、3D模型及測(cè)量數(shù)據(jù)編寫(xiě)總體設(shè)計(jì)方案，通過(guò)CDE協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)導(dǎo)入道路模型、橋梁模型及交通工程模型，最終經(jīng)過(guò)模型審核、BIM切圖標(biāo)注完成橋梁專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)成果。

（一）三維地形模型

鐘祥市地形情況較為復(fù)雜，因此設(shè)計(jì)過(guò)程中采用地形圖和縱橫地面線(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)作為依據(jù)。首先，通過(guò)過(guò)濾器過(guò)濾dwg格式地形圖當(dāng)中的有效地形信息，將高程點(diǎn)、等高線(xiàn)信息提??；其次，利用sw Tools工程測(cè)量工具的相關(guān)功能，將中線(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)及橫斷面測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為點(diǎn)云；最后，利用高程點(diǎn)、等高線(xiàn)和點(diǎn)云三者復(fù)合疊加建立三維地形模型。

（二）參數(shù)化構(gòu)件庫(kù)

根據(jù)BIM正向設(shè)計(jì)要求將構(gòu)件歸類(lèi)，同類(lèi)構(gòu)件建立統(tǒng)一的參數(shù)化模型，設(shè)定相應(yīng)可調(diào)參數(shù)（如梁高、墩高、樁長(zhǎng)等）并形成項(xiàng)目級(jí)參數(shù)化構(gòu)件庫(kù)。參數(shù)化構(gòu)件庫(kù)可在設(shè)計(jì)過(guò)程中直接調(diào)用，并通過(guò)軟件自動(dòng)控制部分參數(shù)的設(shè)定，利用該方式可大幅提升設(shè)計(jì)效率。引橋預(yù)制梁、全橋下部結(jié)構(gòu)及部分附屬結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)采用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。構(gòu)件參數(shù)以各部分常用名稱(chēng)的縮寫(xiě)來(lái)命名，并配合示意圖說(shuō)明。

以T梁為例，自變量為梁高，其余因變量隨梁高變化，為盡可能減少模型運(yùn)算步驟，將直線(xiàn)段和漸變段分開(kāi)建模，可先繪制T梁的截面二維圖形，定義好各個(gè)線(xiàn)段的尺寸及幾何關(guān)系后，通過(guò)拉伸得到立體的T梁結(jié)構(gòu).相同的建模方式構(gòu)建好其他部分后，通過(guò)三維約束將分解的部分組合在一起，可形成完整的T梁結(jié)構(gòu)。

（三）總體設(shè)計(jì)

基于已創(chuàng)建的三維地形模型，道路專(zhuān)業(yè)可根據(jù)項(xiàng)目要求快速開(kāi)展平縱設(shè)計(jì)，即sw Tools在ORD軟件基礎(chǔ)上加入了相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可依照規(guī)范實(shí)時(shí)檢查平縱線(xiàn)形，確保線(xiàn)形符合規(guī)范要求。在完成平縱設(shè)計(jì)后，利用sw Tools的橫斷面設(shè)計(jì)功能可分別設(shè)計(jì)路基段橫斷面和橋面鋪裝橫斷面，同時(shí)在橋前后一定樁號(hào)范圍布置路面結(jié)構(gòu)，完成橋面鋪裝布置。

另一方面，橋梁專(zhuān)業(yè)可通過(guò)參考方式獲取道路專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)成果，并利用先前建立的參數(shù)化模型開(kāi)展橋跨布置總體設(shè)計(jì)。具體步驟為：首先，依照實(shí)際需要調(diào)整下部結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)；然后，根據(jù)設(shè)計(jì)需要模塊化組裝墩身、承臺(tái)、樁基，輸入孔跨布置布墩，輸入梁高可自動(dòng)調(diào)整墩高，并放置于實(shí)際坐標(biāo)位置；最后，在每個(gè)獨(dú)立的橋墩結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，繼續(xù)開(kāi)展鋼筋設(shè)計(jì)。

（四）橋梁模型

1.現(xiàn)澆梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

因sw Tools軟件平臺(tái)支持計(jì)算分析——BIM一體化模型。在現(xiàn)澆梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可先在ORD中劃分截面設(shè)計(jì)和節(jié)點(diǎn)、單元，利用sw Tools可將繪制的截面導(dǎo)入MIDAS開(kāi)展結(jié)構(gòu)建模和分析計(jì)算，再利用MIDAS建模功能將橋梁模型一鍵導(dǎo)入ORD。此過(guò)程可實(shí)現(xiàn)在任意平縱曲線(xiàn)組合下放置，完美實(shí)現(xiàn)符合工程實(shí)際的真三維結(jié)構(gòu)模型和預(yù)應(yīng)力模型，可直接用于施工定位和放樣。同時(shí)，模型中包含了所有材料信息和計(jì)算信息，形成了完整的信息模型，保證了與計(jì)算數(shù)據(jù)的一致性。此建模過(guò)程不僅通過(guò)軟件的聯(lián)動(dòng)性提高了生產(chǎn)效率，而且可確保計(jì)算分析過(guò)程準(zhǔn)確無(wú)誤，即保證每一次的結(jié)構(gòu)更改必須有計(jì)算分析過(guò)程作為依據(jù)，此過(guò)程從流程上規(guī)范了設(shè)計(jì)過(guò)程，從根本上提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。此外，在生成帶有平縱的結(jié)構(gòu)模型的同時(shí)，軟件還生成了不計(jì)平曲線(xiàn)和不計(jì)豎曲線(xiàn)的兩種結(jié)構(gòu)模型，可分別用于繪制橋型圖和普通鋼筋設(shè)計(jì)。

2.預(yù)制梁布置

預(yù)制梁布置可基于軟件自帶的參數(shù)化庫(kù)和補(bǔ)充的項(xiàng)目級(jí)參數(shù)化庫(kù)，同時(shí)利用sw Tools裝配式梁功能進(jìn)行布置。具體流程為：根據(jù)設(shè)計(jì)要求輸入布梁參數(shù)，軟件自動(dòng)適配最合適的梁片，并在曲線(xiàn)、變寬等位置自動(dòng)調(diào)整預(yù)制梁長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)完全通過(guò)參數(shù)控制的全自動(dòng)預(yù)制梁裝配；在布梁的同時(shí)，sw Tools根據(jù)每片梁的具體位置和支座選擇情況，布置支座墊石；在布置預(yù)制梁時(shí)，sw Tools軟件同步生成排梁圖和排梁表并直接出圖。

在傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)中，由于技術(shù)限制無(wú)法校準(zhǔn)放置支座墊石的坐標(biāo)及高程的問(wèn)題，BIM正向設(shè)計(jì)解決了這一難題，即生成的墊石模型可與對(duì)應(yīng)橋墩合并形成完整的橋墩結(jié)構(gòu)模型。最終預(yù)制梁數(shù)量表示例如表1所示。

表1 預(yù)制梁數(shù)量表

3.鋼筋深化設(shè)計(jì)

在參數(shù)化結(jié)構(gòu)模型和計(jì)算數(shù)據(jù)生成的結(jié)構(gòu)模型中，可直接使用sw Tools普通鋼筋工具實(shí)施結(jié)構(gòu)配筋。以主橋零號(hào)塊為例，主筋利用縱向鋼筋功能，在截面中定位主筋點(diǎn)位、間距等信息即可完成布筋，而構(gòu)造鋼筋既可根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造使用面約束、面投影工具布置，也可根據(jù)已布置的主筋使用箍筋工具布置。布筋完成后，使用自動(dòng)編號(hào)功能實(shí)現(xiàn)鋼筋自動(dòng)編號(hào)、分組。自動(dòng)編號(hào)功能同時(shí)生成了現(xiàn)有模型的鋼筋大樣及數(shù)量表，在成圖工作中可以直接利用。

4.附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橋梁附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用三維線(xiàn)形功能布置防撞護(hù)欄、伸縮縫和參數(shù)化單元功能放置支座。三維線(xiàn)形是一種可顯示為實(shí)體樣式的線(xiàn)形，通過(guò)三維線(xiàn)形功能放置帶狀構(gòu)件，可以有效減小模型體量，且方便修改替換。支座參數(shù)化單元可以通過(guò)參數(shù)控制更改其尺寸，并通過(guò)通用屬性功能修改型號(hào)。放置時(shí)可自動(dòng)定位至墊石上方并與橋墩結(jié)構(gòu)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，同步更新支座位置。

五、工程量統(tǒng)計(jì)與模型編碼

模型在建立時(shí)均根據(jù)實(shí)際情況賦予工程屬性材料信息，形成了符合標(biāo)準(zhǔn)的編碼系統(tǒng)。編碼系統(tǒng)主要包含3個(gè)維度，即構(gòu)件編碼、材料編碼及位置編碼。構(gòu)件編碼與材料編碼軟件根據(jù)建模過(guò)程中添加的相關(guān)工程信息自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，構(gòu)件編碼功能根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際標(biāo)段劃分和施工過(guò)程需求對(duì)模型構(gòu)件編碼實(shí)現(xiàn)，位置編碼是在階段模型完成之后使用。

清單造價(jià)功能可實(shí)現(xiàn)在任意節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)工程量與實(shí)時(shí)造價(jià)，能夠?qū)崿F(xiàn)基于模型樹(shù)形結(jié)構(gòu)的任意節(jié)點(diǎn)或按照里程樁號(hào)范圍統(tǒng)計(jì)各類(lèi)工程量或直接生成清單造價(jià)表單。清單單價(jià)可以根據(jù)項(xiàng)目的不同階段賦予不同指標(biāo)，保證了項(xiàng)目中概預(yù)算統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確性。

六、圖紙生成

通過(guò)正向設(shè)計(jì)產(chǎn)生的BIM模型，可一鍵導(dǎo)入到專(zhuān)業(yè)級(jí)三維仿真平臺(tái)LumenRT中，平臺(tái)可加入各種模擬場(chǎng)景，如水、天氣、行人、車(chē)輛和綠化環(huán)境等，形成逼真的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。在該常經(jīng)理可以調(diào)整距離和角度，實(shí)現(xiàn)多維度觀(guān)測(cè)。

通過(guò)三維仿真，可任意角度查看橋梁構(gòu)件之間的關(guān)系，以及橋梁和周邊環(huán)境的關(guān)系，幫助展示成橋效果及檢驗(yàn)橋梁設(shè)計(jì)效果。

七、結(jié)語(yǔ)

BIM正向設(shè)計(jì)應(yīng)用，成功探索出了一套公路工程混凝土結(jié)構(gòu)橋梁BIM正向設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)到三維設(shè)計(jì)、二維出圖的跨越。通過(guò)三維設(shè)計(jì)提高了設(shè)計(jì)人員技術(shù)能力，提升了工程設(shè)計(jì)質(zhì)量。同時(shí)通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，有效利用新的軟件工具，保證了企業(yè)效益。通過(guò)該項(xiàng)目實(shí)踐，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)首次嘗試將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中紛繁復(fù)雜的出圖工作大量轉(zhuǎn)移到新的設(shè)計(jì)軟件中，并通過(guò)人為干預(yù)使其自動(dòng)完成，這一舉措也使得設(shè)計(jì)周期內(nèi)，設(shè)計(jì)人員有更多的時(shí)間專(zhuān)注于設(shè)計(jì)方案，且在日后項(xiàng)目施工過(guò)程中，設(shè)計(jì)變更、現(xiàn)場(chǎng)配合工作也將有效減少。