超大跨度鋼桁架橋設(shè)計(jì)階段BIM技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

陳柳花

（上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司，上海市 200433）

0 引言

近年來(lái)，BI M軟件作為一個(gè)新興技術(shù)，常被應(yīng)用于隧道、綜合管廊、水力水電、房建等諸多領(lǐng)域。然而在橋梁領(lǐng)域，特別是大跨度鋼橋，由于BI M軟件中的橋梁模塊在國(guó)內(nèi)適用性不強(qiáng)以及設(shè)計(jì)過(guò)程中各專業(yè)人員存在協(xié)調(diào)困難等諸多原因，導(dǎo)致該軟件還無(wú)法針對(duì)鋼桁架橋開(kāi)展正向設(shè)計(jì)，因此，BI M軟件在大跨度鋼橋的設(shè)計(jì)上，其深度應(yīng)用較少，而現(xiàn)有的相關(guān)應(yīng)用基本上都是施工圖設(shè)計(jì)的翻模工作，有別于真正的BI M應(yīng)用。

本文將鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)應(yīng)用成熟的T E K L A軟件應(yīng)用于大跨度鋼桁架橋梁的設(shè)計(jì)階段。采用一個(gè)工程設(shè)計(jì)案例，介紹了T E K L A軟件在方案比選、參數(shù)化建模、構(gòu)件自動(dòng)算量、三維節(jié)點(diǎn)輔助自動(dòng)出圖等方面的應(yīng)用，為BI M技術(shù)應(yīng)用于鋼桁架橋梁設(shè)計(jì)提供一個(gè)參考。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

三官堂大橋位于浙江省寧波市，該大橋南起高新區(qū)江南路，北接鎮(zhèn)海中官西路，主橋全長(zhǎng)785m，采用變高度連續(xù)鋼桁架橋，跨徑布置為160m、465m和160m，標(biāo)準(zhǔn)寬度45.9m，見(jiàn)圖1。主橋設(shè)非機(jī)動(dòng)車(chē)道和人行道，主橋兩側(cè)通過(guò)引橋與地面道路連接，非機(jī)動(dòng)車(chē)及行人采用主墩兩側(cè)的橋頭堡與地面溝通。

圖1 160 m+465 m+160 m連續(xù)鋼桁架橋

三官堂大橋主橋上部結(jié)構(gòu)為三跨連續(xù)鋼桁梁，桁架采用變高桁，桁式采用“N”形桁橋，如圖2所示，主墩處橋面下設(shè)置V撐，橋面為正交異性板。全橋結(jié)構(gòu)用鋼量約為29 400 t。

圖2 橋梁結(jié)構(gòu)線形圖

1.2 項(xiàng)目應(yīng)用背景

受設(shè)計(jì)單位委托，本項(xiàng)目嘗試?yán)肂I M軟件進(jìn)行大跨度橋梁的設(shè)計(jì)應(yīng)用，以此來(lái)提高設(shè)計(jì)工程師畫(huà)圖和出圖效率，研究并探索BI M軟件在大跨度鋼橋上的設(shè)計(jì)應(yīng)用點(diǎn)。

2 BIM總體策劃

本項(xiàng)目由一名資深BI M工程師與設(shè)計(jì)單位進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，過(guò)程中，BI M工程師建立直觀的三維模型，與設(shè)計(jì)人員就方案進(jìn)行比選討論。方案確定后，進(jìn)行施工圖階段的BI M模型整合和深化，并交付給施工單位。

本項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)采用美國(guó)天寶公司的鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)軟件—T e k l a S t r u c t u re s進(jìn)行建模工作，該軟件具備混凝土深化、參數(shù)化截面型材、自動(dòng)算量、自動(dòng)出圖等功能。環(huán)境模型選用歐特克公司的I N FRA W O R K S軟件，該軟件主要用于前期規(guī)劃的模型建立，具有快速建模、環(huán)境逼真、自帶地理信息等優(yōu)點(diǎn)。模型瀏覽討論采用T e k l a自帶的免費(fèi)軟件—BI M si g h t，其具有輕量化、速度快、可制作小動(dòng)畫(huà)等特點(diǎn)。機(jī)具設(shè)備的建模采用S k e t ch U p軟件。通過(guò)這些BI M軟件的協(xié)同使用，可完成本項(xiàng)目模型的建立、展示和工藝模擬。

3 初步設(shè)計(jì)階段的BIM應(yīng)用

3.1 基于模型的橋梁方案比較

在初步設(shè)計(jì)階段，BI M軟件主要應(yīng)用于比選橋梁的橋型和線型。通過(guò)三維模型，可對(duì)橋梁采用三片主桁或兩片主桁進(jìn)行美學(xué)、工藝造型上的比選，見(jiàn)圖3。本項(xiàng)目最終確定采用三片主桁的橋梁方案。

圖3 不同橋梁結(jié)構(gòu)形式的比選

本項(xiàng)目橋梁的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式繁多且復(fù)雜，每個(gè)節(jié)段的線型、角度、長(zhǎng)度不一。BI M軟件的三維可視化功能有助于設(shè)計(jì)人員討論節(jié)點(diǎn)形式并確定最終方案。

3.2 合理施工方案的考察及施工空間邊界的確立

在設(shè)計(jì)的初期，對(duì)鋼桁架分塊吊裝的施工方案進(jìn)行初步的模擬，見(jiàn)圖4。該施工模擬可給出施工所需的臨時(shí)征地范圍，并提前了解施工場(chǎng)地的占用以及對(duì)現(xiàn)狀重要基礎(chǔ)設(shè)施的影響，見(jiàn)圖5。

3.3 專業(yè)之間重大空間干涉的查找

初定的主橋模型建立后，可查找該橋梁與周邊加油站、未來(lái)規(guī)劃軌道交通車(chē)站、現(xiàn)有地下管線之間存在的多專業(yè)重大位置干涉問(wèn)題，從而可提前在設(shè)計(jì)階段規(guī)避多專業(yè)干涉問(wèn)題，見(jiàn)圖6和圖7。

圖4 施工方案初步模擬

圖5 現(xiàn)狀碼頭與新建橋梁的位置關(guān)系模擬

圖6 主橋與加油站位置關(guān)系

圖7 引橋樁位與地下管線位置關(guān)系

3.4 主橋上部結(jié)構(gòu)初步復(fù)核圖紙工作量

初設(shè)階段的橋梁BI M模型建立后，可利用軟件自動(dòng)提取清單功能計(jì)算出用鋼量。T e k l a軟件的鋼材重量分為凈重和毛重，凈重為鋼結(jié)構(gòu)加工部件的實(shí)際重量，毛重為鋼結(jié)構(gòu)加工部件所需的材料總重量。本項(xiàng)目采用毛重計(jì)量，提前估算橋梁的用鋼量，合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

4 施工圖設(shè)計(jì)階段的BIM應(yīng)用

4.1 建立詳細(xì)的參數(shù)化BIM模型

利用BI M軟件對(duì)主橋的主桁、平聯(lián)及橫聯(lián)、橋面系、橋梁附屬（防撞護(hù)欄、橋面排水、橋面鋪裝、支座、人行欄桿等）、主墩基礎(chǔ)、邊墩蓋梁、立柱及基礎(chǔ)等進(jìn)行詳細(xì)地建模。模型數(shù)據(jù)包括鋼材截面參數(shù)、鋼材型號(hào)、構(gòu)件名稱、構(gòu)件重量和體積等。在建模的過(guò)程中就將其信息錄入，便于后續(xù)快速查看修改。模型中可體現(xiàn)加勁肋、橫隔板、過(guò)焊孔、人孔、封頭板、主墩鋼筋等細(xì)部構(gòu)造。模型深度達(dá)到類似房建專業(yè)《建筑工程設(shè)計(jì)信息模型交付標(biāo)準(zhǔn)》中L OD400建模精度要求，見(jiàn)圖8。

圖8 全橋精細(xì)化BIM模型

通過(guò)與負(fù)責(zé)主桁設(shè)計(jì)的工程師進(jìn)行討論，對(duì)相同形式、長(zhǎng)度不同、截面參數(shù)不同的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段上弦桿和下弦桿進(jìn)行參數(shù)化開(kāi)發(fā)。利用軟件的參數(shù)化組件功能，對(duì)弦桿的下頂板、腹板和加勁肋進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，使得截面尺寸數(shù)據(jù)之間形成聯(lián)動(dòng)，大大提高了建模效率，見(jiàn)圖9。同樣對(duì)相同形式、角度相同的標(biāo)準(zhǔn)化節(jié)點(diǎn)板進(jìn)行參數(shù)化開(kāi)發(fā)，使其角度和長(zhǎng)度可以隨數(shù)值不同而變化，見(jiàn)圖10。

圖9 參數(shù)化弦桿展示

4.2 全專業(yè)的模型干涉檢查

（1）橋梁結(jié)構(gòu)模型的干涉檢查。在橋梁深化建模過(guò)程中，共發(fā)現(xiàn)了近60處設(shè)計(jì)問(wèn)題，包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)專業(yè)之間尺寸未統(tǒng)一、圖紙與數(shù)量表數(shù)據(jù)不統(tǒng)一、材料表統(tǒng)計(jì)遺漏、標(biāo)注錯(cuò)誤、材料表中構(gòu)件尺寸有誤等各種小問(wèn)題，也存在圖紙上同個(gè)節(jié)點(diǎn)的剖、立面二維圖不一致的大問(wèn)題。通過(guò)及時(shí)與設(shè)計(jì)人員溝通后，這些問(wèn)題在正式出圖前都被解決，大大減少了圖紙校對(duì)工作，并提高了圖紙的質(zhì)量。

圖10 參數(shù)化節(jié)點(diǎn)展示

（2）不同專業(yè)之間的模型干涉檢查。橋面系上有多處附屬結(jié)構(gòu)，在二維平面圖上對(duì)路燈基座、防撞護(hù)欄基座、排水孔和人行欄桿立柱進(jìn)行初步排布，隨后利用BI M軟件對(duì)這幾個(gè)附屬結(jié)構(gòu)建立三維模型，該三維模型和橋梁結(jié)構(gòu)整合后發(fā)現(xiàn)有一處路燈和主桁斜腹桿有沖突（見(jiàn)圖11）。通過(guò)BI M軟件，可給出路燈最佳擺放位置并反饋給電氣工程師進(jìn)行圖紙修改。

圖11 路燈與主桁腹桿沖突布置

4.3 主橋上部結(jié)構(gòu)精細(xì)化算量

三官堂大橋的上部結(jié)構(gòu)為鋼桁架形式，基于詳細(xì)的橋梁結(jié)構(gòu)模型，利用T e k l a軟件自動(dòng)算量的功能，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu) V1、V2、V3、X7、X14、X8、X13、S11、X5等多個(gè)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的用鋼量進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，如截面尺寸、重量、材質(zhì)、數(shù)量等，并形成匯總表與圖紙工程量進(jìn)行比對(duì)復(fù)核，進(jìn)一步提高了圖紙工程量的精確度。將本項(xiàng)目最復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)V2進(jìn)行自動(dòng)算量與人工算量的數(shù)據(jù)比對(duì)，見(jiàn)圖12。該自動(dòng)算量數(shù)據(jù)可導(dǎo)出成e x c el格式，并交付于設(shè)計(jì)人員進(jìn)行校核。

圖12 軟件自動(dòng)算量和CAD圖紙算量比對(duì)（單位：kg）

從圖12可知，軟件自動(dòng)算量的數(shù)據(jù)為169 833.4k g，人工算量的數(shù)據(jù)為175 208.6 k g，兩者數(shù)據(jù)較接近。由于人工計(jì)算工程量時(shí)存在一定的人為誤差，而軟件計(jì)算的工程量是通過(guò)模型中的數(shù)據(jù)分析得到，數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確且精度也更高。因此只要BI M模型準(zhǔn)確，軟件可以計(jì)算更準(zhǔn)確的用鋼量，且計(jì)算效率更高。

4.4 三維節(jié)點(diǎn)輔助自動(dòng)出圖以及優(yōu)缺點(diǎn)

（1）自定義圖框

利用BI M軟件圖框編輯功能，可對(duì)出圖的圖框尺寸、平面圖和立面圖比例、平面圖和立面圖位置擺放、樣式、格式以及公司lo g o等進(jìn)行自定義，調(diào)整到和現(xiàn)有圖框一致時(shí)，可保存在軟件中等待自動(dòng)調(diào)用（見(jiàn)圖13）。

圖13 軟件自動(dòng)出圖和CAD出圖的樣式比對(duì)

（2）三維自動(dòng)出圖

軟件中編輯圖紙的界面和CA D界面相似，操作簡(jiǎn)單。利用軟件三維出圖功能，對(duì)S11、X14、X8、X5等復(fù)雜節(jié)點(diǎn)處的構(gòu)件進(jìn)行自動(dòng)出圖。調(diào)用前面定義好的圖框后，自動(dòng)顯示出節(jié)點(diǎn)的平面圖、立面圖、剖面圖、局部詳圖、構(gòu)件3D視圖，然后對(duì)標(biāo)注樣式、虛實(shí)線表達(dá)、箭頭符號(hào)和方向、線條顏色、標(biāo)注尺寸類型、文字樣式和大小、標(biāo)注尺寸單位、標(biāo)注線條的粗細(xì)、標(biāo)注文字?jǐn)[放位置、背景底色等進(jìn)行編輯，調(diào)整成現(xiàn)有的風(fēng)格。

（3）人工繪圖與軟件繪圖的比對(duì)

人工繪圖與軟件繪圖功能比對(duì)見(jiàn)表1。從表1可知，軟件自動(dòng)繪圖基本能實(shí)現(xiàn)人工繪圖中的功能，同時(shí)軟件繪圖能自動(dòng)出構(gòu)件三維視圖，整體上使人更能理解圖紙。

軟件可對(duì)橋梁復(fù)雜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行出圖，軟件的剖切立面功能可在平面和立面圖中任意位置剖切，剖切線可以隨時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)剖面圖和立面圖的聯(lián)動(dòng)。軟件可以自定義剖切范圍，只要模型詳細(xì)準(zhǔn)確，可以顯著減少出圖的工作量，且圖紙可清晰地展示橋梁復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部構(gòu)造。同樣道理，局部大樣圖可以實(shí)現(xiàn)平面圖和大樣圖的聯(lián)動(dòng)，節(jié)約出圖的時(shí)間。

圖紙完成后如有修改的部分，軟件的改圖可以產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)。例如，在平面圖上修改后，立面圖和剖面圖會(huì)自動(dòng)進(jìn)行修改，改圖更加方便和高效，且不易出錯(cuò)。

但是軟件自動(dòng)出圖后的標(biāo)注工作依然繁多，由于標(biāo)注樣式帶有強(qiáng)烈的個(gè)人風(fēng)格和習(xí)慣，具有隨機(jī)性，因此沒(méi)法直接在軟件中自動(dòng)標(biāo)注，標(biāo)注工作目前依然需要人工操作。

4.5 基于BIM模型的有限元性能分析

通過(guò)BI M軟件建立的橋梁三維模型，選取一個(gè)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)V腿的部分，將其通過(guò).o b g格式（見(jiàn)圖14）導(dǎo)入到ANSYS有限元分析軟件中，可得到一個(gè)無(wú)信息的三維幾何實(shí)體模型（見(jiàn)圖15）。隨后對(duì)該三維模型在有限元軟件中進(jìn)行截面信息添加、網(wǎng)格劃分、支座約束后，進(jìn)行力學(xué)分析。

5 BIM信息傳遞

在設(shè)計(jì)交底時(shí)，通過(guò)三官堂大橋模型的三維展示，可加強(qiáng)施工單位對(duì)設(shè)計(jì)圖紙的吸收和消化，同時(shí)也可將橋梁構(gòu)件屬性信息通過(guò)BI M模型傳遞給施工單位。

6 應(yīng)用總結(jié)

本文通過(guò)一個(gè)工程案例，系統(tǒng)地介紹了BI M技術(shù)在大跨度橋梁設(shè)計(jì)上的應(yīng)用及其存在的優(yōu)缺點(diǎn)：

圖14 obg格式模型

圖15 Ansys網(wǎng)格劃分后的模型

（1）BI M技術(shù)輔助設(shè)計(jì)可減少不同專業(yè)設(shè)計(jì)工程師之間的位置干涉，減少修改，節(jié)約了設(shè)計(jì)周期。三維模型可提高出圖的準(zhǔn)確性和質(zhì)量，顯著減少設(shè)計(jì)院的校對(duì)工作。

（2）完整準(zhǔn)確的BI M模型可自動(dòng)計(jì)算工程量，可用于校核人工計(jì)算的誤差。只是軟件的自動(dòng)算量功能未考慮鋼結(jié)構(gòu)加工廠所需構(gòu)件材料的完整性，不能作為鋼構(gòu)件生產(chǎn)的依據(jù)，但是可作為施工吊裝工藝的數(shù)據(jù)參考。

（3）初步探索了利用BI M模型直接生成平面圖的方法與關(guān)鍵點(diǎn)，只是由于圖紙中標(biāo)注樣式的特殊性，日后需要在這方面作進(jìn)一步的研究。

（4）BI M模型與力學(xué)分析軟件之間暫時(shí)只實(shí)現(xiàn)了模型導(dǎo)入功能，在力學(xué)分析軟件中利用BI M模型還需進(jìn)一步的研究。

（5）本項(xiàng)目由一名熟練BI M工程師配合完成設(shè)計(jì)階段多項(xiàng)BI M應(yīng)用。由此判斷，未來(lái)如果設(shè)計(jì)工程師直接建模并出圖的話，人員將大大節(jié)省且效率更高。

（6）在鋼橋這種特殊結(jié)構(gòu)中，可以實(shí)現(xiàn)很多BI M正向設(shè)計(jì)以及多維度的應(yīng)用，這得益于目前軟件本身的成熟度，也可看出BI M技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)上還存在很多潛力和價(jià)值。

表1 人工繪圖與軟件繪圖功能比對(duì)表