BIM技術在橋梁抗震中的應用

莊欠國 濟南市市政工程設計研究院（集團）有限責任公司

1 前言

我國經濟已由高速增長階段轉向高質量發展階段，近幾十年來，橋梁數量和里程也得到快速的發展，在由交通大國轉變為交通強國的戰略下，推動橋梁的高質量發展是當前和今后一段時期的要求。對于橋梁抗震設計而言，由于社會的快速城市化發展，人口、建筑以及財富的高密度特征，需要切實解決好橋梁的抗災能力不足，減少橋梁對災患的暴露性和受災脆弱性，滿足人們對抗災能力的更高、更全面要求，提高對災患的預警、應災、災后復原、恢復和重建能力。

2 BIM技術概述

BIM技術及建筑信息模型，是20世紀70年代誕生于美國建筑業建筑施工管理理論和管理方法，其是將建筑設計、施工管理、項目協同、施工運營等諸多與建筑施工密切相關環節納入管理范疇內，將建筑視為一個完整的生命體，通過合理規劃、模型建構、協調運營的方式將建筑整體工程細化、量化，通過優化建筑施工的各個環節來推動建筑工程整體質量的提高。現代BIM技術是在原始BIM技術基礎之上結合了現代計算機技術、三維數字技術、多媒體建模技術基礎上發展而來的一種信息化、數字化、集成化的建筑信息模型系統。將其搭載在計算機設備之上，通過專業的軟件進行建筑信息數據編輯即可將建筑工程的數據信息轉化為可視化的2D或3D模型，從而幫助設計師或工程施工人員進行工程方案設計或施工管理。現代BIM技術將原有的需要實地考察的工作內容轉化為可視化的信息數據，從而能夠大大提高建筑工程作業的效率，因此在建筑業中廣泛使用。截至目前，在發達國家BIM技術已廣泛應用于市政工程、道路交通、房屋建筑、開山探礦等工程作業中，成為了現代建筑工程施工、規劃、設計、管理的首選技術手段。隨著我國的經濟發展、科技進步，BIM技術逐漸在我國建基建行業落地生花并取得了相應成效，在提高施工效率、完善工程質量管理中有著活躍表現。

3 BIM技術在橋梁抗震中的應用

3.1 承載能力抗震設計方法

這是我國規范現階段采用的設計方法。對于常遇地震，利用反應譜計算底部剪力，然后按一定規則分配至結構全高并與其他荷載組合，進行結構的強度設計，使結構各部分都具有足夠的承載能力，然后再進行變形驗算。承載能力設計方法的優點是易于使用，性能概念清楚，細部設計可靠，通過非線性靜力分析驗算，進一步增強了對結構非線性反應的控制，可以更好地達到預期性能目標；缺點是該方法基于彈性反應，對于非彈性反應僅用與結構類型有關的系數加以折減，表面上它控制整個性能目標，實際上卻只是保證了一種性能目標。

3.2 性能為核心的抗震設計

以性能為核心開展的抗震設計，屬于橋梁工程整體的抗震設計策略。抗震性能具體指橋梁工程結構在承受地震力時，地震力具有不規律性，橋梁工程結構的抗震性能具有預期對抗地震力的目標性能。應設計目標范圍，對受損情況予以控制，保障橋梁工程在地震完成時，其交通性、安全性能夠繼續保持。性能為核心的抗震設計的應用優勢在于：從宏觀視角保障抗震設計可行性，完成定性向量化目標的過渡，調整抗震設計的核心價值。由保障橋梁工程安全性，轉化為各類地震作用橋梁工程性能建設目標，以此借助多重設計視角、多層次抗震設計元素，最大限度地保障橋梁工程結構穩定，減少地震災害帶來的負面應用。橋梁工程結構性能的建設預期內容，具體表現如下：①針對地震危險因素采取科學定義確定方式。②針對橋梁工程結構在各類地震災害作用下有可能性形成損壞、性能降低等問題，確定橋梁工程結構建設形式，保障其震后使用的有序性。③抗震性能設計包括多種方法，具體表現為承載力確定、位移控制、能量設計等。

3.3 強化結構體系的橋梁抗震設計措施

橋梁的整體結構屬于比較復雜的構件體，由于地震災害對橋梁的各個結構比較容易造成不可避免地損害，如螺絲脫落的現象時有發生，尤其是橋梁的重要部位，若出現被損害或者螺絲脫落等其他的故障問題，將會使橋梁的安全性能以及穩固性能受到很大的影響。為使橋梁的各個構件提升其穩定性能，須優化設計方案，注重橋梁各個構件之間的連接設計，從其穩定性與抗震害的強度方面加以提升，以達到橋梁的每個部位結構間空間的合理性，促進了橋梁各個部位的連接性，突出了抗震設計效果的合理性。需注意橋梁各個構件的受壓程度以及抗震害的承受能力，因此，在實際的設計工作中，應減低抗震害風險、穩定橋梁構件的抗壓能力為設計目標，加強對橋梁結構的穩定性能。采用科學有效的措施，提高橋梁在面臨地震災害時的抵御能力，加強結構的剛度設計，可防止地震災害時出現變形的現象；提高橋梁結構的延性設計，可有效預防橋梁在地震災害中承受地震超強的沖擊力所帶來的損壞。同時還須注意加強采取有效的措施使結構的剛度、強度和延展性得以提升，不僅對橋梁起到了保護的作用，而且對預防破壞性的問題以及結構抗震性能的提升有較大幫助。

3.4 模型信息編碼

根據BIM模型數據編碼規則，將紅河大橋設計步驟分為3階段：項目工可階段、初步設計階段和施工圖設計階段。項目工可階段具體包括：①提供前期資料，明確工程工可階段范圍和內容；②進行橋梁方案設計，確定梁式大橋工可模型和設計信息；③進行方案可行性分析，通過工可模型確定最優方案；④將橋梁初步工可模型上傳到協同共享平臺，為其他專業進行工可階段模型設計提供協同參照。初步設計階段具體包括：①在工可設計成果的基礎上進一步加深方案模型，并簡述施工方案為施工圖設計做準備；②完善總體設計信息，包括跨徑、橋梁總長及橫斷面布置，確定橋面標高及坡度等總體初設信息；③完成橋梁初步設計內容后，提交橋梁專業負責人進行初設專業校審；④將橋梁初步的初設模型上傳到協同共享平臺以提供協同參照。施工圖階段是橋梁工程設計最后階段，具體包括：①在初步設計階段的橋梁模型基礎上加以具體和加深，深化主要構造和細部設計；②注明施工過程中的注意要點等信息，使得各種技術指標滿足規范要求；③完成施工圖設計后，將模型提交至橋梁專業負責人進行校審；④將模型上傳到協同共享平臺提供協同參照。

3.5 能量法

假設結構破壞的原因是地震輸入的總能量，地震對結構物及其內部設施的破壞是由其輸入的能量與結構物所消耗的能量共同決定的。能量設計法的優點在于能夠直接估計結構的潛在破壞程度，對結構的滯回特性以及結構的非線性要求概念清楚。另外，耗能元件的設置可以更好地控制損失。缺點在于應用方法不夠簡化，不確定因素較多。

3.6 橋梁的抗震設計分析

通過MADIS/CIVIL單獨建立橋墩、最大懸臂及成橋三個不同的施工階段分別進行反應譜分析，并同時進行RC抗震分析。單獨橋墩階段各內力均小于其他施工階段，最大懸臂階段橋墩底部單元彎矩最大。在進行塑性鉸抗剪驗算時，單墩模型墩頂首先出現塑性狀態。墩頂位移結果在各階段均能滿足規范要求。

3.7 數據傳輸處理更加高效

上文已經提到，傳統的有線傳輸和現場信息處理模式已經不適應于現今橋梁建設的發展。而現今隨著物聯網系統的來臨，將物聯網技術與橋梁構造相結合，設計一個橋梁智能健康監測系統成為可能。基于物聯網將各橋梁結構安全信息接入互聯網，實現集中管理，信息交換，進一步提高系統智能化水平，降低人工的強度與難度。利用傳感器感測所監測的橋梁的數據，通過無線傳輸建立與云數據之間的聯系，使傳感器能實時傳輸橋梁的相關參數的監測數據。同時云數據終端對數據進行分析處理后，通過實現車載、船載等客戶端與云數據處理中心終端的連接，讓駕駛員更加了解橋面的具體情況。

3.8 BIM在工程進度管理中的應用

在工程施工中，進度管理也是工程管理的重要內容，但是在實際的施工過程中會遇到各種各樣的問題，很難對施工進度進行精確控制管理。而進度管理不僅僅影響到工程施工，還會對工程成本產生影響，精確控制進度是每一個工程企業都應當重視的問題。BIM技術的仿真模擬不局限于工程自身，還可對人員配置、設備運用、環境影響等進行綜合模擬，工程管理者可在BIM中模擬施工的全過程，明確工程管理的各個細節，從而避免一些不必要的問題，最終有助于實現工程進度的精確管控。同時BIM技術獨到的動態模擬可以做到一邊施工一邊調整細節，尤其是BIM對時間維度的模擬可加入環境因素的測算，對于工程資源分配、工程人員配置、工程時間運用均有所幫助，有助于工程施工效率的提高。

4 結束語

（1）通過Prostructures支持導出Parasolid格式與ANSYS支持導入Parasolids格式，成功完成了三維模型和有限元模型的交互。（2）通過導出的ANSYS有限元模型和MADIS/CIVIL有限元模型進行模態分析對比結果表明，驗證了將BIM模型導入ANSYS中的可行性。（3）通過MADIS/CIVIL有限元模型進行三個不同施工階段的反應譜分析得出，如果在橋梁處于最大懸臂階段承受地震荷載后對橋墩影響最大，如在此階段發生地震，應及時對橋梁進行檢測以確保橋梁施工質量。（4）通過RC抗震設計結果，單墩存在最大墩頂位移，這是由于臥龍溝主墩墩高163m，在地震作用下產生鞭梢效應。（5）RC抗震設計結果表明，高墩結構在強烈地震作用下，大部分將進入彈塑性變形階段，而墩頂位移結果滿足規范要求，這說明在非線性狀態下，結構是否破壞將取決于塑性變形能力或耗散能量的能力，而不取決于強度，強度條件并不能恰當地評估結構的抗震能力。