基于公路工程信息模型的斜拉橋設(shè)計應(yīng)用

劉 智 郝 龍 陳宏俊 房延博

(中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司,西安 710065)

引言

公路工程信息模型(highway information modeling)是在公路工程全生命期內(nèi)，包含工程信息屬性的數(shù)字化模型載體[1,2]。目前，公路工程信息模型相關(guān)規(guī)范、標準及技術(shù)指南正在陸續(xù)發(fā)布，這些新技術(shù)標準在橋梁工程尤其是橋梁設(shè)計階段如何應(yīng)用來達到預(yù)期目標，具體實施路徑、方法尚不統(tǒng)一，值得在實際項目中探索和總結(jié)經(jīng)驗。斜拉橋橋型方案在工程中應(yīng)用越來越廣[3]，這種橋型所在路線的平縱線形相對簡單，等寬而且墩臺一般都是正布，三維幾何建模及工程數(shù)量統(tǒng)計難度適中，選擇斜拉橋橋型作為公路工程信息模型設(shè)計示范應(yīng)用有一定代表性。筆者以呼和浩特市大黑河橋為背景工程初步探索了基于公路工程信息模型相關(guān)標準在斜拉橋設(shè)計過程中的應(yīng)用路徑，從“斜拉橋信息模型”定義、優(yōu)化設(shè)計流程、按標準建模、輸出施工圖及建模分析軟件選用幾個方面給出了具體實現(xiàn)的方法。

1 項目簡介

大黑河斜拉橋是內(nèi)蒙古和林格爾新區(qū)金盛快速路工程重點控制性工程，主橋采用2x135m跨徑組合的拱塔單塔雙索面斜拉橋方案，索塔為雙橢圓形異形四拱圈型索塔，塔高86m。拉索采用雙索面扇形布置，上部主梁采用鋼混組合梁，梁高3.184m(主梁中心線處)，其中邊主梁中心線處梁高3.0m，橋梁全寬29m。拉索采用平行鋼絲束，斜拉索梁上采用錨拉板錨固，群樁基礎(chǔ)，樁基為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

圖1 全橋效果圖

2 技術(shù)路徑

公路工程用斜拉橋設(shè)計一般分兩階段即初步設(shè)計和施工圖設(shè)計，本文探討的是大黑河橋施工圖設(shè)計階段的應(yīng)用。傳統(tǒng)斜拉橋施工圖設(shè)計中主要工作內(nèi)容包括構(gòu)件尺寸擬定、結(jié)構(gòu)計算分析、編制設(shè)計文件(施工圖及計算書)，設(shè)計過程中不斷優(yōu)化本質(zhì)上是上述工作的重復(fù)。施工圖設(shè)計工作效率高低量化指標一個是設(shè)計周期長短，另一個就是這種反復(fù)的次數(shù)。采用目前成熟的設(shè)計軟件工具已經(jīng)很難大幅提高設(shè)計效率。嘗試新技術(shù)應(yīng)用、優(yōu)化設(shè)計流程、對應(yīng)研發(fā)新軟件工具對設(shè)計工作效率進一步提升有積極意義。

隨著公路工程信息模型為核心的BIM技術(shù)近年來在交通行業(yè)的應(yīng)用日漸增多，BIM技術(shù)在斜拉橋設(shè)計中也已有實際工程應(yīng)用[5-6]。從應(yīng)用結(jié)論描述可發(fā)現(xiàn)采用BIM技術(shù)對斜拉橋設(shè)計效率和質(zhì)量有提升，但分析這些項目具體應(yīng)用路徑不難發(fā)現(xiàn)，基本上都是參照建筑信息模型相關(guān)標準，使用Revit、達索等軟件系統(tǒng)完成。無論標準還是專業(yè)軟件對公路工程項目中斜拉橋特點和針對性仍有提升空間。所以上述應(yīng)用路徑對本項目并不完全適用。

大黑河斜拉橋施工圖設(shè)計時，恰逢行業(yè)標準《公路工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標準》、《公路工程信息模型設(shè)計應(yīng)用標準》處于征求意見稿階段。研讀了上述兩部標準后，結(jié)合相關(guān)城市橋梁出版物《市政道路橋梁工程BIM技術(shù)》，筆者制定了符合大黑河橋特點的設(shè)計應(yīng)用路徑。概況描述整個路徑即：以“公路工程信息模型”相關(guān)標準為參考，確立“斜拉橋信息模型”在設(shè)計中的核心地位，優(yōu)化傳統(tǒng)設(shè)計流程，編程實現(xiàn)參數(shù)化建模，基于模型編制施工圖設(shè)計文件。技術(shù)路徑架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 大黑河橋技術(shù)路徑架構(gòu)圖

3 應(yīng)用要點

《公路工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標準》和《公路工程信息模型設(shè)計應(yīng)用標準》全程指導(dǎo)了大黑河橋設(shè)計，同時以這兩部標準為依據(jù)研發(fā)了參數(shù)化建模及模型信息分析軟件“BridgeBIM_CSB”系統(tǒng)來配合完成整個設(shè)計工作。

具體應(yīng)用要點列舉如下：

3.1 斜拉橋信息模型定義

基于標準結(jié)合本設(shè)計項目情況，確立大黑河“斜拉橋信息模型”(以下簡稱“模型”)在施工圖設(shè)計中具有核心地位。設(shè)計過程中創(chuàng)建、修改、完善“模型”是工作重點，施工圖設(shè)計文件編制嘗試基于“模型”完成。

圖3 《公路工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標準》

“模型”分三維幾何實體部分和實體上附加工程屬性信息兩部分工作，三維幾何實體部分采用編程實現(xiàn)參數(shù)化建模，工程屬性信息附加部分采用編程實現(xiàn)幾何、非幾何數(shù)據(jù)和“模型”單元的關(guān)聯(lián)。

空間結(jié)構(gòu)指由基本構(gòu)件有組織組合的一種構(gòu)造物的層次結(jié)構(gòu)分解，為構(gòu)造物提供必要的分解結(jié)構(gòu)。按照標準中數(shù)據(jù)存儲部分規(guī)定(2.05空間結(jié)構(gòu)、3.3模型體系、5.3.1鋼筋類、5.7.1“橋梁”實體在數(shù)據(jù)存儲中“IfcBridge”規(guī)定)，本橋梁的主要空間結(jié)構(gòu)單元命名原則和空間關(guān)系遵循圖4所示。

圖4 大黑河橋“斜拉橋信息模型”空間結(jié)構(gòu)分解示意圖

其中“IfcBridge”、“IfcBeam”、“IfcPile”、“IfcFooting”、“IfcColumn”、“IfcTendon”完全和標準定義同步，在研發(fā)的軟件系統(tǒng)中專業(yè)模塊劃分、數(shù)據(jù)庫表單名稱及C++類名稱定義中也保持對應(yīng)，確保了大黑河橋“斜拉橋信息模型”系統(tǒng)應(yīng)用的一致性。

3.2 優(yōu)化設(shè)計流程

參考《市政道路橋梁工程BIM技術(shù)》相關(guān)章節(jié)內(nèi)容制定了圍繞大黑河橋“斜拉橋信息模型”展開的施工圖設(shè)計流程如圖5所示。

圖5 全橋設(shè)計流程圖

整個流程在保持傳統(tǒng)設(shè)計習慣基礎(chǔ)上，嘗試融入大黑河橋“斜拉橋信息模型”的應(yīng)用，第一個環(huán)節(jié)整體規(guī)劃就是以“模型”定義為基礎(chǔ)； 第二環(huán)節(jié)“模型”建立投入了大量參數(shù)化建模人力和時間資源； 第三個環(huán)節(jié)“模型”組裝也是按照標準結(jié)合平縱橫設(shè)計數(shù)據(jù)完成； 第四個環(huán)節(jié)從“模型”導(dǎo)出到結(jié)構(gòu)分析軟件“Midas”和“Ansys”中進行全橋和局部構(gòu)件驗算提高了計算模型前處理效率； 第五個環(huán)節(jié)基于“模型”編制施工圖設(shè)計文件過程有別于傳統(tǒng)設(shè)計。在大黑河橋整個設(shè)計過程中，為尋求優(yōu)質(zhì)設(shè)計成果，上述流程中的環(huán)節(jié)也是需要循環(huán)往復(fù)的，但各環(huán)節(jié)間關(guān)聯(lián)一旦確立后，這種不斷優(yōu)化設(shè)計變更過程明顯更高效和便捷。“模型”具有構(gòu)件劃分清晰、可視化、數(shù)據(jù)一致性強等特點，采用以“模型”為核心的設(shè)計流程利于開展協(xié)同設(shè)計。

3.3 斜拉橋信息模型建模

《公路工程信息模型設(shè)計應(yīng)用標準》對建模規(guī)定的條款有“3.1.3設(shè)計期的公路工程信息模型在建立、應(yīng)用和交付中的坐標系統(tǒng)應(yīng)與項目地形圖坐標系統(tǒng)一致，使用樁號定位”、“3.2.2公路工程信息模型宜選擇參數(shù)化的建模方法，對無法參數(shù)化的可使用非參數(shù)化的建模方法”和“3.2.6模型中構(gòu)件插入的基準點宜是(0，0，0)點或者特征點”等。

大黑河橋“斜拉橋信息模型”三維幾何實體建模時綜合考慮并努力踐行了上述要求，對構(gòu)件分別進行了參數(shù)化建模，然后整體組裝得到全橋模型，確保三維坐標系統(tǒng)與項目地形圖坐標系統(tǒng)一致。實踐發(fā)現(xiàn)這些規(guī)定切實帶來了設(shè)計工作的便利。在設(shè)計前期可以按構(gòu)件分工協(xié)同設(shè)計； 中期設(shè)計優(yōu)化調(diào)整構(gòu)件后方便靈活替換； 在設(shè)計階段后期基于“模型”編制施工圖設(shè)計文件，坐標等幾何尺寸數(shù)據(jù)唯一可以直接從模型上采集，三視圖幾何投影關(guān)系固定，變更快捷而且圖紙再編輯工作量小。

全橋三維幾何設(shè)計模型坐標系保持和項目地形資料一致如圖6所示，幾何模型與地形、地質(zhì)資料疊加后在設(shè)計中利于可視化化溝通和校核。

圖6 全橋三維幾何設(shè)計模型和地形地質(zhì)資料疊加圖

標準中規(guī)定的“宜選擇參數(shù)化的建模方法”，筆者認為只是屬于技術(shù)路線約定，并沒有指定選用具體軟件產(chǎn)品。調(diào)研發(fā)現(xiàn)國內(nèi)目前專門針對公路斜拉橋開發(fā)的參數(shù)化建模軟件基本沒有，國外知名軟件廠商提供的解決方案如“Bentley”系列產(chǎn)品、“Autodesk”系列產(chǎn)品、“達索”系列產(chǎn)品均屬于相對通用的軟件，雖然各自底層平臺有參數(shù)化建模功能，但是針對公路斜拉橋應(yīng)用需要進行專業(yè)二次開發(fā)工作才能一定程度上滿足需要。

參考其它三維幾何實體參數(shù)化建模方法及研究成果[7，8]，聚焦參數(shù)化建模核心技術(shù)，同時兼顧主流平臺兼容性和可移植性，本項目中采用自主研發(fā)方法，其中構(gòu)件參數(shù)化建模部分，主要利用ObjectARX技術(shù)完成，測試環(huán)境為AutoCAD軟件。

3.4 斜拉橋信息模型使用

《公路工程信息模型設(shè)計應(yīng)用標準》對模型應(yīng)用的規(guī)定在第4章節(jié)，細分為“一般規(guī)定”、“應(yīng)用流程”和“基本應(yīng)用”三個部分。

其中“4.2.2選擇合適的模型深度等級，模型深度等級可參考但不局限于本標準第五章模型交付的規(guī)定”指明了實際項目應(yīng)用中靈活把握模型深度等級，筆者認為這里的靈活把握原則應(yīng)該是整體模型深度等級是底限，局部構(gòu)件根據(jù)設(shè)計需要可以加深模型深度后應(yīng)用。

圖8 索塔鋼箱節(jié)段CAD和CAE模型圖示

比如大黑河橋“斜拉橋信息模型”全橋基本深度等級雖然采用LOD3.0級，但是因為本橋自身的特殊性(主塔采用鋼箱截面且內(nèi)部包含橫隔板及加勁肋，主塔上設(shè)置鋼錨箱、上部主梁采用鋼混組合梁等)，局部構(gòu)件和屬性深度都是超過LOD3.0級的。比如主塔、上部鋼主梁、鋼錨箱、錨拉板構(gòu)件建模時均包含了細部橫隔板和加筋肋，深度級別基本上達到了LOD3.5甚至LOD4.0級。

圖7 施工圖設(shè)計圖紙節(jié)選

“4.3.5其它公路工程信息模型應(yīng)用：”中第一條就是“二維圖紙輸出和工程量統(tǒng)計復(fù)核。”這一條的具體應(yīng)用也是本項目的關(guān)鍵點，下面將以實踐過程中具體應(yīng)用列舉。

(1)大黑河橋“斜拉橋信息模型”三維幾何實體到二維三視圖應(yīng)用

無論從畫法幾何原理還是從《道路工程制圖標準》看，橋梁工程中三維幾何實體和施工圖設(shè)計文件中立面、平面、斷面二維三視圖之間其實并不矛盾，完全可以從三維幾何實體剖切后添加標注和各種材料數(shù)量表和附注得到二維設(shè)計圖紙。AutoCAD軟件“三維建模”工作空間下對三維實體的編輯功能也越來越完善，基本能滿足大部分設(shè)計需求。本項目大黑河橋“斜拉橋信息模型”三維幾何實體是利用“ObjectARX”技術(shù)在AutoCAD軟件中完成的精確建模，無論使用創(chuàng)建好的三維幾何實體得到可視化溝通用的三視圖中間成果，還是由三維幾何實體生成二維施工圖都是很容易實現(xiàn)的。另外，本次斜拉橋施工圖設(shè)計圖紙中，使用了大量三維“鳥瞰圖”也是在二維三視圖的基礎(chǔ)上增強了表達能力，提升了設(shè)計文件質(zhì)量。

(2)大黑河橋“斜拉橋信息模型”三維幾何實體到CAE結(jié)構(gòu)分析軟件模型應(yīng)用

“CAD幾何模型”和“CAE計算模型”信息共享是橋梁工程設(shè)計的痛點和難點。橋梁設(shè)計中結(jié)構(gòu)計算分析工作極其重要，計算分析的結(jié)果決定了主要構(gòu)件尺寸，對于結(jié)構(gòu)處于高次超靜定狀態(tài)的斜拉橋還常常是控制性的工作[9]。實現(xiàn)設(shè)計過程與計算過程的模型數(shù)據(jù)共享對提高設(shè)計效率有重要作用。

本斜拉橋主塔為雙橢圓形異形四拱圈鋼箱截面索塔，內(nèi)部設(shè)置橫隔板及加勁肋，塔上設(shè)置鋼錨箱，構(gòu)造復(fù)雜，需要做很多針對性的局部結(jié)構(gòu)分析計算。局部分析主要采用“Ansys”軟件完成，以往設(shè)計中通常做法是工程師利用“Ansys”軟件已有功能完成前處理建模然后進行計算分析。本項目中工程師在AutoCAD中建好鋼索塔三維幾何模型后，通過“Ansys”軟件“Geometry”導(dǎo)入功能快速創(chuàng)建計算模型，然后加載計算分析，這樣就簡化了前處理建模工作。

(3)大黑河橋“斜拉橋信息模型”三維幾何實體數(shù)據(jù)提取應(yīng)用

經(jīng)過計算優(yōu)化確定尺寸之后的設(shè)計“模型”，除了可以得到二維施工圖外，還有數(shù)據(jù)信息傳遞和共享這一重要應(yīng)用價值。僅聚焦于設(shè)計階段，“模型”的三維幾何實體由于是基于項目坐標系的精確建模成果，可以直接提取到很多有價值的數(shù)據(jù)用來編制施工圖設(shè)計文件。比如可以直接從基樁實體獲取基樁坐標值； 可以直接從主塔幾何實體獲取到每個節(jié)段的軸線坐標、材料及數(shù)量，甚至每個節(jié)段的每個隔板、加筋肋的定位坐標； 還有單側(cè)索面9根拉索兩側(cè)鋼錨梁和錨拉板構(gòu)件也很有代表性，每個構(gòu)件構(gòu)造相同，幾何位置夾角造成了每個構(gòu)件大樣參數(shù)及材料數(shù)量不同，直接基于設(shè)計“模型”的三維幾何實體提取數(shù)據(jù)計算生成參數(shù)表和材料數(shù)量表高效而準確。

施工圖設(shè)計文件中沒有體現(xiàn)的數(shù)據(jù)，后續(xù)還可以持續(xù)挖掘使用。比如設(shè)計代表可以基于設(shè)計“模型”為施工階段提供施工監(jiān)控校核用高程、坐標等現(xiàn)場技術(shù)服務(wù)，在運營階段持續(xù)提供健康監(jiān)測、加固維護等應(yīng)用。

3.5 自主研發(fā)軟件系統(tǒng)

目前橋梁工程BIM應(yīng)用大多依賴Revit、Catia、Bentley、Tekla等軟件產(chǎn)品完成[10]，這些國外軟件還沒有按照中國“公路工程信息模型”相關(guān)標準來深入定制開發(fā)符合中國公路橋梁工程特點的產(chǎn)品，應(yīng)用深度還受限于這些軟件的價格及必須聯(lián)網(wǎng)等功能。面對本項目橋梁設(shè)計方案就屬于創(chuàng)新的應(yīng)用需求，期待尋找到即滿足標準又成熟的軟件產(chǎn)品難度太大。

項目實施中同步自主研發(fā)了“BridgeBIM_CSB”系統(tǒng)輔助全橋施工圖設(shè)計，系統(tǒng)以“Visual Studio 2015”為開發(fā)工具，以C++為主要開發(fā)語言，程序運行速度快效率高。當前版本主要定制開發(fā)了參數(shù)化建模及模型信息分析兩個關(guān)鍵模塊。另外還嘗試探索了其它BIM主流設(shè)計軟件Bentley的OpenRoads Designer間接口的開發(fā)。實踐表明，自研系統(tǒng)及時解決了施工圖設(shè)計中問題，起到了輔助設(shè)計作用。程序主界面如圖9所示。

圖9 BridgeBIM_CSB程序主界面

系統(tǒng)分底層數(shù)據(jù)、核心建模及分析、可視化顯示三層架構(gòu)。研發(fā)采用數(shù)據(jù)文件結(jié)合SQL Server數(shù)據(jù)庫形式組織管理各種數(shù)據(jù)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖10所示。

圖10 BridgeBIM_CSB系統(tǒng)架構(gòu)圖

4 結(jié)論及展望

BIM技術(shù)在交通行業(yè)的工程應(yīng)用已經(jīng)是大勢所趨，“公路工程信息模型”系列標準值得相關(guān)工程技術(shù)人員關(guān)注和重視，深入學習相關(guān)條款規(guī)定并在工作中運用好需要共同實踐探索。本文嘗試探索了“公路工程信息模型”相關(guān)標準在斜拉橋設(shè)計中的應(yīng)用路徑及具體實施要點，為斜拉橋工程設(shè)計提供了一種新思路和經(jīng)驗供參考借鑒。

(1)“模型”的參數(shù)化建模及工程屬性數(shù)據(jù)分析可以采用自主研發(fā)方式完成，核心技術(shù)可控，以后持續(xù)開展相關(guān)工作可擴展應(yīng)用至其它類型的橋梁工程。

(2)“模型”可視化特點利于開展協(xié)同設(shè)計時團隊成員間溝通交流，后期可基于“模型”繼續(xù)開展“VR、AR”感知效果更好的技術(shù)交底等應(yīng)用。

(3)以“模型”為核心采用本文的設(shè)計流程可以有效的開展協(xié)同設(shè)計，保證施工圖設(shè)計質(zhì)量同時提高設(shè)計效率。

(4)在整個公路工程施工圖設(shè)計項目全部采用BIM技術(shù)應(yīng)用場景中，如何很好地融入本文探討的“斜拉橋信息模型”應(yīng)用成果需要繼續(xù)實踐探索。