橋梁工程BIM輔助設(shè)計(jì)應(yīng)用探析

代少凱 張 堅(jiān) 唐超龍

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽(yáng) 550000)

新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)(簡(jiǎn)稱新基建)，是智慧經(jīng)濟(jì)時(shí)代以新發(fā)展理念為引領(lǐng)，以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)，以信息網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，面向高質(zhì)量發(fā)展需要，提供數(shù)字轉(zhuǎn)型、智能升級(jí)、融合創(chuàng)新等服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施體系。新基建背景下交通建設(shè)數(shù)字化、智慧化的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)等成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

建筑信息模型(building information modeling,BIM)是在建設(shè)工程及設(shè)施全生命期內(nèi)，對(duì)其物理和功能特性進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，并依次設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)的過(guò)程和結(jié)果的總稱[1]，新基建背景下的交通建設(shè)數(shù)字化、智慧化是基于BIM的大數(shù)據(jù)應(yīng)用。傳統(tǒng)交通工程設(shè)計(jì)一般多為二維設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)到建造運(yùn)維為線性流程，若有設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)變更，因無(wú)法及時(shí)取得圖面數(shù)據(jù)，在后期執(zhí)行和管理過(guò)程中信息均有所缺失。BIM技術(shù)的引入在理想狀態(tài)下是提供一個(gè)三維可視化、動(dòng)態(tài)更新可協(xié)作的共享知識(shí)資源，現(xiàn)在BIM技術(shù)在交通工程行業(yè)的應(yīng)用方興未艾，受限于行業(yè)整體信息化應(yīng)用水平和具體三維設(shè)計(jì)軟件工具[2]，完全轉(zhuǎn)型為基于BIM技術(shù)的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)及進(jìn)行工程全生命周期順暢的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)應(yīng)用對(duì)行業(yè)具有很大的挑戰(zhàn)性。筆者團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多個(gè)項(xiàng)目探索，提出在不脫離傳統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)前提下的BIM輔助設(shè)計(jì)加“數(shù)據(jù)中臺(tái)”的落地應(yīng)用方法，下面通過(guò)具體橋梁設(shè)計(jì)案例介紹該方法的實(shí)際應(yīng)用和數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)應(yīng)用思路。

1 工程概況

某橋橋位橫跨典型的深“V”形峽谷，峽谷兩岸巖石建造類型以碳酸鹽巖硬質(zhì)巖為主，地形上為峰巒連綿起伏的山體，地勢(shì)險(xiǎn)峻。場(chǎng)區(qū)最高點(diǎn)位于河谷左岸山脊，最低點(diǎn)位于河谷谷底，相對(duì)高差達(dá)1 240 m，橋軸線距離地面高高差為1 241～1 715 m，相對(duì)高差474 m，橋面至河面高差320 m。其中一側(cè)橋軸線附近地勢(shì)總體為整單斜坡，植被不發(fā)育，基巖露頭良好，局部地段分布有崩坡堆積，自然坡度32°～55°，平均坡度40°，另外一側(cè)軸線附近地形極為陡峭，自然坡度70°～80°，平均坡度75°，地勢(shì)嚴(yán)峻給方案和施工圖設(shè)計(jì)增加了較大難度。

2 BIM技術(shù)輔助設(shè)計(jì)

在方案團(tuán)隊(duì)和施工圖設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行設(shè)計(jì)推進(jìn)的同時(shí)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在前期即詳細(xì)策劃了BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)流程中有針對(duì)性地進(jìn)行輔助協(xié)同設(shè)計(jì)，在發(fā)揮傳統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)的前提下更好地完成項(xiàng)目成果交付[3]。在設(shè)計(jì)階段主要策劃了勘察及方案輔助設(shè)計(jì)、三維節(jié)點(diǎn)方案評(píng)審、顏色方案比選、設(shè)計(jì)圖紙驗(yàn)證及三維施工圖交底四點(diǎn)價(jià)值應(yīng)用，輔助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)高效進(jìn)行重難點(diǎn)決策和高質(zhì)量交付。

2.1 勘察及方案輔助設(shè)計(jì)

首先，通過(guò)無(wú)人機(jī)完成大比例尺地形圖測(cè)繪，對(duì)岸坡進(jìn)行三維激光掃描，查明巖體結(jié)構(gòu)面的分布規(guī)律、密度、彼此交切情況及咬合狀態(tài)；然后采用WGMD-9高密度電法儀、EH-4(II)大地電磁儀、鉆孔電視設(shè)備和鉆孔聲波設(shè)備等設(shè)備進(jìn)行物探試驗(yàn)，對(duì)場(chǎng)地的穩(wěn)定性進(jìn)行綜合判斷。并根據(jù)一岸地形陡峻近似絕壁的實(shí)際情況，創(chuàng)新性地采用一岸無(wú)塔的懸索橋結(jié)構(gòu)。該項(xiàng)設(shè)計(jì)取消了一岸主塔及主纜邊跨，于山體中設(shè)置滾軸式組合索鞍，由滾軸式組合索鞍實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)索及散索，將主纜錨固于山體中。大幅度減少了該岸邊坡開(kāi)挖防護(hù)工程量，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。其BIM地形模型及橋型示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 BIM地形模型及橋型示意圖

2.2 三維節(jié)點(diǎn)方案評(píng)審

該橋隧道錨位置經(jīng)多次方案比選，最終確定設(shè)置于接線隧道下方，且將隧道錨錨室外偏2.263°，減小與接線隧道施工及運(yùn)營(yíng)期的干擾，隧道錨三維模型見(jiàn)圖2。由于地形陡峭，隧道錨無(wú)法按常規(guī)施工方案進(jìn)洞，經(jīng)設(shè)計(jì)人員結(jié)合BIM模型反復(fù)優(yōu)化，選擇采用200 m施工橫洞輔助隧道錨進(jìn)洞方案，這樣纜洞可由內(nèi)向外出洞，基本實(shí)現(xiàn)零仰坡，隧道錨進(jìn)洞三維方案模型見(jiàn)圖3。

圖2 隧道錨三維模型

圖3 隧道錨進(jìn)洞三維方案模型

團(tuán)隊(duì)根據(jù)以往隧道錨塞體會(huì)出現(xiàn)不同程度積水的情況，結(jié)合BIM模型將一側(cè)隧道錨通過(guò)加修排水隧道的方式進(jìn)行排水，排水隧道三維模型見(jiàn)圖4，對(duì)另一側(cè)隧道錨后錨室積水通過(guò)埋管引排至隧道排水系統(tǒng)后排出，隧道埋管引排三維模型見(jiàn)圖5。

圖4 排水隧道三維模型

圖5 隧道埋管引排三維模型

2.3 顏色方案比選

基于BIM模型輔助業(yè)主進(jìn)行該橋體著色的方案比選，輔助業(yè)主從10種顏色方案中快速?zèng)Q策，最終選定10號(hào)中國(guó)紅方案，橋體顏色方案比選設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖6。

圖6 橋體顏色方案比選設(shè)計(jì)圖

2.4 設(shè)計(jì)圖紙驗(yàn)證及三維施工圖交底

通過(guò)LOD3.0深度模型的建立，在公司QEO設(shè)計(jì)質(zhì)量控制流程的基礎(chǔ)上又增加了一道系統(tǒng)圖紙校審。在施工圖設(shè)計(jì)交底時(shí)，通過(guò)交通組織模擬，使參建各方以全局視角和人視角提前感受大橋建成后的行車狀態(tài)，不同視角交通組織模擬見(jiàn)圖7。

圖7 不同視角交通組織模擬

設(shè)計(jì)師運(yùn)用BIM輕量化模型向各參建單位闡述設(shè)計(jì)重難點(diǎn)，提高了溝通效率。

3 BIM技術(shù)拓展應(yīng)用

BIM技術(shù)的核心是數(shù)據(jù)協(xié)同共享集成應(yīng)用，二維傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的不足在于數(shù)據(jù)信息在各個(gè)階段是離散的。該項(xiàng)目BIM團(tuán)隊(duì)在完成輔助設(shè)計(jì)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了“數(shù)據(jù)中臺(tái)”的BIM數(shù)據(jù)集成應(yīng)用方法，即在常規(guī)設(shè)計(jì)流程中按照后期數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)需要統(tǒng)一組織模型構(gòu)件信息，如常用的工程量信息和施工時(shí)間參數(shù)信息等，通過(guò)構(gòu)件ID編碼映射的方式將屬性信息從三維設(shè)計(jì)的軟件工具中剝離，形成不依托單一BIM軟件工具的數(shù)據(jù)庫(kù)。由于現(xiàn)在過(guò)度依賴國(guó)外BIM產(chǎn)品工具，在國(guó)產(chǎn)BIM軟件工具沒(méi)有成熟的大背景下減輕對(duì)國(guó)外壟斷BIM產(chǎn)品的依賴具有重要意義。該項(xiàng)目在工程量提取和施工模擬參數(shù)掛接2個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)測(cè)試中取得了初步成果，基于“數(shù)據(jù)中臺(tái)”的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)流程見(jiàn)圖8。

圖8 基于“數(shù)據(jù)中臺(tái)”的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)流程

3.1 工程量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

通過(guò)在Excel表格和模型中預(yù)設(shè)協(xié)調(diào)一致的構(gòu)件編碼ID建立映射關(guān)系，工程量數(shù)據(jù)可以和Excel中數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)雙向互通。同時(shí)通過(guò)對(duì)每個(gè)模型構(gòu)件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)編碼，方便后期BIM信息化平臺(tái)落定后與平臺(tái)順利對(duì)接設(shè)計(jì)工程數(shù)據(jù)，模型中掛接構(gòu)件ID編碼見(jiàn)圖9。

圖9 模型中掛接構(gòu)件ID編碼

3.2 基于構(gòu)件的施工模擬

業(yè)主方和施工方基于標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)模型，通過(guò)各自預(yù)排布的時(shí)間進(jìn)度表單與BIM模型外部數(shù)據(jù)信息表ID編碼對(duì)應(yīng)，較快速地完成了在專業(yè)進(jìn)度模擬軟件中關(guān)于雙方形象進(jìn)度的對(duì)比，對(duì)施工組織合理安排和形象進(jìn)度的模擬展示具有很好的輔助作用，BIM施工模擬見(jiàn)圖10。

圖10 BIM施工模擬

3.3 BIM構(gòu)件庫(kù)及數(shù)據(jù)中臺(tái)庫(kù)

通過(guò)多個(gè)項(xiàng)目實(shí)踐的積累可逐步完善橋梁構(gòu)件庫(kù)和外部數(shù)據(jù)中臺(tái)庫(kù)。基于Revit的橋梁構(gòu)件庫(kù)見(jiàn)圖11，該功能顯著地提升了同類工程BIM輔助設(shè)計(jì)的效率和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化程度[4]。數(shù)據(jù)中臺(tái)庫(kù)同時(shí)作為數(shù)據(jù)備份為后期數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)做好了基礎(chǔ)，也為應(yīng)急情況下切換BIM應(yīng)用平臺(tái)提供了有力保障，基于Revit的橋梁構(gòu)件庫(kù)界面見(jiàn)圖12。

圖11 基于Revit的橋梁構(gòu)件庫(kù)

圖12 數(shù)據(jù)中臺(tái)屬性分類表界面(以樁基為例)

4 結(jié)語(yǔ)

在新基建政策推廣的背景下，交通工程的數(shù)字化應(yīng)用是大勢(shì)所趨，工程數(shù)字化應(yīng)用的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化。以工程現(xiàn)實(shí)問(wèn)題為導(dǎo)向，在發(fā)揮傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工具成熟應(yīng)用的的優(yōu)勢(shì)前提下兼顧BIM新技術(shù)的應(yīng)用，不失為現(xiàn)狀條件下BIM技術(shù)落地應(yīng)用較好的方法。BIM輔助設(shè)計(jì)的同時(shí)需要做好過(guò)程數(shù)據(jù)集成和解構(gòu)，通過(guò)獨(dú)立“數(shù)據(jù)中臺(tái)”的應(yīng)用積累逐漸形成企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫(kù)，以較小力量點(diǎn)燃不同業(yè)務(wù)板塊數(shù)據(jù)中臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化的“星星之火”，再解決不同業(yè)務(wù)板塊的數(shù)據(jù)聯(lián)通問(wèn)題，達(dá)到行業(yè)基于傳統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)穩(wěn)步推進(jìn)不斷改良，開(kāi)辟基于BIM數(shù)據(jù)應(yīng)用的目的。