公路工程混凝土結構橋梁的BIM正向設計應用

梁曉林 南進江 李宇航

（1.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089；2.中交路橋建設有限公司，北京 100097；3.中國市政工程西北設計院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

一、引言

近年來，BIM技術正處于大力推廣應用的階段，在公路工程領域受到高度關注[1-3]。從建筑行業(yè)具體應用表現來看，BIM技術相較于傳統(tǒng)設計優(yōu)勢明顯，用戶運用三維模型直接設計，改善了傳統(tǒng)設計中圖紙和工程資料離散、二維圖紙表達抽象、設計過程中相關聯(lián)的工程內容不具備聯(lián)動性等局限性。BIM技術使得項目的設計進度、成本及范圍發(fā)生了改變，具有提升效率、數據重復利用、協(xié)調性強、設計成本低、設計質量高和出錯率低等特點，但當前未能在設計、管理和運營等過程中連續(xù)應用該技術，導致在項目實施過程中無法最大程度實現信息源共享。

另外，在實際應用中，多數項目為響應政策規(guī)定應用BIM的要求，僅做到了三維可視化程度，在設計階段往往采用“翻模”的方案，即先開展二維設計，再依據二維圖紙創(chuàng)建模型。此方式采用的是“逆向設計”，不僅工作量大、低效、不具備技術含量，而且模型與圖紙的一致性難以保證，這與使用BIM技術的初衷相悖且降低了公路工程項目中圖紙的精確度。因此，對于BIM技術在公路工程中正向設計方法的應用研究具有相當的必要性。

二、項目概況

湖南省省道482線鐘祥市豐樂漢江公路大橋，位于鐘祥市北部，路線起于胡集鎮(zhèn)陳營村，與既有省道482線胡集至轉斗段相接，自周營村東側轉向東南，在轉斗村南側布線，向東跨越漢江，新建漢江特大橋，繼續(xù)向東至終點豐樂鎮(zhèn)三灘村北，與既有省道482線豐樂至北新集段相接，并與省道218線相交。路線全長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預應力混凝土懸澆連續(xù)梁+（28×40）mT梁+（45+65+45）m現澆連續(xù)箱梁+（5×30）mT梁。主橋采用掛籃分段懸臂澆筑施工，預應力混凝土變截面連續(xù)箱梁，橋面總寬24.5m，中間設置2×25cm的空隙，為分離式雙幅橋。

三、BIM正向設計方案

為使項目模型組織井然有序，應預先歸類構件類型并建立完整的模型樹形目錄結構，具體如圖1所示。模型樹形結構目錄為建立項目級參數化構件庫提供了依據。

圖1 模型樹形結構目錄

軟件平臺（Bentley Openroads Designer+sw Tools）探索出一套符合設計深度要求、提高設計效率、提升設計質量的混凝土橋梁BIM正向設計方案。在此基礎上建立的BIM正向設計方案流程為：建立三維地形模型創(chuàng)建設計環(huán)境，確定橋墩平面位置、橋梁控制點高程等基本要素；開展平縱橫設計、孔跨布置等總體設計，根據項目需求整理補全軟件的預制結構、下部結構參數化構件庫，創(chuàng)建參數化構件庫的關鍵是在構件的不同位置，利用不同形式設置好不同的參數以便調整；開展主橋上部結構、下部結構和附屬結構設計，完成后開展深化設計并逐步達到施工圖深度。

在整個設計過程中，還需滿足設計圖紙同步建立、實時統(tǒng)計工程量、同步建立屬性信息及構件編碼等相關要求。建立三維BIM模型可實現橋梁的全貌檢測，設計人員可直觀分析多項參數，并通過專業(yè)BIM設計，提高工程項目的精確度，提升完成設計項目的整體效率。

四、BIM正向設計過程

針對項目開展橋梁專業(yè)接口要求的編寫，根據地形圖、3D模型及測量數據編寫總體設計方案，通過CDE協(xié)同設計平臺導入道路模型、橋梁模型及交通工程模型，最終經過模型審核、BIM切圖標注完成橋梁專業(yè)設計成果。

（一）三維地形模型

鐘祥市地形情況較為復雜，因此設計過程中采用地形圖和縱橫地面線測量數據作為依據。首先，通過過濾器過濾dwg格式地形圖當中的有效地形信息，將高程點、等高線信息提取；其次，利用sw Tools工程測量工具的相關功能，將中線測量數據及橫斷面測量數據轉換為點云；最后，利用高程點、等高線和點云三者復合疊加建立三維地形模型。

（二）參數化構件庫

根據BIM正向設計要求將構件歸類，同類構件建立統(tǒng)一的參數化模型，設定相應可調參數（如梁高、墩高、樁長等）并形成項目級參數化構件庫。參數化構件庫可在設計過程中直接調用，并通過軟件自動控制部分參數的設定，利用該方式可大幅提升設計效率。引橋預制梁、全橋下部結構及部分附屬結構等設計采用參數化設計方法。構件參數以各部分常用名稱的縮寫來命名，并配合示意圖說明。

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算步驟，將直線段和漸變段分開建模，可先繪制T梁的截面二維圖形，定義好各個線段的尺寸及幾何關系后，通過拉伸得到立體的T梁結構.相同的建模方式構建好其他部分后，通過三維約束將分解的部分組合在一起，可形成完整的T梁結構。

（三）總體設計

基于已創(chuàng)建的三維地形模型，道路專業(yè)可根據項目要求快速開展平縱設計，即sw Tools在ORD軟件基礎上加入了相關規(guī)范標準，在設計過程中，可依照規(guī)范實時檢查平縱線形，確保線形符合規(guī)范要求。在完成平縱設計后，利用sw Tools的橫斷面設計功能可分別設計路基段橫斷面和橋面鋪裝橫斷面，同時在橋前后一定樁號范圍布置路面結構，完成橋面鋪裝布置。

另一方面，橋梁專業(yè)可通過參考方式獲取道路專業(yè)設計成果，并利用先前建立的參數化模型開展橋跨布置總體設計。具體步驟為：首先，依照實際需要調整下部結構尺寸參數；然后，根據設計需要模塊化組裝墩身、承臺、樁基，輸入孔跨布置布墩，輸入梁高可自動調整墩高，并放置于實際坐標位置；最后，在每個獨立的橋墩結構模型的基礎上，繼續(xù)開展鋼筋設計。

（四）橋梁模型

1.現澆梁結構設計

因sw Tools軟件平臺支持計算分析——BIM一體化模型。在現澆梁結構設計中，可先在ORD中劃分截面設計和節(jié)點、單元，利用sw Tools可將繪制的截面導入MIDAS開展結構建模和分析計算，再利用MIDAS建模功能將橋梁模型一鍵導入ORD。此過程可實現在任意平縱曲線組合下放置，完美實現符合工程實際的真三維結構模型和預應力模型，可直接用于施工定位和放樣。同時，模型中包含了所有材料信息和計算信息，形成了完整的信息模型，保證了與計算數據的一致性。此建模過程不僅通過軟件的聯(lián)動性提高了生產效率，而且可確保計算分析過程準確無誤，即保證每一次的結構更改必須有計算分析過程作為依據，此過程從流程上規(guī)范了設計過程，從根本上提高了設計質量。此外，在生成帶有平縱的結構模型的同時，軟件還生成了不計平曲線和不計豎曲線的兩種結構模型，可分別用于繪制橋型圖和普通鋼筋設計。

2.預制梁布置

預制梁布置可基于軟件自帶的參數化庫和補充的項目級參數化庫，同時利用sw Tools裝配式梁功能進行布置。具體流程為：根據設計要求輸入布梁參數，軟件自動適配最合適的梁片，并在曲線、變寬等位置自動調整預制梁長度，實現完全通過參數控制的全自動預制梁裝配；在布梁的同時，sw Tools根據每片梁的具體位置和支座選擇情況，布置支座墊石；在布置預制梁時，sw Tools軟件同步生成排梁圖和排梁表并直接出圖。

在傳統(tǒng)二維設計中，由于技術限制無法校準放置支座墊石的坐標及高程的問題，BIM正向設計解決了這一難題，即生成的墊石模型可與對應橋墩合并形成完整的橋墩結構模型。最終預制梁數量表示例如表1所示。

表1 預制梁數量表

3.鋼筋深化設計

在參數化結構模型和計算數據生成的結構模型中，可直接使用sw Tools普通鋼筋工具實施結構配筋。以主橋零號塊為例，主筋利用縱向鋼筋功能，在截面中定位主筋點位、間距等信息即可完成布筋，而構造鋼筋既可根據結構構造使用面約束、面投影工具布置，也可根據已布置的主筋使用箍筋工具布置。布筋完成后，使用自動編號功能實現鋼筋自動編號、分組。自動編號功能同時生成了現有模型的鋼筋大樣及數量表，在成圖工作中可以直接利用。

4.附屬結構設計

橋梁附屬結構設計采用三維線形功能布置防撞護欄、伸縮縫和參數化單元功能放置支座。三維線形是一種可顯示為實體樣式的線形，通過三維線形功能放置帶狀構件，可以有效減小模型體量，且方便修改替換。支座參數化單元可以通過參數控制更改其尺寸，并通過通用屬性功能修改型號。放置時可自動定位至墊石上方并與橋墩結構產生關聯(lián)，同步更新支座位置。

五、工程量統(tǒng)計與模型編碼

模型在建立時均根據實際情況賦予工程屬性材料信息，形成了符合標準的編碼系統(tǒng)。編碼系統(tǒng)主要包含3個維度，即構件編碼、材料編碼及位置編碼。構件編碼與材料編碼軟件根據建模過程中添加的相關工程信息自動實現，構件編碼功能根據項目實際標段劃分和施工過程需求對模型構件編碼實現，位置編碼是在階段模型完成之后使用。

清單造價功能可實現在任意節(jié)點統(tǒng)計工程量與實時造價，能夠實現基于模型樹形結構的任意節(jié)點或按照里程樁號范圍統(tǒng)計各類工程量或直接生成清單造價表單。清單單價可以根據項目的不同階段賦予不同指標，保證了項目中概預算統(tǒng)計的準確性。

六、圖紙生成

通過正向設計產生的BIM模型，可一鍵導入到專業(yè)級三維仿真平臺LumenRT中，平臺可加入各種模擬場景，如水、天氣、行人、車輛和綠化環(huán)境等，形成逼真的虛擬現實場景。在該常經理可以調整距離和角度，實現多維度觀測。

通過三維仿真，可任意角度查看橋梁構件之間的關系，以及橋梁和周邊環(huán)境的關系，幫助展示成橋效果及檢驗橋梁設計效果。

七、結語

BIM正向設計應用，成功探索出了一套公路工程混凝土結構橋梁BIM正向設計方法，實現了從傳統(tǒng)二維設計到三維設計、二維出圖的跨越。通過三維設計提高了設計人員技術能力，提升了工程設計質量。同時通過優(yōu)化設計流程，有效利用新的軟件工具，保證了企業(yè)效益。通過該項目實踐，項目團隊首次嘗試將傳統(tǒng)設計中紛繁復雜的出圖工作大量轉移到新的設計軟件中，并通過人為干預使其自動完成，這一舉措也使得設計周期內，設計人員有更多的時間專注于設計方案，且在日后項目施工過程中，設計變更、現場配合工作也將有效減少。