BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計中的應(yīng)用研究

張泉

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引言

1975年，喬治亞理工大學Chuck Eastman教授在其研究課題《Building Description System》中提出“acomputer-baseddescriptionofabuilding”理念，以期通過實現(xiàn)可視化和量化分析來提高工程建設(shè)中的工作效率。該理論即為BIM概念的理論雛形，Chuck Eastman教授也被大家稱為“BIM之父”[1]。

2002年，Autodesk公司發(fā)布《BIM白皮書》，以Revit為代表的一批應(yīng)用軟件發(fā)布，標志著BIM真正由理論落實到工程實踐當中。

1 BIM概述

建筑信息模型（Building Information Modeling），簡寫為BIM，指通過創(chuàng)建并利用具備全方位建設(shè)項目數(shù)字化信息的模型，對建設(shè)工程項目的設(shè)計、建造、運維及拆除的全生命周期進行優(yōu)化和管理的過程、方法和技術(shù)[2]。

利用數(shù)字化技術(shù)，建立虛擬的建筑三維模型，模型中包含完整的、與實際情況一致的建筑工程信息庫，包含幾何信息、專業(yè)屬性、狀態(tài)信息及非構(gòu)件對象（如空間、運動行為）的狀態(tài)信息等[3]。

BIM模型大大提高了建筑工程信息集成化程度，具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性的特點[6]。

2 BIM模型剖析

BIM模型的核心是“信息”，信息在計算機系統(tǒng)中以數(shù)據(jù)的形式存在。

BIM模型中的數(shù)據(jù)應(yīng)該是結(jié)構(gòu)化且動態(tài)的。結(jié)構(gòu)化是動態(tài)的基礎(chǔ)，只有實現(xiàn)數(shù)據(jù)間互聯(lián)互通，才能實現(xiàn)模型的動態(tài)調(diào)整，在局部調(diào)整后依然保證項目整體的完整且協(xié)調(diào)[4]。

BIM模型的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，二者構(gòu)成BIM模型的底層。數(shù)據(jù)由工程人員根據(jù)工程項目實際輸入，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要由BIM軟件確定。BIM模型的可視化、協(xié)同分析、輸出圖紙等功能均是在此基礎(chǔ)上的應(yīng)用，這些應(yīng)用構(gòu)成BIM模型的上層，其相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 BIM模型內(nèi)部關(guān)系

BIM模型中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下三個原則：

（1）數(shù)據(jù)間相互關(guān)聯(lián)

應(yīng)將有物理聯(lián)系的數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)，最大限度反映結(jié)構(gòu)各部分相互關(guān)系，當局部發(fā)生變化時，其余各部分能自動協(xié)同調(diào)整。例如，在橋梁結(jié)構(gòu)中，確定墩梁間隙為一定值，在其他條件不變的情況下單獨調(diào)整梁高時，墩柱高度能自動調(diào)整，整個結(jié)構(gòu)依然保持協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

（2）數(shù)據(jù)定義避免冗余

模型中的數(shù)據(jù)根據(jù)其產(chǎn)生方式不同分為兩類：定義數(shù)據(jù)和導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

定義數(shù)據(jù)，是由工程人員在模型中直接輸入的數(shù)據(jù)。

導(dǎo)出數(shù)據(jù)，是模型內(nèi)部根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的規(guī)則，由定義數(shù)據(jù)及其他導(dǎo)出數(shù)據(jù)可以得到的數(shù)據(jù)。導(dǎo)出數(shù)據(jù)由模型自動生成，不需要進行干預(yù)。

在模型中盡量少的設(shè)定定義數(shù)據(jù)，建立內(nèi)部邏輯聯(lián)系及計算規(guī)則生成導(dǎo)出數(shù)據(jù)，實現(xiàn)模型參數(shù)化。

（3）數(shù)據(jù)定義、導(dǎo)出能雙向進行

定義數(shù)據(jù)和導(dǎo)出數(shù)據(jù)是相對的，數(shù)據(jù)在互聯(lián)互通的情況下可以相互導(dǎo)出，提高了模型的靈活性。建模與修改更加方便快捷，提高易用性。

3 BIM技術(shù)在工程設(shè)計中的優(yōu)勢

BIM技術(shù)依托計算機領(lǐng)域成熟的軟硬件條件，大幅度提高工程領(lǐng)域信息集成化水平。利用BIM技術(shù)進行橋梁設(shè)計，優(yōu)勢體現(xiàn)在以下方面。

（1）方便各專業(yè)協(xié)調(diào)一致

各專業(yè)設(shè)計人員完成本專業(yè)設(shè)計工作，通過中心文件等方式進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)即時更新。

（2）實現(xiàn)并行設(shè)計

BIM模型中數(shù)據(jù)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化，整個模型由少量數(shù)據(jù)控制，橋梁設(shè)計可在缺少詳細信息的情況下建立較粗糙模型，待獲取詳細信息后進行少量更新即可完成設(shè)計。避免了傳統(tǒng)設(shè)計中各設(shè)計工作相互耦合。

（3）提高設(shè)計質(zhì)量

在BIM設(shè)計過程中，設(shè)計人員的所有工作都是在模型中完成，輸出的2D圖紙僅為BIM模型成果表達，且輸出過程由程序自動完成，沒有人工干預(yù)，減少低級錯誤。

在設(shè)計工作進行中，校審工作也可在模型中同步進行，校審人員在模型中直接標注校審意見，設(shè)計人員進行實時修改，避免同類錯誤反復(fù)出現(xiàn)。

設(shè)計工作完成后，對細部構(gòu)件校對校核可按類型進行，對同一類構(gòu)件僅需校核其中有代表性的一個成果，即可驗證其內(nèi)部邏輯關(guān)系的正確性[5]。

（4）減少設(shè)計過程中冗余浪費

BIM設(shè)計過程以模型為載體，可避免傳統(tǒng)設(shè)計以2D圖紙為載體帶來的頻繁改圖問題。在設(shè)計過程中，僅在設(shè)計節(jié)點自動出圖，設(shè)計過程中的變更、調(diào)整均在模型中進行，保持設(shè)計成果一致性，實時更新，避免改圖的勞動力浪費，也避免更新不及時而導(dǎo)致設(shè)計返工。節(jié)約人力，提高效率。

（5）方便設(shè)計成果歸檔及重用

通過對BIM模型存檔，可以完整地保留項目成果及過程信息。相比于傳統(tǒng)圖紙存檔的方式更加方便快捷，且保留更多信息，便于日后其他項目借鑒使用。

BIM模型中保留設(shè)計全部成果，通過調(diào)整關(guān)鍵參數(shù)可實現(xiàn)模型快速修改。BIM模型中的構(gòu)件均參數(shù)化，可以方便地使用在其他模型中。

通過重用模型和構(gòu)件，可以避免重復(fù)勞動，提高設(shè)計效率，當積累大量模型與構(gòu)件，可快速完成新模型創(chuàng)建，提高設(shè)計效率。既有構(gòu)件經(jīng)過項目檢驗，也避免出現(xiàn)錯誤，提高設(shè)計質(zhì)量。

4 BIM設(shè)計實現(xiàn)方法

目前比較成熟的BIM通用軟件有Revit、CIVIL3D、INFRAWORKS等，其中Revit支持各種自由形狀建模和參數(shù)化設(shè)計，利用樣版、族庫可方便快捷地進行標準設(shè)置和參數(shù)化設(shè)計。因此，選擇Revit作為BIM設(shè)計平臺[5]。

BIM建模主要有以下幾個步驟[6]：

（1）設(shè)定模型環(huán)境參數(shù)；

（2）輸入模型邊界條件；

（3）總體方案設(shè)計；

（4）引入族庫，并有針對性地開發(fā)新族；

（5）完成方案、細部設(shè)計；

（6）提取統(tǒng)計信息，輸出圖紙，獲取三維演示動畫等成果。

以上各步驟中，除施工圖紙外，其余過程可在Revit自帶功能中找到。目前Revit直接輸出的圖紙不能滿足國內(nèi)規(guī)范及行業(yè)要求，可以利用Python語言創(chuàng)建插件，使Revit與Autocad進行信息交互，在Autocad中完成二維圖紙輸出。

5 BIM建模并實現(xiàn)圖紙輸出

5.1 項目概況

本項目為香格里拉及周邊路網(wǎng)綜合整治工程，橋梁工程包括西塔高速主線橋梁拼寬和西塔高速昆侖路下匝道改建兩部分。

主線橋梁拼寬起點位于A/H匝道合流點，樁號K1+197.533，終點位于原昆侖路下匝道，樁號K1+499.133，拼寬長度約301.6m，拼寬寬度4~8.75m，如圖2所示。

圖2 主線橋梁總體布置圖（局部）（單位：m）

新建下匝道橋梁全長140m，寬度8.5m，斷面布置為0.5m（防撞護欄）+7.5m（車行道）+0.5m（防撞護欄）=8.5m，如圖3所示。

圖3 匝道橋梁總體布置圖（單位：m）

5.2 建模內(nèi)容

本項目涉及構(gòu)件類型眾多，若一一實現(xiàn)則耗費人力、時間。現(xiàn)以承臺樁基礎(chǔ)為例，說明Revit進行建模及圖紙輸出的過程。

項目中墩下承臺樁基礎(chǔ)有兩種規(guī)格，如圖4、圖5所示。

圖4 兩樁基礎(chǔ)構(gòu)造圖（單位：mm）

圖5 四樁基礎(chǔ)構(gòu)造圖（單位：mm）

分別創(chuàng)建樁柱、承臺構(gòu)件，并進行組合創(chuàng)建基礎(chǔ)構(gòu)件。在Revit模型中根據(jù)實際坐標方位布置基礎(chǔ)構(gòu)件，完成全橋建模，并進行后續(xù)出圖操作。

5.3 Revit建模過程

5.3.1 創(chuàng)建樁柱構(gòu)件族

構(gòu)件中包括樁柱的幾何信息及配筋信息。

幾何信息，包括：樁徑、樁長、樁頂標高及變截面信息。本項目中樁柱均為1.2m等截面鉆孔灌注樁，構(gòu)件信息中暫不包含變截面信息。

在構(gòu)件中，設(shè)置樁徑為族參數(shù)，其余樁長、樁頂標高為實例參數(shù)，族參數(shù)和實例參數(shù)的說明見Revit相關(guān)資料。

配筋信息，包括：主筋、箍筋、加強鋼筋的直徑、長度、規(guī)格及幾何形狀等，如圖6所示。

圖6 樁柱構(gòu)件及分解圖

5.3.2 創(chuàng)建承臺構(gòu)件族

承臺幾何信息包括長度、寬度和高度。

承臺配筋信息包括頂?shù)卓v橫向主筋、豎向鋼筋的直徑、長度、規(guī)格及幾何形狀等，如圖7、圖8所示。

圖7 承臺構(gòu)件外形及鋼筋布置

圖8 承臺分解圖創(chuàng)建基礎(chǔ)構(gòu)件族

基礎(chǔ)構(gòu)件由承臺和樁柱構(gòu)件組合而成，以承臺底面中心作為構(gòu)件基準點。

基礎(chǔ)構(gòu)件參數(shù)包括：承臺類型、樁柱類型、樁柱平面布置，構(gòu)件定位信息，如圖9所示。

圖9 典型基礎(chǔ)構(gòu)造及參數(shù)表

由于在基礎(chǔ)構(gòu)件族中將樁柱平面布置參數(shù)化，可以用一個構(gòu)件族表達兩樁、四樁構(gòu)件，減少構(gòu)件類型，提高信息集成化程度。

5.3.3 在Revit模型中布置基礎(chǔ)構(gòu)件

從以上建模過程可以看出，在BIM模型中，數(shù)據(jù)在不同層次（樁柱、承臺→基礎(chǔ)→全橋模型）中存儲。不同層次的數(shù)據(jù)通過相互引用以及參數(shù)賦值方式建立聯(lián)系，完成底層數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建模，如圖10所示。

圖10 全橋基礎(chǔ)模型

5.4 進行二次開發(fā)生成圖紙

二次開發(fā)分為兩部分。利用Python工具在Revit模型中搜集整理布置及構(gòu)件信息，通過pywin32模塊與系統(tǒng)COM+通信，可以將信息發(fā)送至acadapplication；acadapplication中可以調(diào)用Autocad所有繪圖命令，通過開發(fā)相應(yīng)腳本可方便快捷繪制出二維圖紙，如圖11所示。

圖11 典型構(gòu)造圖（單位：m）

5.4.1 在Revit中進行二次開發(fā)

在Revit中利用Python語言開發(fā)腳本，對模型中構(gòu)件信息進行匯總，根據(jù)各基礎(chǔ)相似程度分組，按既定格式詳細記錄各構(gòu)件關(guān)鍵參數(shù)，作為Autocad繪圖的原始數(shù)據(jù)。

5.4.2 在Autocad進行二次開發(fā)

Python利用pywin32模塊操作Autocad的VBA模塊。若當前系統(tǒng)中無正在運行的acadapplication實例，則創(chuàng)建新的acadapplication實例；若已存在acadapplication實例，則獲取其中一個實例的控制權(quán)。

在受控的acadapplication實例中新建文件對象。VBA模塊獲取前述數(shù)據(jù)，根據(jù)既定規(guī)則向文件中寫入圖形或圖形屬性對象，完成后保存文件，完成繪圖。

目前繪圖腳本可以自動完成絕大部分工作。由于繪圖腳本還不完善，仍有少許問題，例如圖塊重疊沖突、圖塊超出圖框范圍，尺寸標注線異常等問題。目前仍需人工修改，但與直接繪圖相比，花費時間很少。

相信隨著腳本的不斷完善，以上問題會逐步解決，最終可自動生成符合要求的圖紙文件。

5.4.3 對生成圖紙進行整理

以上出圖結(jié)果默認以dwg格式保存，在工作交接時還要用到PDF格式文件，可利用成熟第三方工具模塊自動生成。在生成PDF文件時，可加入水印、防偽暗記等信息，防止文件被篡改。

轉(zhuǎn)換PDF文件過程自動進行，防止人為不當操作，保證出圖成果格式統(tǒng)一，提高出圖質(zhì)量。

5.5 向Revit反饋出圖結(jié)果

由于輸出圖紙的操作通過二次開發(fā)進行，這個過程獨立于BIM模型，在模型中沒有相關(guān)信息，則BIM模型信息是不完整的。

為保證BIM模型完整性，需將出圖關(guān)鍵信息保存在BIM模型中，這個過程也是通過二次開發(fā)的方式記錄。

應(yīng)記錄信息包含以下方面。

（1）出圖階段：標明出圖發(fā)生于方案設(shè)計、初步設(shè)計或施工圖設(shè)計階段。

（2）出圖人的身份證明：可以是姓名、身份證號碼、員工編號等唯一確定出圖操作者身份的信息。

（3）出圖內(nèi)容：說明此次出圖操作輸出哪些內(nèi)容。

（4）電子圖紙信息：記錄圖紙電子文件（dxf、dwg、pdf等格式）的SHA1散列值，防止電子文件被篡改。

（5）圖紙的圖簽信息：如圖紙名稱、圖紙編號、版本號等。

（6）根據(jù)項目要求需記錄的其他信息。

通過信息記錄可以看出整個項目階段出圖過程的詳細信息。一方面，可以看出各個階段出圖頻次和出圖量，為今后項目進行人員安排提供參考和依據(jù)；另一方面，可以分析各部分圖紙修改頻次，對高頻次修改的圖紙進行分析，是外部條件變動頻繁，設(shè)計方案頻繁變更，還是構(gòu)件設(shè)計質(zhì)量不高或其他原因?qū)е碌男薷摹?/p>

如有多個項目全過程出圖的記錄，通過對出圖過程數(shù)據(jù)分析，找到設(shè)計過程中痛點，針對共性問題進行改進，為優(yōu)化設(shè)計流程，提高設(shè)計質(zhì)量和效率提供依據(jù)。

6 結(jié)論

隨著市場不斷增長和發(fā)展，給工程建設(shè)參與者提出的要求越來越高。BIM技術(shù)從提出到成熟，得到越來越多工程人員的認可。本文針對橋梁設(shè)計過程提出BIM設(shè)計的基本流程，針對輸出施工圖的問題提出二次開發(fā)的解決思路，并在香格里拉項目基礎(chǔ)設(shè)計中進行驗證。通過二次開發(fā)的方式輸出施工圖的方法行之有效，使得BIM技術(shù)可以在橋梁設(shè)計領(lǐng)域得到推廣和應(yīng)用，改進設(shè)計流程，提高設(shè)計效率。