常泰長江大橋主塔沉井結構BIM正向設計應用

郭 衡,傅戰工,譚國宏,杜 勛,唐 超

(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司,武漢 430056)

引言

BIM技術進入中國工程行業已有十余年時間，近年來已成為整個土木工程領域發展的熱門。BIM技術在建筑設計行業應用發展極為迅猛[1]，無論是應用在復雜建筑結構中亦或是在整個建筑行業里。但是對于橋梁工程[2]，BIM技術的應用才剛剛走上探索的道路。BIM技術開始應用于橋梁建設方面，檢測鋼筋碰撞、三維可視化輔助施工、施工組織管理、鋼結構加工、三維算量等。而在橋梁設計方面，其應用僅是局限于標準梁型、標準墩臺結構設計，對于大型特殊結構橋梁設計還僅是處于后期翻模的技術階段[3]，使用BIM建模進行檢查糾錯、工程數量核算、指導施工。

對于大型復雜結構橋梁的BIM正向設計，潭江特大橋設計對鋼箱梁進行了正向設計參數化建模[4]，南京浦儀公路西段跨江大橋設計提出了“生長的模型”理念[5]，合川渠江景觀大橋、白沙長江大橋設計上提出的R+GH+ARQ協同設計理念[6-7]等。BIM正向設計的研究正處于剛剛起步階段，如何運用BIM自身參數化、三維可視、信息集成的優勢，高效的進行方案設計、模型建立、圖紙繪制還需進一步深入研究。

本文以常泰長江大橋主航道橋主塔沉井結構的設計為背景，進行BIM技術全過程正向設計的應用研究。設計重點研究了建立復雜鋼結構模型的思路、BIM模型出圖、BIM參數化設計以及實現正向設計的工作流程等方面問題。

1 工程概況

常泰長江大橋主航道橋方案采用雙塔公鐵兩用斜拉橋，主橋孔跨布置為142 m+490 m+1 176 m+490 m+142 m，全長2 440 m(圖1)。大橋采用雙層橋面，上層布置雙向6車道高速公路，下層為非對稱布置，下游側為雙向4車道一級公路，上游側為兩線城際鐵路[8]。主塔采用“鋼-混凝土”混合空間四肢塔結構，兩個主塔基礎采用沉井式基礎。為了減少沖刷深度，降低沉井自重，基礎采用了上部結構尺寸小，下部結構尺寸大的臺階型沉井基礎，截面為圓端形[9-10]。

圖1 常泰長江大橋立面布置(單位：m)

沉井總高72.0 m，其中混凝土承臺厚8.0 m，沉井鋼殼高64 m。沉井鋼殼豎向共分10個節段(圖2)，每個節段切分為若干個分塊，底節段共切分10種類型分塊，合計共46個塊段[11](圖3)。

圖 2 沉井鋼殼立面布置(單位：m)

圖3 沉井鋼殼底節段平面布置

2 建模思路

2.1 指導思路

常泰長江大橋主航道橋全橋均采用BIM正向設計，結合運用“自底向上”(bottom-up)和“自頂向下”(top-down)兩種BIM建模方法[12]，總結出一套適用于大型復雜結構橋梁的建模思路。

“自底向上”建模指首先進行基本構件設計，然后根據各個構件之間的位置關系組裝成基本結構，最后將多個基本結構組裝成總體結構?！白皂斚蛳隆苯Ｖ甘紫冗M行總體結構設計，然后將總體結構劃分為多個基本結構，再將基本結構劃分為多個基本構件并進行細化設計，最終回拼組裝出總體結構[13]。

2.2 總體建模思路

(1)建立沉井結構總體模型；

(2)將總體模型劃分成若干水平節段模型；

(3)將水平節段模型劃分成若干分塊，衍生出分塊進行構件細節設計；

(4)提取分塊實體模型的外立面作為參照面，建立沉井分塊模型的外側鋼面板；

(5)以參照面，繪制水平支撐型鋼中心線，繪制水平環板、水平節點板草圖；

(6)繪制豎向支撐型鋼中心線，繪制面板豎向加勁肋中心線，豎向節點板繪制草圖；

(7)以型鋼中心線為基線插入型鋼結構件，建立節點板，環板；

(8)完成支撐桁架建模，檢查結構碰撞，構件調整，完成沉井鋼殼模型建模。

整個沉井鋼殼的建模思路是“自底向上”和“自頂向下”方式的結合，如圖4所示。圖4中，步驟1～6是“自頂向下”的建模思路，在步驟7～8中則采用“自底向上”的建模思路。

圖4 沉井鋼殼總體建模思路

2.3 具體建模思路

(1)總體模型建立

以完工階段沉井結構為目標建立總體模型，即是考慮在鋼結構井壁內已全部填充混凝土，形成一個封閉的鋼混實體結構，見圖4步驟1所示。初擬模型幾何參數，將沉井平面尺寸、井孔尺寸、井壁壁厚、井壁倒角等重要驅動尺寸進行參數化定義?；谀Ｐ瓦M行沉井總體計算，在模型中快速提取結構數據用于計算。根據計算結果，確定結構尺寸，調整參數以驅動模型修改[14]。沉井總體模型為粗精度模型，模型主要為體現結構總體布置及尺寸情況，故不考慮榫頭、刃腳等復雜細部結構。

(2)節段、分塊模型劃分

將總體模型根據設計在豎向劃分成若干水平節段模型，如圖4步驟2所示。對榫頭、刃腳等節段進行細部構造建模，定義細部尺寸。以模型為依據，進行沉井節段浮運下沉計算，根據計算結果反饋修改構件細部尺寸。完成節段劃分后，在節段模型基礎上進行分塊模型劃分，得到沉井分塊模型，如圖4步驟3所示。將需要精細設計的分塊模型進行衍生操作，提取分塊。

(3)以分塊外立面進行支撐結構設計

對精細設計的分塊模型進行外立面提取作為鋼結構建模的參照面。由參照面建立分塊外側鋼面板、隔艙板等，如圖4步驟4所示，生成分塊板件模型。由參照面定位水平支撐型鋼所在平面，繪制水平型鋼中心線設計，同時繪制水平節點板及水平環板草圖，在水平環板上對外面板豎向加勁肋進行定位，如圖4步驟5所示。重復上述操作繪制豎向支撐型鋼中心線、豎向節點板草圖以及外面板豎向加勁肋中心線。根據沉井施工階段受力要求進行沉井支撐鋼結構計算，調整型鋼布置、確定型鋼規格及長度。

(4)插入型鋼構件

以上的建模流程都是按照“自頂向下”方式完成，如繼續按照此思路建模，應是對每一根型鋼進行獨立建模、端頭處理。但通常沉井內部的型鋼多為工廠定型產品，為便于工廠制造，設計中會盡量合并規格、長度相近的構件。重復對相同型鋼建模的思路勢必會極大降低建模效率。因此在桁架建模步驟中采用了自底向上的建模思路，先對所有需要使用的鋼構件進行單獨建模，形成一個標準型鋼構件庫[15]。在桁架建模過程中，從構件庫中挑選相應型號的型鋼，依據設計中心線組裝回結構模型之中，即完成型鋼構件插入，如圖4步驟6所示。為滿足型鋼構件焊接空間、構件碰撞情況，在構件庫中對標準型鋼構件統一進行端頭切角、拉伸等處理。

(5)完成桁架建模，檢查模型碰撞

進行節點板建立，通過陣列、鏡像命令完成所有鋼桁架結構建模，生成分塊桁架模型。最后與分塊板件模型組裝在一起得到完整鋼結構分塊模型。對模型進行碰撞檢查，調整問題構件，最終得到滿足設計要求的沉井鋼結構分塊三維模型。

3 BIM研究要點

3.1 BIM模型出圖

根據設計出圖標準，在BIM軟件中進行圖框的繪制及標注樣式的設置。將含有標注樣式信息的圖框作為繪制工程圖模板發放給設計人員，統一所有人員的圖面標注風格，達到出具統一風格工程圖的目的。

對于復雜的沉井結構，以往繪制的圖紙具有很強的專業性，對識圖人員的空間識別能力要求很高，對結構不甚了解的人員無法快速理解圖紙所表達的信息。項目結合BIM的三維可視性及出圖隨意剖切的功能[16]，總結出一套“自頂向下”的圖面擺放方式，能夠幫助非設計人員快速讀懂圖紙。

在圖紙總起頁分別放入沉井總體三維圖、節段圖、節段平面劃分圖，分塊的三維圖及分塊的立面圖、俯視圖。識圖人員通過總起頁可快速了解分塊所在位置及分塊的總體布置情況。在立面圖和俯視圖中分別標識出后面繪圖所有剖切面的位置，讓識圖人員能快速的理解結構剖切面的信息。在剖面圖的表達頁面輔佐局部復雜結構的三維視圖，以幫助識圖人員理解，如圖5所示。

圖5 沉井BIM出圖

3.2 參數化設計

合理應用BIM技術參數化的特點可大幅提升BIM設計效率。通過BIM軟件可實現建模參數與EXCEL文件交互的功能[17]，在建模初期，在EXCEL中定義所有模型的重要參數。開始建模所輸入的參數值并不代表最終設計參數值，在通過總體結構計算、沉井下沉計算后，對總體參數修改可直接驅動整體模型修改，并且聯動修改由總體模型衍生而成的節段、分塊模型及圖紙。同理，在通過細部結構計算、鋼結構計算之后，修改相關構件參數，驅動修改構件庫中的型鋼桿件，并在模型中自動更新桿件信息。

3.3 并行設計與協同工作

為提高設計效率、縮短設計周期，結合BIM參數化、信息集成的特點，本項目在設計過程采用設計計算、模型建立的并行設計方式。在進行沉井整體和局部計算的同時開展詳細的建模及出圖工作。在完成所有計算后，對定義的參數進行更新，驅動模型以及圖紙的同步更新，達到縮短設計周期的效果[18]。

在多人配合設計過程中，協同信息的傳遞及更新尤為重要[19]。由頂至底的信息傳遞以及底層設計信息的實時性直接關系到最終設計成果的精度情況。此次設計項目通過研究BIM軟件的模型衍生及修改聯動的特點，實現了設計人員協同工作?？傮w負責人進行整體模型建立、總體計算，模型節段及分塊的劃分，將需要詳細設計的分塊單元衍生成為下一級模型，分發給具體設計人員，同時將EXCEL參數表、型鋼構件庫進行分發。設計人員無法修改衍生的模型文件，只能在衍生模型上進行后續的詳細設計。此方式既保證了模型的正確性又保證了所有設計工作的一致性。同時，下級模型蘊含了分塊的位置信息，完成分塊詳細建模后可回拼到整體模型之中，最終可生成完整鋼結構沉井。在設計過程中，總體負責人修改整體模型、參數表及構件庫，下一級的衍生模型會自動進行更新，這樣就省去了設計人員統一配合修改，避免了信息傳遞不暢帶來的隱患，具體見圖6。

圖6 設計人員協同工作示意

3.4 工程數量表

BIM軟件中的BOM表功能可以快速統計所有構件的工程數量，但是BOM表的工作方式是基于機械行業來設計的，只能提供構件的凈體積或是凈重，也無法得到構件的尺寸信息，這種統計方式與橋梁鋼結構設計有很大不同[20]。所以在常泰長江大橋主塔沉井設計中，僅是填芯混凝土、承臺等混凝土結構采用了軟件統計的工程數量，而沉井鋼結構的工程數量表格還是人工計算統計，BIM軟件提供的凈重結果作校核之用。

4 結語

常泰長江大橋主塔沉井基礎設計采用BIM技術進行全程正向設計應用研究，研究取得了以下成果。

(1)提出了一種全新的“自頂向下”與“自底向上”相結合的BIM建模思路并應用于設計生產中，建模思路符合設計流程，總體驅動零部件，型鋼單獨設計用于桁架結構快速建模，可為后續BIM設計項目提供指導性的參考與借鑒。

(2)項目進行BIM出圖，采用統一標注樣式的工程圖模板進行繪制，滿足設計出圖標準；同時總結出一種“自頂向下”的圖面擺放方式，達到增強圖紙識圖性的目的，可在以后項目出圖中推廣使用。

(3)項目研究出一套高效的參數化設計流程，通過EXCEL輸入重要結構參數導入模型中，建立參數、模型、圖紙相互驅動的聯動機制，極大地提高了設計效率。

(4)在設計過程中，項目提出了計算與建模并行工作的設計方式，大幅度地縮短了設計周期；同時提出了設計人員協同設計的工作模式，優化了BIM信息傳遞及設計人員管理。

(5)未來在應用BIM技術統計工程數量上還需進一步深入研究，進一步拓展BIM橋梁構件庫以提高BIM設計的效率。