鋼桁架橋信息模型交付標準的研究

余文成, 劉 秀, 2, 劉均利, 薛飛宇, 歐陽平

(1.桂林理工大學 a.土木與建筑工程學院; b.廣西巖土力學與工程重點實驗室, 廣西 桂林 541004;2.中石化江漢石油工程設計有限公司, 武漢 430000; 3.招商局重慶交通科研設計院有限公司, 重慶 400067;4.廣西交通設計集團有限公司, 南寧 530029)

0 引 言

隨著軌道交通的發展, 鋼桁架橋應用逐步增多, 如重慶朝天門長江大橋、菜園壩長江大橋和曾家巖嘉陵江大橋等, 均是公軌兩用橋。公軌兩用鋼桁架橋占橋梁總量比重小, 但主要用于大型橋梁, 單橋造價往往極高, 并且施工工序多, 工藝較為復雜, 加工制造要求的精度較高, 設計施工階段出錯補救困難, 成本高昂。在鋼桁架橋梁的設計和施工中采用BIM技術, 不僅可以有效果圖的展示、報表的生成, 更重要的是為施工管理帶來了極大的便利, 實現不同專業之間的協同性, 降低設計誤差和施工事故的發生概率。

相關學者對BIM技術在鋼桁架橋上的應用進行了大量的研究。汪存書[1]以重慶朝天門大橋為工程背景, 對大跨徑鋼桁架拱橋上部結構關鍵的施工技術進行了研究, 通過建立臨時結構與主結構共同受力三維模型, 對施工全過程進行了模擬仿真分析, 確定了施工主要控制工況、各工況下主結構內力、控制節點位移等參數, 作為施工方案設計的主要依據。宋紅飛等[2]以重慶新白沙沱長江大橋鋼桁梁制造項目為依托, 通過BIM技術在鋼橋制造中的應用研究, 將BIM技術引入鋼橋制造領域中。袁帥等[3]將BIM技術成功應用到跨江鐵路特大橋施工中, 實現了安全、高質量、智能化的建造過程, 總結出基于BIM的鋼桁架橋組合式數字化拼裝技術，并從建造階段視角出發, 針對BIM應用在各階段分離、模型與數據分開的現象, 建立并指出BIM技術應用標準體系是解決問題的核心。朱奕蓓等[4]利用Autodesk Revit軟件平臺, 通過建立參數化橋墩、箱梁、鋼筋等族庫, 實現了族模型的自動修改, 并構建出鋼桁架加勁PC連續箱梁橋的模型。章偉等[5]運用BIM-3D技術對大跨度鋼結構進行虛擬仿真施工, 模擬施工工序, 快速完成了技術交底, 使現場作業人員充分了解施工方案, 對過程中反映出的問題及時調整, 提高了施工的安全性和可操作性。可見, BIM技術在鋼桁架橋梁上的應用較廣, 也取得了很好效益，但由于目前缺乏針對鋼桁架橋的統一信息模型交付標準, 阻礙了不同參建方之間的信息傳輸和共享。

本文以曾家巖嘉陵江大橋為工程背景, 通過研究國內外相關信息模型交付標準, 結合山地城市工程項目的特點, 并根據項目實際情況進行細化, 約定項目拆分原則、命名規則、模型要求、交付要求、交付物等交付內容, 提出了大跨度鋼桁架梁橋的交付標準。

1 工程背景及鋼桁架橋BIM模型建立

1.1 工程背景

重慶市曾家巖嘉陵江大橋為公軌兩用橋, 全長540 m, 主跨跨徑270 m, 主橋結構為剛性懸索加勁連續鋼桁架梁, 上下雙層布置, 上層為城市主干路雙向六車道, 下層為在建的軌道10號線, 橋梁總寬28.5 m。曾家巖大橋主橋工程概況示意圖如圖1所示[6]。

圖1 曾家巖大橋工程概況圖

1.2 鋼桁架BIM模型構建

模型的構建是建立在部件、構件對象基礎上, 因此在信息模型中, 構件的劃分是“獨立的、分離的、用戶需要跟蹤和報告的事物”[8]。項目模型的拆分是進行全專業構建的基礎, 對于大型橋梁工程項目應根據項目需求進行拆分, 以確保橋梁專業建筑信息模型能夠實現有效的管理, 并建立清晰的分類編碼。鋼桁架橋的特點主要有結構分類多、形式復雜、異形構件多、對力的分析要求高和施工工藝復雜等。在主橋橋梁信息模型的搭建過程中, 按照構件的結構功能和受力特點對其進行構件的劃分, 并充分考慮構件拆分的原則(如拆分的細度、構件的交叉重疊等)，這與BIM的建模原則一致。模型構件拆分后要對BIM模型的實體構件進行編碼, 編碼原則的依據要與國家建筑標準保持一致。同時借鑒《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》, 并充分參考橋梁工程定額體系、《橋梁工程量清單計價指南》《橋梁工程實體結構分解指南》等現行的規范和標準[9]。對于曾家巖大橋特殊實體構件拆分和編碼可進行擴充和編制, 并作相應的說明。

2 BIM模型交付標準的制定要點

2.1 基本要求和交付原則

2.1.1 基本要求 BIM技術在設計階段應用的最終目的是傳遞至下游用于工程施工和運營, 故將設計階段的信息交付至建設和運營階段至關重要。在本項目中, BIM模型的交付內容和標準將根據行業規范、重慶市地方標準、企業標準和后期管理需求進行規定, 確立一套具備可移植性的標準化交付體系。

在制定交付標準過程中應遵循的基本要求適應于本項目中所有的專業: 1)信息模型的建模坐標應與真實工程坐標一致, 宜采用原點(0, 0, 0)作為特征點, 并在信息模型使用周期內不得變動，對應的高程基準應分別采用1956年黃海高程系統和1985國家高程基準; 2)信息模型的建模精度應符合工程項目各階段的工作需求, 模型信息深度應滿足不同工程階段的使用目的; 3)當建模精度幾何尺寸與數據信息幾何尺寸不一致時, 應以模型信息數據作為優先采信的有效信息; 4)工程信息模型所描述的對象以及參數的命名在全生命周期內應保持一致。

2.1.2 交付原則 ①不同階段模型在數據傳遞過程中應保證完整性, 不應發生信息丟失或失真; ② 項目應采用統一的坐標系、原點、度量單位, 并遵守協同工作規則與協定; ③ 模型建模精度、信息粒度宜在滿足BIM應用需求的前提下, 采用較低的模型精度, 較高的信息粒度; ④ 共享模型文件命名應包含項目名稱、專業、模型階段、版本信息等。

2.2 交付內容

2.2.1 BIM模型包含的元素 參照《重慶市建設工程信息模型技術深度規定》[13], 并結合曾家巖大橋(剛性懸索加勁連續鋼桁架梁公軌兩用橋)的特點, 總結出鋼桁架梁橋交付內容, 主要有: 項目全壽命周期各階段(工可、方案比選, 初步設計, 施工圖設計, 施工階段, 運維階段)BIM模型包含的元素、設計階段附屬交付成果，施工階段附屬交付成果和運維階段附屬交付成果。曾家巖大橋設計階段BIM模型所包含的元素涉及到的專業有道路工程、橋梁工程、隧道工程等。以主橋模型鋼桁架梁橋為例, 通過對桁架橋梁信息模型進行分析, 可知鋼桁架梁橋涉及到構件分類明顯, 對應拆分包含的元素較多, 曾家巖大橋各階段的模型元素如表1所示。圖2是鋼桁架梁橋的信息模型。

表1 曾家巖大橋各階段的模型元素

圖2 曾家巖大橋模型

2.2.2 設計階段附屬交付成果 依據曾家巖大橋的應用特點和交付需求, 設計階段包含的附屬成果有碰撞檢測、工程量統計、工程視圖和虛擬仿真。表2為設計階段信息模型所包含的交付成果, 并且依據項目交付需求對交付成果的交付內容及對應的要求與目標都作出了相應的規定。

表2 設計階段附屬交付成果

2.2.3 施工階段附屬交付成果 在施工階段, 為確保能將BIM技術用于指導施工、降低施工階段的經濟成本和保障項目施工的質量, 對模型的精確度要求較高, 須對設計階段的模型進行深化設計, 并進行施工的模擬、質量校核等。表3是依據交付需求對施工階段附屬交付成果的總結, 包含深化設計、施工模擬、質量校核和竣工記錄。

表3 施工階段信息模型附屬交付成果

2.2.4 運維階段交付成果 運維階段即后期的運營管理階段, 是曾家巖大橋應用BIM技術的重點。將統一編碼的數字化信息模型導入到管理平臺并制作好數據的表格體系, 便于后期信息化的運營管理。運維應用階段包含的成果類型有管理平臺和數據表格體系。其中, 管理平臺要做到數字化的運營管理，并制定對應的管理方案; 工程中導出的各類工程數據表格要真實準確并設置嚴格的數字化管理體系。表4是運維應用階段信息模型常用的交付成果。

表4 運維階段信息模型的交付成果

2.3 交付深度

2.3.1 模型精細度 BIM模型交付深度的研究是基于信息模型精細度(level of details, LOD)。模型精細度是衡量模型包含的信息全面性、細致程度及準確性的指標。通常通過建模精度和信息深度進行評價[14]。模型精細度可以劃分為5個等級, 分別為LOD100、LOD200、LOD300、LOD400、LOD500, 主要應用對應的階段分別是工程可行性研究及方案設計階段、初步設計階段、施工圖設計階段、施工階段、運維階段。模型精細度各等級的劃分不對應于建設工程生命周期的各階段, 即不同的工程階段對模型構件的深度等級要求不是唯一固定的, 同一組件不同構件可能對應的模型精細度都不一樣, 要根據不同建設階段需要制定不同的模型精細度。

結合該工程背景特點, 并參照《重慶市建設工程信息模型技術深度規定》, 得出橋梁專業包含的信息模型建模精度等級, 并列舉出各構件各等級的具體內容, 具體總結如表5所示。

表5 橋梁工程信息模型精細度劃分

2.3.2 建模精度 建模精度是指在不同的模型精細度下, 建筑工程信息模型幾何信息的全面性、細致程度及確定性指標[15]。在BIM實際應用中, 首先要根據不同階段以及項目的具體目的確定LOD等級, 根據不同等級概括的模型精度要求確定建模精度。在曾家巖大橋項目設計階段, 根據相應模型精細度確定在設計階段鋼桁架橋的建模精度見表6。

表6 橋梁工程專業設計應用階段建模精度

2.3.3 信息深度 信息深度指在不同的模型精細度下, 建筑工程信息模型所容納的幾何信息和非幾何信息的單元大小和健全程度。曾家巖大橋信息模型的信息深度應符合表7規定。

表7 曾家巖大橋設計階段項目構件信息

3 結束語

通過研究國內外相關信息模型交付標準, 結合曾家巖大橋鋼桁架橋梁的特點, 建立了一套從設計端到施工端直到運維端的BIM成果交付標準, 完善重慶市地方標準《重慶市市政工程信息模型交付標準》, 為山地城市市政工程項目交付標準提供參照。后期根據企業自身的業務特點, 通過工程項目實踐, 不斷總結歸納經驗, 逐步改進并完善, 最終制定企業層級的信息模型交付標準, 使其成為企業層級BIM實施戰略的重要組成部分。