BIM技術在鋼箱拱組合梁橋三角區鋼筋碰撞分析中的應用

李 建 朱飛飛

(華東交通大學土木建筑學院 江西南昌 330013)

1 引言

鋼箱拱組合梁橋結構造型復雜，結構行為與受力特點不易把握，尤其在三角區V腿交叉位置和梁拱結合部受力較為復雜[1－3]。因此，鋼箱拱組合梁橋三角區局部鋼筋布置困難，鋼筋之間容易發生碰撞、沖突。BIM精細化模型能夠精確建立鋼筋及預應力鋼束布置位置，并對鋼筋進行碰撞檢查，避免施工過程中發生位置沖突[4－9]。鑒于BIM技術在鋼筋碰撞檢查方面的優異作用，國內已有一些學者對該方向展開了研究。韋華威等[10]以西安火車站改擴建項目中梁柱節點為例，建立梁柱節點的BIM鋼筋模型，對BIM技術在梁柱節點配筋優化設計中的應用進行了研究。黃聚生[11]依托濟南繞城高速公路，利用BIM技術，檢查了梁體鋼筋、預埋件等構件的碰撞點。錢搏健[12]基于Revit二次開發，研究了橋梁工程中鋼筋的建模方法與應用。葉兆平等[13]在浙江建工嘉興港區濱海會展中心項目中應用了BIM技術進行鋼筋碰撞檢查，分析并總結了信息化技術在大型公建項目鋼筋集中加工中的應用前景。張鵬程[14]對常見鋼筋碰撞節點進行分類分析并提出建議措施，將其歸納為4類，同時提出基于BIM的鋼筋深化設計流程。孟卓[15]對鋼結構BIM模型與鋼筋BIM模型優化整合，通過模型模擬預判碰撞位置，對型鋼混凝土梁柱節點進行三維模型展示。結合節點部位的型鋼構造，優化排布節點部位梁、柱鋼筋的排布方式。目前，國內采用BIM技術在鋼筋布置方面的應用主要集中在房建領域，對于鋼箱拱組合梁橋三角區局部鋼筋碰撞分析的研究較少，本文依托實際工程項目—象山大橋，對鋼箱拱組合梁橋三角區局部鋼筋碰撞分析進行了研究，提出了一些優化碰撞分析操作的方法，避免了象山大橋三角區鋼筋施工時發生沖突，為以后類似工程項目提供了參考與借鑒。

2 工程概況及研究技術路線

2.1 工程概況

象山大橋位于江西省鷹潭市內，主橋上部結構為(80＋160＋80)m預應力混凝土梁拱組合橋，由主梁(變截面預應力混凝土連續梁)、拱肋結構(主拱上下弦、副拱)、吊桿及系桿組成。主梁橫截面采用單箱三室斜腹板截面，頂板寬26.5 m，頂面橫坡為2.0%，變截面箱梁底緣為二次拋物線，主梁采用縱、橫、豎三向預應力體系。主墩采用V型實體墩樁基承臺結構。P12號墩高23.5 m，V型墩斜腿高6.5 m，V型墩墩座高7.0 m。P13號墩高22.5 m，V型墩斜腿高16.5 m，V型墩墩座高6.0 m。V型墩斜腿厚2.5 m，采用C50鋼筋砼。V型墩墩座采用C40鋼筋砼，長×寬＝12.428 m×6.2 m。象山大橋剖面圖如圖1所示。

圖1 象山大橋剖面圖

2.2 技術路線

當全橋BIM模型考慮鋼筋布置時，對計算機硬件等配置和軟件性能要求較高，極大影響建模效率。因此，本文首先采用Autodesk Revit軟件建立象山大橋BIM全橋三維模型，然后從全橋模型中提取三角區關鍵區域的構件族，補充該區域鋼筋模型，進行三角區鋼筋碰撞分析。技術路線如圖2所示。

圖2 技術路線

3 三角區BIM模型建立

3.1 橋梁構件建立

首先，依據設計圖紙將該鋼箱拱組合梁橋進行構件層面的拆分；其次，通過Revit族中放樣、融合等功能模塊，分別對橋梁各個構件進行建模；最后，獲得象山大橋樁基礎、拱肋、橋墩和主梁等構件。該鋼箱拱組合梁橋主橋箱梁為單箱三室變截面箱梁，建模過程較為復雜，下面以象山大橋主梁3＃塊為例。

(1)在Revit族樣板中選擇“公制輪廓族”，依照主梁3＃塊截面的輪廓圖紙，分別創建內、外輪廓族，定義輪廓參數，添加約束，實現箱梁輪廓參數化建模。

(2)在Revit族樣板中，選擇“公制常規模型”，然后將箱梁構件族所需的參數屬性、參照平面系統和相關標識添加到族樣板中。使用“公制常規模型”樣板文件中的放樣融合工具定位放樣中心線，載入箱梁截面輪廓族，然后創建箱梁模型，如圖3所示。

圖3 象山大橋箱梁3＃塊族模型

3.2 全橋模型搭建

當橋梁中所有構件族搭建完成后，便可以通過新建橋梁項目文件創建軸網、設定標高、確定參照平面；再將各個構件族文件載入到新建的項目文件中；最后通過軸網和標高的控制，根據設計坐標放置各個構件族，拼接成完整橋梁模型。象山大橋全橋BIM模型如圖4所示。

圖4 象山大橋全橋BIM模型

3.3 三角區鋼筋模型建立

3.3.1 主橋V墩鋼筋模型建立

主橋V墩鋼筋多為常見的鋼筋樣式，所以，本文使用Revit軟件自帶的鋼筋功能創建此處鋼筋模型。

(1)選擇合適視圖。Revit軟件中，支持多種視角、視圖模式，包括三維模式，其在空間上自由度很高。在建模過程中，可根據情況來確定視圖，以達到準確、快速建模的目的。因鋼筋模塊是基于混凝土構件，所以在創建鋼筋模型時，對主橋V墩局部選擇合適的位置增加剖面，采用剖面視圖進行配筋設計。

(2)確定混凝土保護層厚度。根據結構施工圖紙及相關規范，確定相應保護層厚度。Revit軟件中保護層設置應先選擇主體單元，然后進行保護層的設定。

(3)選擇鋼筋參數設置及繪制。Revit軟件中擁有自帶的鋼筋族庫，對于常見的普通鋼筋形狀，可以通過鋼筋瀏覽器查看所需的鋼筋形狀。選擇對應形狀的鋼筋，按照設計圖紙更改鋼筋編號、創建鋼筋實例，方便后期相同鋼筋的放置與查找。鋼筋放置之前應按照設計圖紙設定鋼筋材質、直徑、彎曲半徑、彎鉤長度及角度等參數。設置完鋼筋信息后，通過手動調節鋼筋防銹長度，放置于混凝土主體內。對于非常規鋼筋(如弧形鋼筋)，Revit軟件中有“繪制鋼筋”的功能，在確定合適的剖面視圖后，根據設計圖紙手動對鋼筋路徑進行繪制，再添加鋼筋參數。主橋V墩鋼筋BIM模型如圖5所示。

圖5 主橋V墩鋼筋BIM模型

3.3.2 主梁預應力鋼筋模型建立

主梁預應力鋼筋類型較多，各類型預應力鋼筋尺寸不一，且在項目中定位不規則，直接使用Revit軟件自帶的鋼筋功能創建模型的工作量較大。本文在創建預應力鋼筋模型過程中，采用與創建橋梁構件模型相同的方法，先創建預應力鋼筋族庫，再在項目中進行拼裝，搭建完整模型。具體流程如下:

(1)劃分主梁預應力類別。將復雜的主梁預應力按放置位置與模型相似度劃分為頂板橫向預應力束、主梁預應力頂板懸臂束(底層)、主梁預應力頂板懸臂束(頂層)、主梁預應力頂板懸臂束(中層)、主梁預應力腹板彎起束、豎向預應力筋等6個類型進行族模型的創建以及主梁預應力整體模型的搭建。

(2)主梁預應力束參數化建模。選擇Revit軟件中的“公制常規模型”作為族樣板，使用放樣功能繪制主梁預應力束路徑和截面，添加長度和彎起角度等共享參數。

各類別預應力束只需創建一個模型，其余模型可以通過修改參數的方式快速建模。

(3)主梁預應力鋼筋整體模型搭建。在項目文件中載入主梁預應力束族模型，選擇合適的視圖，通過不同截面上的位置調整，對每根預應力束進行精確定位放置，拼接成完整的主梁預應力束模型。預應力束模型放置完成后，利用Revit自帶的鋼筋功能創建豎向預應力筋模型。主梁預應力鋼筋BIM模型如圖6所示。

圖6 主梁預應力鋼筋BIM模型

4 三角區鋼筋碰撞分析

基于已建立的三角區BIM模型，選用Navisworks軟件對象山大橋三角區進行鋼筋碰撞分析。Navisworks與Revit模型之間的交互較為簡便，且Navisworks具有操作簡便、碰撞類型豐富等優勢，是目前最常用的碰撞分析軟件之一。

鋼箱拱組合梁橋三角區由主梁0＃塊和V腿墩相交形成，構件之間鋼筋交叉布置，且數量多、位置密集，要完成該部位碰撞分析工作，對電腦配置有較高要求，且模型分析耗時較長。本文將此工作劃分為3個分項目分別進行碰撞分析。

4.1 主梁預應力鋼筋碰撞分析

使用Navisworks軟件對主橋預應力鋼筋模型進行碰撞分析，具體流程如下:

(1)Navisworks軟件不能直接讀取Revit模型，需要經過中間文件格式的轉換達到模型間的交互。Revit軟件可以將主橋預應力鋼筋模型導出為nwc文件格式供Navisworks軟件讀取。

(2)在Navisworks中打開模型nwc文件，使用Clash Detective功能，添加檢測項目，在檢測項目中選擇預應力鋼筋以及三角區其他構件作為碰撞模型并勾選自碰撞選項，設置碰撞類型為硬碰撞、碰撞公差為1 mm，然后運行檢測。

(3)碰撞檢測結束后，可以根據用戶所需的內容選擇需要導出的信息，導出碰撞報告。

(4)Navisworks導出的碰撞報告對模型每個碰撞點都進行了描寫，但這種形式的碰撞報告在實際項目中并不適用，所以需要人工篩選整合同類型的碰撞信息，編寫可供項目使用的碰撞報告。

4.2 主橋V墩鋼筋碰撞分析

使用Navisworks軟件對主橋V墩鋼筋模型進行碰撞分析的操作流程與4.1節相似，由于橋梁V墩內部除鋼筋外并無其他構件，選擇碰撞模型時只需選擇結構鋼筋進行碰撞分析即可。

4.3 墩梁結合部鋼筋碰撞分析

象山大橋主橋V墩鋼筋設計時，在主橋V墩上部有一部分鋼筋伸入箱梁內部，這部分鋼筋容易與主橋預應力鋼筋發生空間位置上的沖突，所以需要對主橋預應力鋼筋與主橋V墩鋼筋之間的碰撞情況進行分析。

為了進行兩個模型之間的碰撞分析，需要將兩個模型的Revit項目文件結合。將構件數較少的主橋預應力鋼筋模型鏈接進入主橋V墩鋼筋模型文件，形成三角區局部鋼筋BIM模型。Revit可以根據鏈接模型原項目文件的坐標在新文件中放置模型，因此，在三角區局部鋼筋BIM模型，主橋預應力鋼筋模型與主橋V墩鋼筋模型的空間位置并不會產生變化。

模型修改完成后，碰撞分析的具體流程與4.1節相似。分別選擇主橋預應力鋼筋模型與主橋V墩鋼筋模型為碰撞模型進行相互碰撞，由于4.1節、4.2節中已進行過鋼筋的自碰撞，所以該部分碰撞分析不勾選自碰撞選項。

4.4 碰撞分析結果

(1)通過對主梁預應力鋼筋進行碰撞分析得到如下結果:主橋下弦拱腳與橫向預應力、縱向預應力4-T0、4-J06、4-T13、4-T3 有位置沖突。主梁預應力鋼筋碰撞報告示例如圖7所示。

(2)通過對主橋V墩鋼筋進行碰撞分析得到碰撞位置如下:橋墩鋼筋 N1與鋼筋 N2、N3、N3a、N4a、N6、N7、N8、N9、N10、N11、N12、N16、N19；橋墩鋼筋 N2與鋼筋 N5、N6、N7、N8、N10、N11、N12、N19；橋墩鋼筋N3 與鋼筋 N4、N5、N6、N7、N11、N12；橋墩鋼筋 N4 與鋼筋 N5、N6、N11、N12、N16；橋墩鋼筋 N5 與鋼筋 N7、N8、N11、N12；橋墩鋼筋 N6 與鋼筋 N7、N8、N9、N11、N12。

(3)通過對墩梁結合部鋼筋進行碰撞分析得到如下結果:豎向預應力筋與鋼筋N7、N15、N20有位置沖突。

圖7 碰撞報告示例

5 結束語

(1)基于Revit軟件介紹了象山大橋BIM參數化建模步驟，建立了象山大橋全橋BIM模型，為后續鋼筋模型的創建提供了載體，從三維角度能夠更加直觀地反映鋼箱拱組合梁橋構件之間的沖突關系。

(2)基于Revit軟件建立象山大橋三角區鋼筋模型，采用將模型分割后獨立創建的方法創建鋼筋模型，降低了對電腦配置的需求，提高了建模速度。將預應力鋼筋分類型創建，使其能夠應用參數化建模，提高建模效率。

(3)介紹了Navisworks軟件對Revit模型進行碰撞分析的操作流程。基于Navisworks軟件，將象山大橋三角區鋼筋模型碰撞分析分割為3個分項目分別進行碰撞檢查，降低了該項工作對電腦配置的需求，加快了軟件進行碰撞分析的速度。將導出的碰撞報告手動篩選、整理后得到可供項目使用的碰撞報告，為象山大橋三角區鋼筋圖紙的優化提供參考。