裝配式鋼-混組合梁橋BIM參數化建模及應用

文哲思 龍紹海 黃曉虹 楊燎原 黃惠娟

（1.廣州市道路工程研究中心，廣東廣州 510000；2.廣州市市政工程設計研究總院有限公司，廣東廣州 510000；3.華南理工大學土木與交通學院，廣東廣州 510000）

裝配式橋梁技術具有減少交通阻斷、提高施工區域安全、減少環境影響、降低全壽命周期的造價等優勢[1-2]，迅速發展。在城市中小跨徑橋梁建設中，與裝配式混凝土橋梁相對比，裝配式鋼-混組合梁橋容易裝配施工，造型輕盈美觀。

21世紀以來，我國裝配式橋梁得到大力推廣應用，裝配化程度不斷提高，向全預制裝配、裝配式上下部結構方向發展[3-7]。2020年通車的南京江心洲長江大橋與洪鶴大橋磨刀門水道引橋均采用節段預制裝配施工。

為了提高可施工性及安全性，建筑行業積極地將信息化技術與工業化建設融合。Eastman[8]提出，BIM技術是建筑設施的智能數字化表達，貫穿項目的全壽命周期，隨著信息技術的發展，BIM技術成為工程信息化的主要技術。橋梁構件具有特異性，在BIM軟件中開發難以兼顧多種橋型及相應構件的參數化建模[9-17]，仍需要對軟件進行二次開發深化橋梁建模功能。

將BIM技術應用在裝配式橋梁中，可以極大地提高橋梁建設效率及安全性。目前國內裝配式鋼-混組合梁橋BIM技術應用研究非常少，組合梁BIM族庫嚴重不足，橋梁BIM模型與族構件參數化程度低，參數設置方法不完善，參數缺乏層次劃分。

文章針對現有研究的不足與當前城市橋梁建設的需要，對裝配式橋梁的BIM建模進行研究，提出參數劃分原則、快速建模思路及方法，并在工程實例中應用。

1 橋梁BIM建模參數設置及劃分原則

參數化建模是BIM技術的特殊優勢，橋梁BIM建模中的參數可分為幾何參數、定位參數、材料參數以及自適應參數。

（1）幾何參數是在建立BIM模型時用于驅動幾何尺寸的參數，包括長度參數、角度參數與徑參數。

（2）定位參數是用于控制構件的位置變化的參數。

（3）材質參數在項目中的作用體現在兩方面，可以使構件具有與材質相對應的外觀，后者使構件具有與材質一致的物理參數。

（4）自適應參數有助于構件的數量、間距與位置隨著參數變化進行自適應調節，起到滿足模型變化需求的效果。如鋼箱梁橫隔板的排布隨鋼箱梁長度與橫隔板間距兩個參數的設置自適應變化。

各類參數使用的優先層次與應用層級存在差異，將許多參數一同列出容易導致參數查找與使用困難，導致參數修改邏輯的混亂。

為了確保族構件與BIM模型的重復應用時的正確性與高效性，需要為族構件的參數制定層次劃分原則。

將修改模型時經常應用的或對于模型尺寸起決定性作用的參數劃分為常用參數。在不同項目中基本不會變化、較少進行修改的參數，劃分為非常用參數。此外，載入族中的非常用參數，不在參數列表中體現，需要時進入編輯載入族界面進行參數修改。

自適應橫隔板設置效果圖如圖1所示。

圖1 自適應橫隔板設置效果圖

部分參數之間具有聯動關系，部分數值由其他參數決定，可以由其他類型的參數推算；對參數進行錯誤改動可能引起約束的連鎖沖突，導致整體模型失效。采用公式對其數值進行限制，輸入其他種類參數后將參數數值進行自行計算填充。

關聯參數列于參數列表最下端的分區，在族構件的應用過程中不建議對其進行修改。

2 裝配式鋼-混組合梁橋參數化建模思路

參考國際主流分類體系ISO 12006-2分類與OmniClass分類體系及我國標準對BIM模型單元分類的規定，建立適用于裝配式鋼-混組合梁橋的BIM模型單元分類體系，各分類層級可以按分類層次或組合層次進行擴充。

BIM模型單元分類體系如圖2所示。

圖2 BIM模型單元分類體系

鋼箱梁是組合鋼箱梁橋中承受荷載的主要結構，以建立參數化鋼箱梁族模型為例進行介紹思路。對組合鋼箱梁橋各層次族構件進行建模，其基本構件單元包含頂板、底板、腹板、底板橫肋、底板縱肋、腹板縱肋、支承加勁肋、隔板、封板、隔板補強肋、支座墊板、檢修孔。

各構件單元的參數設置如無特殊說明，均需要設置相應的材質參數。

頂板、底板、腹板及各類加勁肋族構件所設置的參數基本相同，分別為長度、寬度與厚度參數。

將已建立的各個鋼箱梁組成構件單元的族模型載入鋼箱梁族，設置參數并設定約束。

參數設置步驟：設置常用參數→載入族的參數關聯→設置自適應參數。

以腹板為例，腹板族參數如圖3所示。

圖3 腹板族參數

每一個載入的組成構件單元族均具有自身參數，應在鋼箱梁族中設置相同的參數，將兩者設置為相互關聯，利用鋼箱梁族中的參數驅動載入族的參數。

部分參數可以直接與常用參數關聯，組成構件單元族中的其他參數一般設置為非常用參數或關聯參數。鋼箱梁族中腹板豎肋以及隔板的數量需要隨箱梁長度改變而自適應變化，應設置為自適應參數。

鋼箱梁族如圖4所示。

圖4 鋼箱梁族

以鋼箱梁層次為例，為鋼箱梁建立完備的組成構件單元族，如圖5所示。

圖5 鋼箱梁構件單元管理示意圖

按照此方法建立組合鋼箱梁族庫中的橫聯族、懸臂族、橋面鋪裝族以及栓釘族模型。

3 裝配式鋼-混組合梁橋快捷化建模方法

根據工程項目需求，確定裝配式鋼-混組合梁橋上部結構的形式，選取相應形式的參數化BIM族構件，建立相應節段BIM上部模型。

實際橋梁工程中存在彎橋的情況，建立彎橋的參數化BIM模型。為了與上部結構形成配套，建立裝配式鋼-混組合梁橋下部結構的參數化BIM模型。

（1）從已建立的組合鋼箱梁族庫中選取族構件并載入，包括鋼箱梁族、橫聯族、懸臂族、橋面鋪裝族以及栓釘族等。

（2）進行常用參數設置，涉及的族構件與參數較多，需要對參數進行類型劃分，驅動上部結構整體幾何效果的參數歸為基本參數；其他參數根據其具體驅動的族構件進行分類，并與相應的族構件參數進行關聯。組合鋼箱梁上部結構由多種不同材質的構件組成，應分別設置材質參數，包括鋼箱梁材質、橋面鋪裝材質與栓釘材質。

對于裝配式鋼-混組合梁彎橋情況，需要對族構件設置轉彎半徑參數。

組合鋼箱梁橋上部結構設置的常用參數如表1所示。

表1 組合鋼箱梁橋上部結構常用參數

組成鋼箱梁的腹板族、底板族、頂板族與底板縱肋族需要依據轉彎半徑的需要重新建模，補充轉彎半徑參數。組成鋼箱梁的其余構件單元族可從現有的鋼箱梁族庫中直接調用，需要依據轉彎半徑進行自適應布置。為了適應梁端部局部加高的需要，為裝配式鋼-混組合梁彎橋建立梁端局部加高構件組，設置轉彎半徑參數。

梁端部加高構件組如圖6所示。

圖6 裝配式鋼-混組合梁彎橋的梁端部加高構件組

完成裝配式鋼-混組合梁彎橋的族構件補充后，從已建立的裝配式鋼-混組合梁橋族庫中調用其他族構件，如橫聯族、懸臂族、栓釘族，并將其依照轉彎半徑自適應排布。設置參數并構造約束，除了需要增設轉彎半徑參數，其他常用參數的設置與一般裝配式鋼-混組合梁橋相同。

最終組合形成裝配式鋼-混組合梁彎橋上部結構的參數化BIM模型。

城市橋梁建設中適用范圍較廣的下部結構類型包括板式花瓶墩與蓋梁雙柱墩，兼具美觀與施工便捷的特點。對板式花瓶墩與蓋梁雙柱墩進行參數化BIM建模。

參數化板式花瓶墩BIM模型由樁基礎族、承臺族、板式花瓶墩身族與支座族組成。

承臺族需要設置兩種材質參數，承臺下部采用封底混凝土，承臺上部采用一般承臺混凝土。板式花瓶墩身族前后側需要設置通長的墩身凹槽，左右側需要設置漸變段圓弧；墩身需要設置內部空心，墩身上、中、下部各設置一個通風孔，使內部空心與外部聯通。

參數化蓋梁雙柱墩由支座墊石族、蓋梁族、橋墩族、承臺族以及樁基礎族構成。

彎橋上部結構參數化BIM模型如圖7所示。

圖7 裝配式鋼-混組合梁彎橋上部結構參數化BIM模型

彎橋下部結構參數化BIM模型如圖8所示。

圖8 彎橋下部結構參數化BIM模型

（3）族構件的建模與參數的設置說明。

①蓋梁相對橋梁前進方向的前側與后側分別設置一行支座墊石，除支座中心距參數外，兩行支座墊石其他幾何參數與定位參數存在區別。對前側與后側的支座墊石分別進行參數設置，添加后綴1、2進行區分。

②蓋梁族需要設置橫坡參數，支座墊石族底部需要設置反向的橫坡，使支座墊石的上緣在蓋梁橫坡變化時能夠保持水平。

③蓋梁除了在頂部需要設置橫坡，還需要在兩側設置擋塊與翼緣，在底部設置底坡。

④在橋墩族的上部與下部，設置與蓋梁和承臺之間的砂漿墊層。

⑤承臺族上部分為承臺臺身，承臺族下部設置混凝土墊層，分別進行參數設置。

（4）提出裝配式鋼-混組合梁橋快捷化BIM建模方法。

①依據工程項目需求，確定裝配式鋼-混組合梁橋上、下部結構的形式，選取相應形式的參數化BIM族構件。

②擬定裝配式鋼-混組合梁橋上、下部結構各組成構件的初步設計參數。

③依據參數化BIM模型中參數的類別，輸入各構件的設計參數，生成項目的初步BIM模型。

④根據生成的BIM模型對設計參數進行驗證，調整設計參數并重新輸入，直至生成滿足項目需求的BIM模型。

⑤依據項目需求，使用構件組對生成的BIM模型進行端部加高或栓釘種類替換，得到項目最終BIM模型。

為實現裝配式鋼-混組合梁橋快捷化BIM建模方法的界面化，對Revit進行二次開發，編寫裝配式鋼-混組合梁橋快速BIM建模程序。實現裝配式鋼-混組合梁橋BIM模型建立的方便易行與高效性，進一步提高BIM建模速度。生成裝配式鋼-混組合梁橋上部結構BIM模型所需的常用參數均列于程序界面中。

程序界面如圖9所示。

圖9 裝配式鋼-混組合梁橋上部結構快速BIM建模程序界面

（5）程序的功能內容。

①添加車道數與箱梁長度選項卡，依據箱梁長度的選項判斷屬性。

②依據選項內容打開相應參數化BIM模型，作為樣板BIM模型。

③輸入其余常用參數值，依據輸入值修改樣板BIM模型的參數。④生成裝配式鋼-混組合梁橋BIM模型，載入項目中。⑤生成Revit外部菜單中的程序調用按鈕。

4 橋梁工程建模實例

東新高架橋上部結構參數設計如表2所示。

表2 東新高架橋第0～1號軸上部結構參數設計值

將快捷化BIM建模方法應用于東新高架橋BIM建模，驗證該方法的可行性。

東新高架橋位于廣州市荔灣區西部，是連接鶴洞大橋與東新高速的城市主干道高架橋。

以東新高架橋第0～1號軸上部結構為例，采用40 m標準跨徑。

將各項參數設計值輸入裝配式鋼-混組合梁橋快速BIM建模程序，成功生成東新高架橋第0～1號軸上部結構BIM模型，導入項目。其他標準跨徑節段均可以采用本文提出的快捷化BIM建模方法建立相應的模型。

上部結構的BIM模型如圖10所示。

圖10 東新高架橋第0～1號軸上部結構BIM模型

東新高架橋第4～9號軸采用42.2 m跨徑，不是標準跨徑，在快速BIM建模程序的箱梁長度選項卡中需要選擇自定義箱梁長度，在對話框中輸入其跨徑數值。

以第8～9號軸上部結構為例，將各項參數的設計值輸入程序界面。

9號軸采用橋面連續，需要設置梁端部加高，對9號軸處的剪力釘形式與端部形式進行調整。程序生成BIM模型后，將9號軸原有端部一鍵替換為端部加高構件組，將普通栓釘一鍵替換為抗拔不抗剪栓釘，生成東新高架橋第8～9號軸上部結構BIM模型。

BIM模型如圖11所示。

圖11 東新高架橋第8～9號軸上部結構BIM模型

建立東新高架橋下部結構模型，可利用建立的蓋梁雙柱墩參數化BIM模型，分別將其中設置的參數賦為東新高架橋各橋墩的設計值，生成相應橋墩模型。

東新高架橋各橋墩的設計指標中，僅有支座墊石標高、墩頂標高、承臺頂標高與樁頂標高等參數的設計值存在一定差異。

在實際進行參數賦值時，只需要對以上參數進行修改，其余參數無須重復改動。

分別對蓋梁雙柱墩參數化BIM模型相應參數進行賦值，生成1號墩與2號墩的BIM模型。1號墩、2號墩與第0～1號軸上部結構BIM模型組合形成東新高架橋第0～1號軸整體BIM模型。

以東新高架橋1號墩與2號墩為例，需要進行修改的參數及設計值如表3所示。

表3 1號墩與2號墩參數設計值 單位：mm

東新高架橋第1～2號軸整體BIM模型如圖12所示。

圖12 東新高架橋第1～2號軸整體BIM模型

建立參數化的BIM模型可以極大地提升建模效率，建立的BIM模型可達到G4精度等級。各方協調方案時，東新高架橋BIM模型的建立能夠在可視化的狀態下進行，結合檢測手段，實時更新橋梁模型的狀況，為運維階段提供定位損傷位置提供了平臺基礎。

模型的精細化級別足夠高，可以及時出圖，提供完備的工程信息。

5 結語

針對當前城市橋梁建設的需要，本文提出橋梁BIM模型參數設置的標準化方法與多層次參數的劃分原則，建立裝配式鋼-混組合梁橋的系統性BIM族庫。為城市橋梁建設中常用標準跨徑與車道數組合下裝配式鋼-混組合梁橋建立參數化上、下部結構的BIM模型，并將此方法應用在東新高架橋，提高橋梁BIM建模的效率。可以為建立裝配式鋼-混組合梁橋BIM模型、應用BIM技術開拓新思路。