基于B I M技術(shù)的預(yù)應(yīng)力變截面橋梁參數(shù)化設(shè)計(jì)

朱俊

（廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣州510000）

1 引言

BIM技術(shù)最早發(fā)展于歐美等國(guó)家，我國(guó)對(duì)BIM技術(shù)的了解和應(yīng)用起步較晚，現(xiàn)階段BIM技術(shù)在建筑行業(yè)已經(jīng)得到了應(yīng)用，但在橋梁工程中的技術(shù)表現(xiàn)還不成熟。所以，我國(guó)學(xué)者開(kāi)始了對(duì)BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)中的研究。劉勇[1]等人通過(guò)相關(guān)研究介紹了橋梁直線變截面的特點(diǎn)，以及Revit建模的優(yōu)缺點(diǎn)；蔣為剛[2]通過(guò)程序編寫，對(duì)橋梁的信息模型系統(tǒng)進(jìn)行了開(kāi)發(fā)，通過(guò)工程實(shí)例測(cè)試了該系統(tǒng)的實(shí)用性。通過(guò)以上作者的研究分析可知，我國(guó)對(duì)于BIM技術(shù)在橋梁中的應(yīng)用還不完善，需要進(jìn)一步提高，所以，本文研究方向仍具有很重要的意義。

2 B I M技術(shù)分析

2.1 B I M技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式與BIM技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)可以得出該技術(shù)的5大優(yōu)點(diǎn)如下：

1）BIM技術(shù)的數(shù)字化使構(gòu)件在進(jìn)行修改時(shí)可通過(guò)調(diào)整參數(shù)進(jìn)行，信息對(duì)模型的描述由二維上升到三維的形式，除了結(jié)構(gòu)幾何特性的描述，還包括物理特性、材料特性等的描述[3]。

2）BIM技術(shù)可以應(yīng)用于橋梁建設(shè)的全壽命周期內(nèi)，主要階段包括設(shè)計(jì)階段和運(yùn)營(yíng)階段。在整個(gè)過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)對(duì)模型材料屬性、物理特性等的修改，以及工程量的變動(dòng)。

3）BIM技術(shù)可以通過(guò)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)條件的模擬以及材料統(tǒng)計(jì)來(lái)進(jìn)行進(jìn)度控制和成本估算。

4）BIM技術(shù)在進(jìn)行變更時(shí)，能及時(shí)對(duì)信息進(jìn)行修改并保存，項(xiàng)目的各參與方可以實(shí)時(shí)掌握變更內(nèi)容和次數(shù)，使各方協(xié)調(diào)進(jìn)行工作。

5）BIM技術(shù)能夠完成信息共享，這種方式可以使設(shè)計(jì)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)通過(guò)各個(gè)平臺(tái)展現(xiàn)出來(lái)，使決策速度和質(zhì)量得到提高。

2.2 B I M技術(shù)缺點(diǎn)

BIM技術(shù)作為一項(xiàng)新研發(fā)的技術(shù)，在誕生階段既存在優(yōu)點(diǎn)也存在不足之處。BIM技術(shù)想要取得較好的發(fā)展，應(yīng)進(jìn)行不斷的研究和改善，這是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。現(xiàn)階段BIM技術(shù)主要應(yīng)用領(lǐng)域是建筑行業(yè)，在公路橋梁的設(shè)計(jì)中應(yīng)用較少，目前還處于摸索階段，技術(shù)水平存在一定的不足，主要表現(xiàn)在以下方面：

1）成本高。橋梁設(shè)計(jì)既需要人才還需要技術(shù)，但是，BIM技術(shù)的研發(fā)尚處于初期階段，人才培養(yǎng)更是落后，技術(shù)的利用率較低，軟件的后期升級(jí)費(fèi)用較高。對(duì)人員與技術(shù)進(jìn)行綜合分析可知，BIM技術(shù)想要普遍使用具有一定的難度。

2）模式轉(zhuǎn)變困難。傳統(tǒng)的橋梁設(shè)計(jì)方法首先被使用，且使用年限較長(zhǎng)，人們會(huì)產(chǎn)生先入為主的心理，設(shè)計(jì)人員對(duì)于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)觀念和設(shè)計(jì)手段較為熟悉，技術(shù)掌握駕輕就熟。BIM技術(shù)尚且存在較多缺點(diǎn)，當(dāng)設(shè)計(jì)要求達(dá)不到業(yè)主的要求時(shí)，要進(jìn)行修改，這樣會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)計(jì)進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)效益。設(shè)計(jì)人員的固有思維限制了BIM技術(shù)的運(yùn)用，設(shè)計(jì)維度由二維轉(zhuǎn)向三維，由平面升級(jí)成立面，改變了工作的性質(zhì)，思維轉(zhuǎn)變存在一定的局限性。

3 案例分析

3.1 工程概況

本項(xiàng)目為某箱梁橋，橋梁全長(zhǎng)為637 m，采用預(yù)應(yīng)力T構(gòu)箱梁，箱梁頂板存在1.5%的雙向橫坡。橋梁的樁號(hào)范圍為K8+080~K8+717,橋梁的中心樁號(hào)為K8+318.5，橋梁下部結(jié)構(gòu)主要形式為群樁基礎(chǔ)。行車道的設(shè)計(jì)荷載為城市-A級(jí)，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面為人行道（2 m）+行車道（8.5 m）+人行道（2 m），安全等級(jí)采用一級(jí)，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100 a，行車速度為30 km/h。

3.2 方案設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，利用BIM技術(shù)中的Civil 3D和Revit創(chuàng)建環(huán)境模型，主要信息應(yīng)包括地形條件、地理環(huán)境等。利用Civil 3D軟件將經(jīng)處理的等高線生成地形，并建立地質(zhì)模型，然后，對(duì)模型中的地面坡度、地面高程等進(jìn)行分析。該地形可以導(dǎo)入Revit，生成數(shù)字三維地形。

通過(guò)Revit對(duì)橋臺(tái)、橋墩、主梁等進(jìn)行創(chuàng)建族操作，然后，將所有構(gòu)件（包括三維地形）載入到同一項(xiàng)目文件下，根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)位置進(jìn)行拼裝成橋。最終橋梁經(jīng)Lumion渲染后的效果圖如圖1所示。

圖1 橋梁效果圖

3.3 施工圖設(shè)計(jì)

施工圖設(shè)計(jì)主要任務(wù)是給模型構(gòu)件進(jìn)行屬性定義，主要包括使用的材料、構(gòu)件的尺寸等，然后，建立LOD300的模型。該模型具有以下特征[4]：

1）橋梁的構(gòu)件歸于同一模型中，有助于分析橋梁各個(gè)組件間的空間關(guān)系，有助于設(shè)計(jì)缺陷的發(fā)現(xiàn)，構(gòu)件之間的相互沖突可以被檢測(cè)出來(lái)，給設(shè)計(jì)審核與審圖帶來(lái)較大的方便。

2）該模型所有各類平、立、剖三視圖都對(duì)應(yīng)同一個(gè)模型，若發(fā)生設(shè)計(jì)變更，只需直接對(duì)模型進(jìn)行修改即可，所有相關(guān)視圖都會(huì)隨著模型的更改而自動(dòng)更改。極大地提高了施工圖出圖效率。

3）模型有助于進(jìn)行相應(yīng)工程量的統(tǒng)計(jì)，可根據(jù)定義材料的屬性和參數(shù)對(duì)工程量進(jìn)行自動(dòng)計(jì)量，輸出構(gòu)件明細(xì)表[5]。

4）LOD300模型還可制定該項(xiàng)目的施工進(jìn)度計(jì)劃，對(duì)施工進(jìn)度進(jìn)行模擬分析，根據(jù)分析結(jié)果來(lái)制定施工組織方案，起到指導(dǎo)施工的作用[6]。

4 橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算

利用BIM技術(shù)進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，提高了設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量，改變了設(shè)計(jì)方式，減少了變更的次數(shù)和工作量。在進(jìn)行設(shè)計(jì)后應(yīng)對(duì)成橋后的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)算，保證其滿足相關(guān)規(guī)范要求。

橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)采用的永久荷載有：結(jié)構(gòu)自重（主梁自重和二期恒載）、預(yù)應(yīng)力鋼筋產(chǎn)生的荷載、混凝土自身的收縮徐變以及基礎(chǔ)變位（主墩002 m、邊墩0.01 m）。本文采用的混凝土和鋼筋的各項(xiàng)參數(shù)如表1和表2所示。

表1 本文采用的混凝土參數(shù)

表2 本文采用的預(yù)應(yīng)力鋼筋參數(shù)

橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)采用的可變荷載有：溫度荷載、活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載。

本文采用的橋梁組合設(shè)計(jì)如表3所示。

表3 橋梁荷載組合

4.1 上部結(jié)構(gòu)計(jì)算

利用有限元模型構(gòu)建結(jié)構(gòu)靜力圖分析成橋狀態(tài)的應(yīng)力。模型中的梁?jiǎn)卧?42個(gè)、節(jié)點(diǎn)317個(gè)、板單元48個(gè)。通過(guò)計(jì)算結(jié)果表明：成橋狀態(tài)下主梁的最小壓應(yīng)力為2.39 MPa，最大壓應(yīng)力為9.78 MPa，且應(yīng)力分布較為均勻。

4.2 主梁抗裂驗(yàn)算

通過(guò)對(duì)短期效應(yīng)組合下主梁正截面上、下緣應(yīng)力以及收縮徐變10年后短期效應(yīng)組合的最大拉應(yīng)力計(jì)算可知，主梁截面下緣未出現(xiàn)拉應(yīng)力，上緣只有中墩對(duì)應(yīng)的截面出現(xiàn)了少許拉應(yīng)力，該部分構(gòu)件與橋墩剛性連接，桿系單元模擬該結(jié)構(gòu)較為保守。

通過(guò)對(duì)成橋和成橋10 a后組合4（見(jiàn)表3）的荷載組合作用下主梁斜截面混凝土的最大拉應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算可知，該組合下，斜截面最大主拉應(yīng)力σtp為1.088 MPa，該值小于0.4倍混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（1.096 MPa），所以，該值滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 剛度驗(yàn)算

由相關(guān)規(guī)范規(guī)定可知，汽車荷載下的撓度值應(yīng)小于220 mm，通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知，構(gòu)件在活載下的撓度最大值為36 mm；當(dāng)混凝土采用C40~C80時(shí)，撓度長(zhǎng)期增長(zhǎng)系數(shù)為1.35~1.45，C55的混凝土撓度長(zhǎng)期增長(zhǎng)系數(shù)為1.413，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

1）BIM技術(shù)可通過(guò)參數(shù)調(diào)整實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，輸出信息的表達(dá)可從二維上升到三維。在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，BIM技術(shù)提高了工作效率，弱化了專業(yè)間的銜接錯(cuò)誤，減少了設(shè)計(jì)變更，實(shí)現(xiàn)了信息共享。同時(shí)，也存在成本高、思維模式轉(zhuǎn)變困難的缺點(diǎn)。

2）在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，充分體現(xiàn)了BIM技術(shù)的可視化，通過(guò)LOD300模型對(duì)橋梁的構(gòu)件進(jìn)行碰撞、工程量統(tǒng)計(jì)和進(jìn)度分析結(jié)果表明，原設(shè)計(jì)存在一定的不足。

3）對(duì)橋梁進(jìn)行有限元分析，通過(guò)驗(yàn)算不同荷載組合下上部結(jié)構(gòu)、主梁抗裂性能以及剛度，驗(yàn)算結(jié)果均符合規(guī)范規(guī)定要求。通過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算表明：基于BIM技術(shù)的橋梁設(shè)計(jì)的力學(xué)性能符合規(guī)范要求。