基于BIM技術的橋梁模型設計及信息處理研究

蔣浩鵬，姜諳男

(大連海事大學 道路與橋梁工程研究所，遼寧 大連 116026)

0 引 言

隨著我國在橋梁工程建設中不斷應用BIM技術，學界對BIM模型、BIM標準問題的探索也在不斷深入[1]。BIM技術為項目各個參與方提供了互相交流、信息互換平臺，不僅是一款信息傳遞工具，更是一項將工程項目與信息技術結合的技術[2-4]。

目前學界對BIM研究方興未艾。例如：周游[5]基于BIM對立交工程開展分析；李成濤等[6]完成了對橋梁病害模型的三維可視化展示。由此發現，我國橋梁建設僅僅在基礎建模階段應用到了BIM技術[7-8]，且并沒有合適的技術模型去規范BIM橋梁設計、施工流程。

基于此，筆者以BIM技術中的IFC傳輸標準為基礎，優化了基于BIM的橋梁設計及施工管理技術模型，為建模提供理論依據；利用Revit軟件規范了橋梁BIM模型的設計模式及步驟，從而提高了模型的設計效率；根據建筑信息模型分類標準構建了橋梁BIM模型信息數據編碼規則，填補了我國BIM橋梁編碼理論的空白；為我國在橋梁建設應用BIM技術提供理論支持和技術經驗。

1 IFC傳輸標準及編碼方式

1.1 IFC傳輸標準概述

IFC(industry foundation class)標準即工業基礎類標準[9]。IFC提供了建筑工程實施過程所處理的各種信息描述及定義規范，其可以是一個構件實體也可用于抽象概念。IFC標準總共由4個層次構建，分為資源層、核心層、共享層和領域層[3,10-12]。因道路橋梁等建設涉及的項目較多，同時運行多個軟件或程序可能會存在數據無法完全兼容，導致數據不能交換等問題，而IFC標準極大程度上解決了數據交換和共享問題，節約了時間和經濟成本。橋梁工程涉及項目類型種類繁多，如墩臺數據、上部梁板尺寸數據、護欄、標線等都需要信息處理，而IFC標準強大的數據交換和兼容能力能極大程度上解決橋梁構件信息數據的交換和共享問題。

1.2 模型數據編碼規則

對BIM橋梁建設項目而言，構件模型數量種類較多，如墩臺數據，梁板尺寸等，在實現信息交互等問題上依舊還不能進行有效溝通[13]，更無法在運營階段發揮效用，建設工程各方仍是獨立建立自己所需的信息模型。故針對該問題，筆者建立了基于BIM的模型數據編碼規則。

為保持BIM設計總體流程與各階段BIM設計詳細流程信息交換內容的統一性和一致性，在各階段設計過程中，橋梁、道路等專業信息交換需求用模型和信息表示，因此需要通過一定命名規則對流程中涉及的交換信息進行編碼。編碼ID用“x.n.m”表示，以橋梁工程為例，如表1。

表1 橋梁工程信息交換ID編碼規則Table 1 ID coding rules for bridge engineering information exchange

其信息交換ID編碼規則可設置如下：① “x”表示階段，“1”表示工可階段，“2”表示初步設計階段，“3”表示施工圖階段；② “n”表示專業，“1”表示道路專業，“2”表示橋梁專業，“3”表示給水排水專業，“4”表示電氣專業。由表1可知：n還有如下定義：“01”表示項目設計模型信息；“02”表示現狀設計模型信息；“03”表示規劃設計模型信息。即兩位數代表設計模型信息，一位數代表專業；③ “m”表示專業子內容，在設計過程中確定編碼。針對橋梁專業而言，“1”表示梁式橋，“2”表示拱式橋，“3”表示斜拉橋，“4”表示懸索橋，“5”表示其他形式橋梁。

根據BIM橋梁模型信息交換編碼規則，具體到構件級的編碼問題，將編碼結構分為表代碼(i)、大類代碼(j)、中類代碼(k)和細類代碼(l)這4部分，表達形式為i-j.k.l。通過考慮工程實際，筆者首先考慮二位數編碼，如表2～4。其中：① 表代碼代表道路部分及橋梁部分，“01”為道路部分，“02”為橋梁部分；② 橋梁部分，大類代碼“01”代表主梁、“02”為縱橫向聯系、“03”為橋墩、“04”為橋臺、“05”為基礎、“06”為橋梁附屬結構。中類代碼則是大類代碼的細分也稱子系統，以主梁為例，則分混凝土梁、鋼梁、鋼混組合梁，對應的中類代碼分別為01～03，其余中類代碼見表3；③ 細類代碼更加細化了構件種類，也代表了各模型單元，并可按照其組成部分進行擴展，具有可擴延性、兼容性和綜合適用性原則。以中類代碼的混凝土梁為例，分為T梁、小箱梁、空心板梁、實心板梁和箱梁，對應的細類代碼分別為01～05，其余細類代碼見表4。

表2 橋梁部分上部結構構件模型信息編碼Table 2 Model information encoding of some superstructurecomponents of bridge

表3 橋梁部分下部結構構件模型信息編碼Table 3 Model information encoding of substructure components ofbridge

2 BIM橋梁設計及施工模型

目前，我國在公路橋梁設計、施工領域已逐漸應用了BIM技術。但仍存在諸多問題，例如：① 目前并沒有一款適合我國橋梁建設領域的BIM技術模型；② BIM注重工程信息傳遞，但我國在橋梁設計、施工管理等階段大多只關注于模型是否符合工程要求， 往往忽略了構件模型信息的綜合運用；③ 目前橋梁建設技術路線雖然較為齊全，但與BIM結合時也需與其IFC信息傳遞標準相結合，否則在各軟件中模型信息無法傳遞。基于上述3類問題，筆者基于IFC標準的BIM信息傳遞規則，同時改進了文獻[9]中基于BIM的橋梁設計標準化技術模型，得到了較為適合我國橋梁設計基于IFC標準的BIM橋梁設計技術模型，如圖1。

表4 橋梁部分附屬結構構件模型信息編碼Table 4 Encoding of model information of bridge parts

圖1 BIM橋梁設計技術模型Fig. 1 BIM bridge design technology model

不僅BIM橋梁設計會出現上述問題，BIM橋梁施工管理也會出現信息傳輸不規則、信息傳輸丟失等一系列問題。BIM橋梁施工管理內容不同于公路施工內容，其后期綜合工程構件信息處理能力更需要一個合適的模型去規范施工管理流程。基于此，筆者同樣依據IFC標準構建模式，改進了BIM橋梁施工管理技術模型，如圖2。

圖2 BIM橋梁施工管理技術模型Fig. 2 BIM bridge construction management technology model

3 基于BIM的橋梁模型設計實踐

橋梁設計、施工及運維階段應用BIM技術需要各自對應的技術路線進行支撐以更準確建立三維模型和后期工程信息管理；且在基礎設施建設領域中，橋梁設計需要考慮更多的可能性。橋梁設計不僅應考慮設計的具體影響因素，更應嘗試用不同軟件來建立橋梁模型。目前，傳統橋梁設計中有很多軟件，例如：橋梁博士、邁達斯、DICAD、緯地(Hint CAD)等。

隨著BIM技術在橋梁結構設計、施工上的應用越來越廣泛，傳統2D設計手段已逐漸乏力。現階段，橋梁設計不僅要求各專業協同設計其結構形式、利用和控制其資源成本，同時模型數據信息共享和傳遞更需要標準去規范，并明確其界定。基于此，筆者選用Revit軟件對橋梁設計階段進行過程實踐，并通過借鑒IFC標準數據傳輸格式，基于實際項目構建了BIM橋梁模型信息編碼體系，對其進行實踐和階段說明。

3.1 項目概況

以赤城南互通AK0+984.16A匝道紅河大橋施工圖設計實際項目為例。該橋位于赤城南互通內，橋梁中心樁號為AK0+984.16，該橋平面分別位于直線(起始樁號：K0+843.16，終止樁號：K1+028.489)和緩和曲線(起始樁號：K1+028.489，終止樁號：K1+125.16，參數A：110，右偏)上，縱斷面位于R=1 600 m的豎曲線上；且墩臺徑向布置。

3.2 總體設計

該橋依次上跨主線，全橋共3聯：(4×25 m)+(4×25 m)+(3×25 m)；上部結構第1、2聯采用預應力砼(后張)小箱梁，先簡支后連續；第3聯采用現澆預應力混凝土箱梁；下部結構橋臺采用肋板臺，橋墩采用柱式墩，墩臺采用樁基礎。

第1、2聯裝配式預應力混凝土連續小箱梁采用多梁單獨預制、簡支安裝、現澆連續接頭的先簡支后連續結構體系。橋面由6片小箱梁組成，25 m跨徑梁高1.4 m，梁間距2.7 m。為便于模板制作和外形美觀，主梁沿縱向外輪廓尺寸保持不變。第3聯現澆箱梁，采用單箱3室截面，箱梁底寬13.5 m，懸臂1.5 m，箱梁兩側腹板采用相同高度，橋面橫坡由箱梁頂底板平行腹板牽直形成。

該橋平面位于曲線上跨徑，采用折線布孔，墩頂濕接頭及邊跨封錨長度為定值，用預制梁長來調整。故應注意根據不同梁長調整正彎矩鋼束長度(在跨中直線部分調整)，保證滿足工作段張拉長度；普通鋼筋也應根據梁長進行調整。

3.2.1 橋梁模型創建

該橋梁整體造型設計并不復雜，但需注意的是：箱梁高度會隨著高程改變而變化，且3聯箱梁的縱坡坡度也各不相同，故在上部結構建模時需將3聯箱梁分開建模，以保證兩邊橋臺位置更加精確。

不同于傳統設計思路，為建模更方便和準確，本項目采用由下部結構向上建模，具體如下：對下部結構先建立橋墩和系梁模型，進而是蓋梁；同樣對橋臺也可采用相同方式；對上部結構可先設計箱梁結構，由于本項目為3聯，且分屬不同形式，故可分開設計，其后設計上部鋪裝層、護欄、標線及其他交通附屬設施。

建模過程中，要注意橋梁縱坡和變寬等問題。本項目以Revit 2014為主要設計軟件，其分為兩個設計文件：族文件與項目文件。在設計過程中，具體的橋梁構件會以族文件形式展現，將下部和上部結構設計完成后載入到項目文件中進行拼裝，載入族文件過程中需要注意單位變換，族文件和項目文件中的單位默認為mm。

橋梁樁、承臺和蓋梁等構件都是直接通過Revit軟件的“族”功能進行設計。首先在族文件中設置好參照標高線和參照平面，以方便繪制橋臺和橋墩平面尺寸，通過拉伸和融合操作創建出橋臺和橋墩的3D實體模型，最終在模型基礎之上添加工程參數和材質信息。圖3分別為0號橋臺的右立面和整體模型。

圖3 0號橋臺“族”右立面和整體模型Fig. 3 Right elevation and overall model of abutment 0“family”

在紅河大橋上部結構實際建模過程中，不僅需要考慮梁板縱坡問題，更需注意梁尺寸和形狀。通過Revit軟件放樣融合功能，按照紅河大橋平面位置，繪制出梁板路徑和前后輪廓，得到最終上部梁板整體結構；同理，按照放樣融合和選擇路徑可繼續實現上部鋪裝層、兩側護欄的模型建立，最終得到上部結構整體模型，如圖4。

圖4 上部結構整體模型Fig. 4 Overall model of superstructure

Revit項目文件是統一的整體，其不僅能將“族”文件中所錄入工程信息進行添加和整理，更可對整體模型進行數據采集和分析[14]。對模型拼裝和制作完成之后，可通過Revit導出到FBX三維格式文件和IFC格式文件。由于Autodesk公司各BIM軟件可通過其互通，故將FBX文件導入到Navisworks中進行下一步深化設計。

通過Revit中“族”功能將上部結構建模完成之后，可將上部結構與下部結構模型合并到一個統一的項目文件中進行修改、管理。但在項目文件導入“族”時需注意的是結構平面高程選擇，由于0號與11號橋臺高程并不相同，故在項目文件合并模型時需在結構平面上預先設置完成。通過橋梁平面圖將橋墩、橋臺放入到指定位置上，最終得到橋梁整體模型，如圖5。

圖5 橋梁整體模型Fig. 5 Overall bridge model

3.2.2 深化設計

在設計中，Revit可生成構件信息庫，能實時更新工程構件的相關信息，如加工狀態、試驗數據等。各部門、工程人員都可從中隨時調取信息以供項目后期管理和運營，又能將更新信息反饋到庫中，從而實現了工程信息不間斷傳遞和高度實時共享。

紅河大橋設計中，在創建構件過程中可實現將工程信息錄入到“族”類型中，如圖6。該技術克服了信息丟失、傳輸困難等問題，實現了生產效率提高，打破傳統構件生產水平限制，不僅保障了質量問題，也能保證整個主線橋的順利建設、按時完成。

圖6 BIM設計信息化設置界面Fig. 6 BIM design information setting interface

模型構件是承載各類幾何和非幾何信息的常用模型單元[15]。故其中的信息處理及提取等步驟也至關重要。在工程建設之前將所有構件信息進行提取后分門別類處理存儲，而基于Revit的提取構件信息及結構安全信息二次開發插件可保證信息有效傳遞，防止缺失；最重要的是該插件輸出文件形式為文本文檔格式，能使信息充分共享，并快速提取，如圖7。

圖7 BIM模型參數提取示例Fig. 7 BIM model parameter extraction example

3.3 模型信息編碼

根據BIM模型數據編碼規則，將紅河大橋設計步驟分為3階段：項目工可階段、初步設計階段和施工圖設計階段。

項目工可階段具體包括：① 提供前期資料，明確工程工可階段范圍和內容；② 進行橋梁方案設計，確定梁式大橋工可模型和設計信息；③ 進行方案可行性分析，通過工可模型確定最優方案；④ 將橋梁初步工可模型上傳到協同共享平臺，為其他專業進行工可階段模型設計提供協同參照。

初步設計階段具體包括：① 在工可設計成果的基礎上進一步加深方案模型，并簡述施工方案為施工圖設計做準備；② 完善總體設計信息，包括跨徑、橋梁總長及橫斷面布置，確定橋面標高及坡度等總體初設信息；③ 完成橋梁初步設計內容后，提交橋梁專業負責人進行初設專業校審；④ 將橋梁初步的初設模型上傳到協同共享平臺以提供協同參照。

施工圖階段是橋梁工程設計最后階段，具體包括：① 在初步設計階段的橋梁模型基礎上加以具體和加深，深化主要構造和細部設計；② 注明施工過程中的注意要點等信息，使得各種技術指標滿足規范要求；③ 完成施工圖設計后，將模型提交至橋梁專業負責人進行校審；④ 將模型上傳到協同共享平臺提供協同參照。

按表1，紅河大橋模型信息編碼見表5。根據橋梁結構構件模型信息編碼(表2～表4)，得到紅河大橋中各個構件模型信息代碼，如表6。

表5 紅河大橋模型信息交換編碼Table 5 Model information exchange encoding of Honghe Bridge

表6 紅河大橋模型構件信息編碼Table 6 Model component information encoding of Honghe Bridge

將上述工程編碼信息按照相對應的橋梁工程設計技術路線依次以資源層、核心層、共享層及領域層順序向下進行傳遞。這樣可避免信息疏漏，全面、有效及準確的將工程信息交付給建設單位和運營部門。待效益、環保等部門審核合格后項目可正式運營。

4 結 語

隨著BIM技術在橋梁設計領域地位的不斷提高，應用方式也逐漸成熟；但對我國而言，BIM技術大多僅停留在建模階段。筆者首先以BIM技術中的IFC標準為基礎，優化了基于BIM的橋梁設計及施工管理技術模型；同時以紅河大橋施工圖設計實際項目為例，利用Revit軟件規范了橋梁BIM模型的設計模式及步驟，提高了模型設計效率；最后根據建筑信息模型分類標準構建了橋梁BIM模型信息數據編碼規則，填補了我國BIM橋梁編碼理論空白，為BIM技術應用于橋梁建設提供了理論支持和技術經驗。

隨著橋梁形式逐漸增多，基于BIM的橋梁模型設計方式和BIM橋梁編碼理論也應進一步完善，但BIM技術的優勢尚未完全體現。故筆者下階段研究重點是：如何將模型信息代碼應用到BIM各軟件的數據交換。相對傳統設計方式及信息處理而言，BIM技術能顯著提高設計效率，縮短項目建設周期。