淺談展覽大道跨截流河特大橋設計及BIM技術的應用

彭鳳強，冉汶民，李立威，張 宇，王慶濱，郭振鋒，彭 堅

（1.中冶賽迪工程技術股份有限公司，重慶市400000；2.深圳市寶安區工務署，廣東 深圳518000）

0 引 言

橋梁是一種承載著道路或鐵路跨越自然障礙的結構物。然而，橋梁的意義遠遠不止于此。她不僅僅是架設于空中的通道，更是一門藝術，一種文化。橋梁可以成為一個城市的名片和窗口，也可以使其因此聞名天下。因此橋梁不僅要滿足通行要求，更需要體現它的精神價值，甚至讓它成為具有地標性的建筑物[1]。

同時，隨著鋼結構橋梁技術的發展和人們對橋梁景觀需求的提高，使橋梁不斷往輕盈化、纖細化、異形化方向發展，其鋼拱橋以優美的曲線造型、強勁的力量感，在城市景觀橋梁中廣為應用。但由于鋼箱拱肋結構空間復雜，傳統二維平面圖紙很難有效地表達其空間關系。為了創造更優的橋梁景觀效果，纖細異形鋼結構成為景觀橋梁的優先選擇，然而其復雜構造的合理性將直接影響結構的受力性能和焊接、拼裝、拉索安裝及張拉、探傷、檢測等施工工藝。若前期未充分考慮，將為施工安裝埋下較多隱患，甚至導致質量安全事故發生。為了解決以上問題，目前國內BIM技術已在部分橋梁項目中嘗試應用，且積累了不少實踐經驗[2-4]。

現以深圳空港新城啟動區展覽大道跨截流河特大橋（展云橋）為工程背景，簡述BIM在設計及施工中的應用。其成果可為今后其他類似橋梁的設計、施工提供一定的參考。

1 項目概況

展覽大道位于深圳空港新城啟動區南部，道路等級為城市主干路，設計速度50 km/h，道路標準路幅寬度50 m，雙向六車道。橋梁位于平交口展寬段，橋梁為雙向八車道。

深圳空港新城啟動區展覽大道跨截流河特大橋（展云橋）為一座下承式鋼拱橋，橋梁跨徑布置為：1×155 m，上部結構為分叉六邊形鋼箱拱肋+鋼箱縱梁+鋼橫梁。橋梁兩側人行道采用變寬，全橋橋寬62～68.894 m，與河道正交。全橋采用Q420qD高強度橋梁用鋼，全橋用鋼11 229 t。圖1為橋梁立面圖，圖2為橋梁橫斷面圖，圖3為橋梁效果圖。

圖1 橋梁立面圖

圖2 橋梁橫斷面圖

圖3 展覽大道跨截流河特大橋效果圖

2 方案設計思路

城市橋梁被人們近距離接觸，使得城市橋梁與人們的心理和生活非常緊密地聯系。橋梁不僅僅是一種滿足物質需求的實際工程結構物，還是人們審美的對象。橋梁還承載各種精神象征意義，并且對人的心理產生各種不同的影響，是具有物質和精神雙重性構筑物。

橋梁設計方案應重視總體構思，突出重點橋梁的景觀效果，并充分利用該地區的自然特色，處理好重點橋梁與周邊環境的相互協調關系。通過對橋型、梁體、墩臺等的精心設計，打造新城區的新景點，新地標。

該項橋梁設計結合國際會展中心景觀要求，對河道沿線的橋梁進行了整體景觀規劃，為了使河上橋梁整體視覺有層次感，秉著“亮點突出、和諧統一”的原則對關鍵節點的橋梁進行中大體量的景觀造型打造，其他的橋梁采用中小體量的橋梁進行景觀搭配。展覽大道跨截流河特大橋為其中的一個關鍵節點（03節點）上的一座大型景觀橋梁。

圖4為橋位規劃圖，圖5為關鍵節點景觀橋梁方案圖。

圖4 橋位規劃圖

圖5 關鍵節點景觀橋梁方案圖

展覽大道跨截流河特大橋的橋位處于國際會展中心主軸線上，正對國際會展中心南登錄大門，橋梁景觀定位為門戶性、地標性的建筑物。

標志性的幾何造型、鮮明的外裝飾顏色和炫麗的燈光使橋梁在視覺上別具一格。為了讓行人能更多地參與橋梁互動，將橋梁設計為行人聚集的目的地，通過在橋梁人行道上應用了彩色石材鋪裝和特色的欄桿，塑造出獨具特色的橋梁。

結構形式上為了保證橋下防洪凈高，減小橋面下結構高度，將三條縱梁設計成了向上凸出的結構，形成獨特的人車分離結構，減少行車對行人的影響。

3 受力分析

該橋梁為無推力的下承式梁拱組合結構，外部為靜定結構，內部為高次超靜定結構。

結構組成：由一道分叉式箱型拱圈、三道箱型縱梁、箱型端橫梁、工字型中橫梁、正交異形橋面板、吊桿等組成。

圖6為橋梁結構拆解示意圖，圖7為橋梁結構受力體系示意圖。

圖7 橋梁結構受力體系示意圖

傳力途徑：行車道板→橫梁→吊桿→拱肋及縱梁→支座→下部結構。

由于橋梁跨徑大，橋面寬，為了保證景觀效果減小拱肋受力，橋梁采用了梁拱組合體系。三道縱梁與端橫梁、中橫梁固結，構成平面穩定框架，再與拱肋固結后形成空間穩定體系。中縱梁屬于剛性系桿，是屬于拉彎構件，并對中橫梁具有縱橫向的彈性約束作用。

4 設計難點及解決措施

（1）難點一：主拱采用異形分叉雙拱，且向外傾斜。

對策：由于主拱橫向外傾，且傾角大，拱肋彎矩較大。為控制主拱受力，采取了三項措施：一是減小吊桿張拉力，增加縱梁梁高，讓縱梁充分受力，以減小主拱彎矩；二是在拱腳設置多道橫隔板，分擔拱腳受力；三是采用高強度厚鋼板，橋梁中主要受力構件應用了60 mm厚的Q420qd鋼板

（2）難點二：異形三維空間結構，表述困難。

對策：方案設計階段采用Rhino軟件，建立空間模型，準確表達方案結構；施工圖階段采用BIM正向設計，準確繪制空間節點,優化構造；施工階段采用Tekla軟件,進行鋼結構詳圖設計，直接對接工廠深加工。

（3）難點三：拱腳水平力不能由三片縱梁均勻分擔，變形不協調，導致中縱梁伸長量大于邊縱梁（見圖8）。

圖8 縱梁受力示意圖

對策：為了克服不一致的伸長量，防止受力不均，設計時增強端橫梁水平向抗彎慣性矩和橋面板厚度，增大橫梁水平抗彎剛度和橋面板抗剪能力。為了防止三縱梁伸長量不統一而影響橫梁和橋面板安裝，拱肋和橋面系安裝均采用了密支架安裝方案；全橋結構拼裝完成后，先拆除拱肋支架，再張拉吊桿，最后拆除主梁支架；橋面系安裝完成之前，拱腳采用鉸接形式鎖定水平位移。

（4）難點四：鋼結構橋梁鋪裝耐久性問題。

對策：采用澆筑式瀝青。它具有密水性好、耐久性優、疲勞抗裂性能和隨從變形能力好、整體性強、不會出現由于碾壓所帶來的病害等結構特點。

5 BIM在項目中的應用簡介

展覽大道跨截流河特大橋（展云橋）造型奇特，結構復雜。在拱肋線形的空間定位、拱腳構造設計、拱肋錨點空間構造設計、吊桿錨點坐標高程定位等均涉及異形的三維空間定位，常規的二維平面設計已不能有效解決以上問題。該項目在設計及施工階段采用BIM技術與常規二維圖紙相結合的設計方式，解決了復雜的異形橋梁空間定位問題。下文主要介紹BIM技術在方案設計、施工圖設計、工廠預制、現場安裝等過程中的應用。利用BIM技術優化橋梁結構形式、鋼箱構造、工廠鋼板下料排版，解決復雜空間定位，模擬節段拼裝，從而保證了工程質量，提高了工作效率，縮短了工期和節約了經濟成本。

5.1 方案設計階段

方案設計階段采用Rhino軟件，通過添加現場實際地形地貌，建立空間粗略模型，準確表達橋梁結構外觀造型及主要結構構造。模型中放入準確的河道、道路、周邊建筑群信息，直觀地展示出了橋梁與周邊建筑環境之間的體量關系。利用上述模型優化橋梁體量及體態，最終得到了最優的橋梁景觀方案，使橋梁與周邊環境和諧統一，脫穎而出（見圖9）。

圖9 方案設計階段BIM模型

由于橋梁方案階段，重點在于橋型和造型的比選，注重結構造型與周邊環境的協調，因此對于此階段的BIM應用側重于建模速度和造型能力。Rhino軟件占用電腦空間小，對硬件要求低，反應速度快，且可以容易創建編輯各種復雜的曲線和曲面，因此在重點表現橋梁輪廓的橋梁方案階段，充分展示了快速完成復雜造型的建模優勢，同時配合各類插件可完成方案設計的漫游視頻和效果圖渲染。

5.2 初步設計和施工圖設計階段

由于橋梁結構鋼板構件數量多，空間構造復雜，在施工圖階段采用Revit正向設計，精準建立整個橋梁的每個構件細節。

拉索錨固區和拱腳區構造復雜，多向鋼板交叉，設計時無法直觀判斷構造合理性，故采用Revit建立其詳細的三維模型，以優化箱室空間及加勁構造。通過上述模型準確定位分叉拱肋線形、吊桿、錨點等重要節點的空間坐標。由于拉索為三維斜面，無法直接采用二維圖紙畫出錨板斷面圖，設計時通過三維模型的截面剖切功能，準確生成二維平面圖。該橋構造復雜，設計時先通過建立三維模型確定構造參數，然后再完善二維施工圖，充分保證了設計質量（見圖10～圖12）。

圖10 施工圖設計階段BIM模型

圖11 施工圖設計階段BIM模型橫斷面剖面圖

圖12 施工圖設計階段BIM模型立面剖面圖

該階段將方案階段的輪廓模型文件存儲為DXF格式后，導入Revit中再進行深化設計，可利用現有輪廓模型完善內部構造細節（見圖13）。

圖13 施工圖設計階段橋下管廊BIM模型

為了節省用地，管廊設置在橋梁正下方，為了避免干擾，方便同步實施，設計階段也對橋下管廊進行了BIM建模。該BIM應用于查驗管廊支護樁、工程樁與橋梁樁基礎的空間關系，指導施工方案設計。

5.3 鋼結構加工階段

鋼結構加工階段利用Tekla Structures軟件對施工圖階段的模型進行轉換并深化，精確繪制工廠加工深化圖和下料清單，根據運輸條件進行構件拆分，精確排版鋼板大樣，避免材料浪費，直觀指導工人精準下料（見圖14、圖15）。該階段可以將Revit的設計模型存儲為IFC格式，導入Tekla后進行二次加工詳圖深化。

圖14 加工階段BIM模型

圖15 加工階段運輸節段劃分模型

5.4 現場安裝階段

由于結構體量較大，無條件在工廠進行全橋預拼裝，為了達到預期安裝進度，施工前將前期BIM模型結合現場地形地貌進行施工安裝工序模擬，制作安裝流程視頻指導施工。施工時，利用該模型指導現場定位安裝及復核（見圖16）。

圖16 施工安裝模擬圖

5.5 運營階段

該橋梁BIM模型已納入了空港新城城市運營管理系統，由后期運營管理部分統籌管理。

6 BIM在該項目中解決的問題

方案設計階段解決了景觀效果直觀表達問題，優化橋梁的造型設計；施工圖階段解決了復雜空間定位難等技術問題，同時解決了復雜節點局部受力分析的難題，優化了異形鋼箱拱肋細部構造設計；鋼結構構件加工階段數字化精準放樣、下料，避免了由于構件制作錯誤或誤差較大而引起的返工和材料浪費，為后期現場安裝的精度保證提供了必備條件；施工安裝過程中，利用BIM直觀的三維視圖功能結合視頻處理軟件，合理安排了施工安裝計劃，確定了拼接節點高程坐標，最終達到了提高功效、降低成本的目的。

BIM技術在該項目中，從方案設計直至施工完成都得到了充分的應用，該橋梁已經投用一年多，各方反映效果良好（見圖17～圖19）。

圖17 成橋實景圖1

圖18 成橋實景圖2

圖19 成橋實景圖3

7 BIM在異形景觀橋梁中的應用前景

在目前“新基建”政策的導向下，以及行業發展的趨勢來看，BIM在橋梁領域中的充分應用也是必然的趨勢。針對復雜的異形景觀橋梁，傳統二維設計仍然是一個難題。BIM橋梁技術在異形景觀橋梁的應用中具備了以下優勢：

（1）有利于設計質量的控制和設計效率的提升。

（2）優化結構形式，解決復雜的橋梁“錯、漏、碰、缺”，降低了工程成本。

（3）由于全橋信息模型的參數化、關聯性，可以根據需要設置不同的參數組合，生成不同的橋梁模型，統計分析得到相應的技術指標和經濟指標，從而優化方案、優化結構設計，帶來顯著的經濟效益。

（4）信息模型可以在橋梁的建造、管理階段重復利用，契合了全壽命周期設計和管理的理念，在新時代為投資和管理提供了高效的決策和管理平臺。

8 結 語

該橋梁設計結合國際會展中心和河道的景觀要求，對河道沿線的橋梁進行了整體景觀規劃，力爭使得河道沿線橋梁既和諧統一而非千篇一律，又富于變化而不雜亂無章，做到有亮點、有韻律、簡潔大方、精致美觀，與河道景觀交相輝映、相得益彰，為該區域增加一道靚麗的風景線[5-7]。

該橋結構復雜，且跨徑大，該橋在結構形式上具有很大的創新性，在目前國內還未推出該類拱橋的相關設計及施工規范，因此在設計和施工上都具有較大的挑戰。

其中BIM正向設計的應用，不僅節約了工作時間、減少了施工圖的錯誤，大大提高了設計質量，同時利用BIM模型實現了工廠精準下料、拼裝精確模擬，為橋梁安全順利的建設，起到了事半功倍的作用。

通過BIM在該項目中的應用，使人們看到BIM的應用在不同的階段有著不同的深度和需求。作者充分感受到了不同專業軟件之間數據轉換的便利性，若各BIM軟件能統一數據標準，使更多專業化軟件的數據可以無縫銜接，這將極大地提高建模效率，使BIM的應用發展步入快車道。