基于BIM 技術的公路橋梁設計研究

文／杜盛平 南昌瑀城交通設計有限公司 江西南昌 330000

引言：

BIM 技術主要是搭建信息化建筑模型的一種技術，該項技術在建筑領域的許多方面得到廣泛運用，包括工程設計方面、工程管理方面以及工程建造方面，其有助于集成建筑信息，保證工程項目順利推進。本文主要針對BIM技術在公路橋梁設計中的應用進行了簡要研究。

1、公路橋梁設計中BIM 技術的優(yōu)勢

公路橋梁項目逐步引進應用BIM 技術，利用該技術搭建出工程模型，再將實際參數(shù)信息導入到模型中，進一步分析施工要點。公路橋梁設計中應用BIM 技術的主要優(yōu)勢包括下述幾點：

一是具有多角度可視化特征，能夠直觀地反映出工程實際情況。許多公路橋梁施工場地環(huán)境都十分復雜，即使是現(xiàn)場進行勘察也無法保證了解到全面信息，由此造成公路橋梁設計失準，但若是在設計中應用BIM 技術，就可以直接模擬公路橋梁施工場地地形條件，對公路橋梁的設計進行多角度可視化處理，為設計者明確各個部分的設計要點，有效提高設計質量，全方位展現(xiàn)出模型的效果（如圖1 所示），也為后續(xù)施工提供很多幫助。二是BIM 模擬具有多元化特點，通過對該項技術的了解可知，模型構建中可以模擬多種幾何形狀，也能模擬一些工程中的功能性構件，使其極為接近真實施工場景。三是具備了可出圖性特征，通過BIM 技術的應用會構建出三維立體模型，但也能夠二維打印成圖紙，生成圖紙之后能夠更方便把控設計精確性，研究細節(jié)設計，同時也能夠生成公路橋梁工程的材料用量清單。

圖1 BIM 全方位模型展示

2、公路橋梁設計中BIM 技術的具體應用方式

2.1 設計方案比選

BIM 技術作為新時期下公路橋梁設計工作的重要技術支持，實際運用時應充分發(fā)揮該技術可視化特性，將其應用于設計方案優(yōu)選中，改變以往設計方案對比分析方式，以更為直觀、準確的方式驗證設計方案的科學合理性。

道路橋梁工程設計階段需要投入較大工作量，此時可以使用BIM 中的一款橋梁設計軟件，即Open Bridge Modeler，設計人員從Open Roads Designer 中獲取所需的土木工程數(shù)據(jù)，然后將公路橋梁工程的道路信息與地面數(shù)據(jù)導入至Land XML 文件。依托于BIM 技術的自動化與可視化功能作用，將在多種專業(yè)知識的運用下快速生成基于項目實際的工程設計決策所需信息，為公路橋梁設計提供有效支持，加快其設計速度。與此同時，將實景模型與BIM 方案模型進行有機整合，從直觀、專業(yè)的角度對公路橋梁設計方案進行剖析與評價，實現(xiàn)設計方案優(yōu)選，確保方案內(nèi)容合理、有效。

了解到傳統(tǒng)公路橋梁設計在確定設計方案中橋梁的具體位置與控高時，多數(shù)以工程所在區(qū)域的地質水文情況、施工現(xiàn)場情況、交通流量、通航情況等為基礎，然后通過約束路線在該節(jié)點區(qū)域的錄像技術指標對平曲線、豎曲線加以確定。然而采用的地形圖為1:2000，其所呈現(xiàn)的公路橋梁構造物與被跨越物體之間的位置關系較為模糊，難以準確表達方案的設計意圖。但是通過BIM 技術的運用，能夠清晰驗證上下結構選型、孔徑布置、通航情況，確保方案科學、合理。此外，還可以使用四維施工模擬技術，在數(shù)字化三維設計模型的基礎上構建以BIM 技術為基礎的4D 管理模型，模擬、預演施工過程，以此確保公路橋梁設計符合要求。

2.2 橋梁細節(jié)設計

由于當前城市化建設步伐加快，公路橋梁工程跨度、數(shù)量均處于明顯上升趨勢，項目難免遇到較難甚至是無法跨越的交通路線，此時將涉及大跨越式橋梁結構與模式，這給設計工作提出更高質量要求，常用的二維圖紙也難以表達橋梁復雜結構的位置關系。因此，BIM 技術還可以應用于公路橋梁細節(jié)設計。

（1）懸索橋設計應用

作為鋼橋的一種，懸索橋空間結構復雜，普通的二維圖紙難以細致描述其空間構型。設計人員在運用BIM 技術對其開展設計時，充分利用其可視化與三維立體模型功能，圍繞鋼桁架和索鞍建立三維模型示意圖，以此呈現(xiàn)設計細節(jié)，為后續(xù)施工作業(yè)安全、有序展開提供保障。

（2）預制鋼箱梁設計應用

預制鋼箱梁憑借其自重輕便、線型靈活等特點得到廣泛應用，但是其構件多，且尺寸不一，功能不同，具有較為復雜的內(nèi)部構造。雖然二維圖紙能夠通過大量說明圖闡明設計意圖，但工作量較大，致使認為因素導致圖紙呈現(xiàn)不同程度的錯誤，進而給后續(xù)施工作業(yè)造成影響。因此，設計人員可以使用Pro Structure軟件精細化設計鋼箱梁，運用三維設計與結構設計相結合的方式模擬預拼裝，在設計階段對預制鋼箱梁進行嘗試性連接，以此發(fā)現(xiàn)設計不足、不合理因素并加以更改[1]。除此之外，還可以將此項工作與構件供應商進行有機連接，即將設計數(shù)據(jù)對接至數(shù)控加工機床，最終生成的單位信息模型直接供單位加工拼裝，大幅度提高公路橋梁設計質量、縮短溝通成本與時間的同時強化工程整體質量，為工程效益最大化目標的實現(xiàn)提供技術支持。

2.3 可視化交底

公路橋梁設計中BIM 技術的優(yōu)勢在于能夠直觀呈現(xiàn)工作人員的設計意圖，并通過立體三維的方式呈現(xiàn)設計結構，標注施工設計重點。除了設計問題分析、結構調(diào)整等方面發(fā)揮BIM 技術的可視化特點，還可以利用這一優(yōu)勢將此項技術應用于技術交底工作中，通過三維設計流程的直觀展示提升交底速度，確保各項施工作業(yè)的高質量、高效率展開。具體而言，將二維施工組織設計與施工作業(yè)指導書的關鍵步驟，運用BIM 技術制作成施工動畫，通過技術資料動態(tài)的方式完成交流與數(shù)較低，提高與施工單位的溝通效率與工程整體品質。隨著工程數(shù)量的增加，可以將典型設計或關鍵內(nèi)容整理為分類鮮明的技術交底數(shù)據(jù)庫，當遇到類似公路橋梁工程項目時直接調(diào)取即可，實現(xiàn)設計經(jīng)驗項目化、系統(tǒng)化，為相關作業(yè)提供指導與參考。

2.4 結構碰撞檢查

由于公路橋梁結構復雜，后期施工階段具有較多安全風險，為保證施工質量與效率，還應將BIM 技術應用于碰撞檢測環(huán)節(jié)，通過使用BIM 三維軟件中的碰撞檢測功能優(yōu)化方案中的協(xié)同設計，具體檢測內(nèi)容包括建構筑物、設備、路基、路面、水工管線、接地網(wǎng)等。在技術實際運用中，將上述檢測內(nèi)容按照不同專業(yè)信息模型參考到同一模型中，整合后靈活選擇檢查對象。檢測前，設計人員應在BIM 技術平臺上對橋梁設計結構碰撞檢查規(guī)則進行合理設置，然后基于設計方案、立體可視化模型開展碰撞檢查，分析是否存在設計不合理部位。根據(jù)檢測生成的結果報表，設計人員應對其仔細查閱、核對，根據(jù)現(xiàn)行標準與工程需求對設計方案進行調(diào)整，確定調(diào)整思路后直接在BIM 模型內(nèi)調(diào)整，即直接移動模型內(nèi)管線，待檢測結果報表中各個碰撞點均調(diào)整完畢后，再次開展碰撞檢查，查看問題是否解決，直至符合要求位置。相較于以往的設計結構查驗，以BIM 技術為基礎的結構檢查操作簡單易行，公路橋梁設計圖紙質量與后期施工效率得到有效保障，實現(xiàn)安全風險的提早排查，保證工程整體安全質量。

2.5 施工模擬優(yōu)化

借助BIM 技術完成公路橋梁設計工作后，可結合現(xiàn)有設計結果展開施工過程仿真模擬，了解設計方案在施工期間的具體表現(xiàn)，及時發(fā)現(xiàn)潛在隱患，杜絕設計失誤現(xiàn)象。第一，設備施工模擬。公路橋梁施工現(xiàn)場環(huán)境復雜，可按照實際情況搭建施工現(xiàn)場模型，并對設備運輸?shù)跹b應用過程進行模擬，以此依據(jù)完成公路橋梁工程項目的設備運輸方案設計工作。此外，還可將方案內(nèi)容轉化為動畫，動態(tài)演示設備運輸過程，立足于實際模擬情況分析方案可行性。基于BIM 技術對設備設計方案進行模擬可防止設備吊裝安全事故的發(fā)生，嚴謹性控制安全凈距，保障工程施工安全，最大限度地提升公路橋梁設計質量。第二，整體性模擬。以二維設計圖紙及三維BIM 模型為基礎，導入時間維度，根據(jù)公路橋梁結構設計及技術設計情況進行模擬，動態(tài)化演示整個施工過程，通過觀察分析判斷現(xiàn)有路橋設計方案是否存在不合理之處，及時發(fā)現(xiàn)問題并解決，避免施工期間更改設計而造成額外成本支出。將時間維度導入BIM 模型后，可進一步設計公路橋梁工程施工進度表，預演施工過程，并在此過程中詳細合作工程量，把控公路橋梁工程各類資源需求[2]。此外，還可精細化劃分時間維度，在此基礎上設置時間維度單元，以此時間維度單元為依據(jù)展開資源配置，以此實現(xiàn)公路橋梁資源的優(yōu)化設計配置工作，降低資源損耗。在現(xiàn)代化背景下，公路橋梁設計期間不僅可引入BIM 技術，還可將BIM 技術與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術協(xié)同應用，模擬公路橋梁設計方案時，還可采用人機交互的形式展開實時調(diào)整，便捷化完整設計優(yōu)化工作，不僅消除了潛在設計問題，還在一定程度上提高了公路橋梁設計質量。

3、基于公路橋梁設計實例的BIM 技術應用分析

3.1 工程概況

為增強本次研究實效，更為直觀地了解公路橋梁設計中BIM 技術的應用效果，本次以某公路橋梁工程為實例，分析BIM 技術在公路橋梁設計中的具體應用情況。案例公路橋梁項目全線152.251km，批復估算參數(shù)值為265.17 億元，在該項目中，共涉及115 座橋梁，全線96424.506m，并涵蓋一道隧道，該項目屬于典型的公路橋梁項目[3]。在前期規(guī)劃設計階段，案例公路橋梁項目迎合時代潮流更新了設計方式，引入了BIM 技術及相關軟件，旨在借助BIM 技術優(yōu)勢，切實提升公路橋梁設計效果，杜絕設計誤差。

3.2 族庫設置

BIM 技術具有一定綜合性特征，其整合了不同專業(yè)領域，技術性較強。在公路橋梁項目中，為便于開展公路橋梁設計工作，需提前搭建符合公路橋梁工程項目實際情況BIM 族庫，涵蓋工程設計的各個方面，以此保障路橋設計效果。在案例公路橋梁工程項目中，主要包括道路結構、橋梁結構、隧道結構及其他輔助項目，故從上述四個方面設置了BIM 族庫。借助BIM 技術軟件設計公路橋梁時，可直接借助各族庫開展設計工作，并以族庫為依據(jù)劃分不同的公路橋梁結構部件，以此可避免BIM 構件混亂情況的出現(xiàn)。在實際設計過程中，設計人員可直接基于族模型文件展開參數(shù)化組裝設置，提高公路橋梁結構參數(shù)針對性，繼而保障了公路橋梁整體設計效果[4]。

3.3 搭建模型

應用BIM 技術設計公路橋梁時，應結合公路橋梁工程項目實際情況搭建BIM 模型，以可視化的形式呈現(xiàn)公路橋梁具體設計情況，并基于BIM 模型保障設計精度，使設計人員精準化把控設計要點，以此確保公路橋梁設計成果可切實指導施工作業(yè)。在BIM 模型搭建過程中為，可借助所設置的族庫文件構建模型，并基于公路橋梁各結構構件具體情況設計相對應的信息模型，完成不同構件的設計工作后，將各構件模型加以整合，以此即可獲得完整的公路橋梁模型。在此基礎上，從整體與局部兩個方面展開BIM 模型計算。從局部模型計算角度來看，設計人員需對比詳細參數(shù)指標及模型局部情況，以此精準化把控公路橋梁設計精度，而在整體模型計算過程中，需統(tǒng)籌分析圖形數(shù)據(jù)及模型結構信息，結合公路橋梁所在區(qū)域環(huán)境條件展開優(yōu)化。公路橋梁設計是一項綜合工作，不僅需精細化完成結構設計，還需設計設備運輸、現(xiàn)場布置等內(nèi)容，通過公路橋梁的設計工作全方位統(tǒng)籌把控項目實施過程。因此，借助BIM 技術完成公路橋梁模型構建工作后，設計人員需深入施工現(xiàn)場，整理施工現(xiàn)場信息，并以此為依據(jù)搭建施工現(xiàn)場模型，對施工現(xiàn)場區(qū)域結構進行劃分，通過公路橋梁施工現(xiàn)場模型，科學設計施工現(xiàn)場人員線路、設備運輸線路等，避免各類運輸線路碰撞問題的出現(xiàn)。

3.4 碰撞檢測

碰撞檢測是BIM 技術顯著特征之一，在案例公路橋梁工程項目中，則借助BIM 模型完成了碰撞檢測，檢查設計方案中的水工管線、路面路基、設備設施、構筑物、接地網(wǎng)，判斷其是否存在碰撞問題。將公路橋梁工程項目中所涉及到的不同專業(yè)領域信息模型進行整合，于BIM技術軟件內(nèi)設置校驗規(guī)則，為便于設計人員調(diào)整優(yōu)化，完成公路橋梁設計碰撞檢查工作后還可直接導出報表，以供查閱核對，精準定位碰撞點，若經(jīng)檢測后發(fā)現(xiàn)碰撞管道，則可基于BIM 軟件進行修改，移動優(yōu)化管線位置，簡便易操作，兼顧公路橋梁設計質量與效率[5]。

3.5 統(tǒng)計工程量

在傳統(tǒng)公路橋梁設計工作中，通常運用造價軟件、二維CAD 軟件計算公路橋梁工程量，工作量大，耗費時間長，且易出現(xiàn)工程量計算錯誤現(xiàn)象，不僅對公路橋梁實際施工作業(yè)造成影響，還會產(chǎn)生額外成本支出，不利于公路橋梁工程項目把控成本支出[6]。在案例公路橋梁項目中，設計人員完成BIM 模型搭建與初步設計工作后，在BIM技術軟件應用下完成了公路橋梁工程量的計算工作。借助BIM 模型設計公路橋梁過程中，設計人員已將公路橋梁相關數(shù)據(jù)完成了整合歸納，統(tǒng)計核算工程量時，可直接從BIM 軟件中讀取相關數(shù)據(jù)，并以可視化的形成呈現(xiàn)工程量數(shù)據(jù)。若在公路橋梁設計期間出現(xiàn)調(diào)整變更現(xiàn)象，材料數(shù)據(jù)相對地同樣會發(fā)生變動，以此大幅提高了工程量計算精準性。工程量是控制公路橋量工程項目成本造價的主要依據(jù)之一，基于BIM 設計統(tǒng)一工程量實現(xiàn)了定額參數(shù)與材料數(shù)據(jù)的整合銜接，消除了數(shù)據(jù)誤差，保障了工程量計算精度，為公路橋梁工程項目科學推進奠定了基礎。

3.6 仿真模擬

案例工程項目進一步借助BIM 技術軟件仿真模擬功能檢驗公路橋梁設計成果，從設備吊裝、材料運輸、現(xiàn)場傳輸線路等方面進行模擬，直接調(diào)用BIM 軟件內(nèi)吊車模型庫、車輛模型仿真模擬設備吊裝過程，動態(tài)化檢測公路橋梁設備吊裝作業(yè)是否存在碰撞現(xiàn)象，以此有效規(guī)避了施工風險問題。此外，按照設計方案模擬腳手架等臨時設備的布置位置，對施工現(xiàn)場結構布局進行統(tǒng)籌設計，并以設計成果為依據(jù)真實預演施工過程，若有設計缺陷可直觀性呈現(xiàn)給設計人員。案例公路橋梁項目引入BIM 技術后，將施工進度計劃對接BIM 模型，結合工程工期要求將進度設計結果導入BIM軟件，并上傳項目期間天氣預測數(shù)據(jù)、材料供應信息等，在關聯(lián)整合所有資源基礎上展開施工模擬，同時按照進度控制情況分解BIM 模型，引入關鍵路徑法，對公路橋梁施工路徑加以優(yōu)化，從不同角度提升了公路橋梁設計質量。

結語：

綜上所述，BIM 技術在公路橋梁設計項目中具有顯著優(yōu)勢，不僅能夠改善現(xiàn)有設計方式，且可大幅提升公路橋梁設計質量與效率，保障設計精度，避免結構碰撞等問題的發(fā)生。在實踐應用過程中，可借助BIM 技術比選設計方案，做好細節(jié)把控，展開可視化交底與碰撞檢測，并能夠基于設計方案進行仿真模擬，以模擬結果為依據(jù)及時發(fā)現(xiàn)并調(diào)整公路橋梁設計缺陷，最大限度地保障了公路橋梁設計效果。