橋梁群樁基礎結構BIM正向設計技術及工程應用

張廣海、段廣

（中電建路橋集團有限公司，北京 100000）

1 BIM 技術概述

隨著科學技術發展水平的不斷提升，BIM 技術應運而生，該項技術在建筑工程行業中的應用，由于技術自身特性非常契合建筑工程的發展需求，因此，得到了業內各界人士的廣泛關注。就該項技術的具體應用來看，其中仍然存在著一系列亟須改進的問題。BIM 技術以其獨特的優勢，能夠獲取大量的建筑信息數據。BIM 技術可用于整個工程項目建設的各個環節，所以，在保障工程建設質量的同時，還能縮短工期，提升工程項目的建設效率。此外，BIM 技術還能用來分析建筑結構，而且該項技術的應用門檻相對較低，將其用在數據挖掘中，可通過對大量數據信息進行編輯、整理以及更新，才能夠進一步提升數據信息的精準性和科學性，從而為開展建筑橋梁設計工作提供可靠的保障[1-3]。

2 橋梁常用群樁類型

2.1 端承型群樁

對于端承型群樁，由于其是由端承樁組成的，通過承臺將其分配至各樁樁頂的豎向荷載，荷載大小將通過樁身傳遞至樁端，這樣一來就會降低樁側阻力承載的荷載量，受樁側剪應力相互作用的影響，傳遞到樁端平面的應力重疊效應將隨之降低。再加上樁端的持力層比較硬，隨著樁的單獨貫入變形減小，承臺底板的反力也將隨之降低，此時，對于承臺底地基土分擔的荷載可忽略不計。

因此，端承型群樁中的樁基性能和獨立單樁比較接近，群樁和單樁的簡單集合相等，樁和樁的相互作用以及土和承臺的相互作用都可以忽略不計。由于端承型群樁的樁端持力層剛度比較大，通常可以忽略不計。但是，在樁端硬持力層下方存在軟臥層時，需要計算單樁對軟下臥層的沖剪。

2.2 摩擦型群樁

群樁是由承臺和摩擦樁組成的，因受到豎向荷載作用的影響，沉降的變形形狀通常來源于承臺、樁以及地基土之間的相互影響。在高承臺樁基中，群樁中的各樁頂荷載會經過端阻力以及側摩阻力傳遞至地基土以及相鄰的樁基，由此產生的應力將會改變樁和土的受力狀態，這種狀態反過來又會影響群樁的端部阻力大小和樁群側摩阻力，進而增加其與單樁受力形狀之間的差異。在低承臺樁中，側摩的阻力以及端阻力會受到樁群應力重疊效應的影響，由于承臺和下地基土之間存在著接觸應力，就會增加承臺、樁以及地基土之間的復雜程度。承臺不僅會影響上部樁土的位移，還會減小樁上部的摩擦阻力，改變荷載的傳遞過程，也就是隨著外荷載的不斷增加，側摩阻力就會從樁的中、下部分逐漸向上或者向下發揮。同時，承臺的地面接觸應力也會使樁和地基的受力狀態發生變化，最終影響端阻力和側摩阻力。由此可見，低承臺群樁效應在改變單樁側摩擦力的同時，還改變了側摩阻力的分布、大小以及分布狀態，同時會影響地基土的受力狀態[4]。

3 橋梁群樁基礎結構BIM 正向設計技術及其應用

3.1 工程概況

某大橋作為跨海通道工程的通航孔橋，跨徑布置為100m+280m+720m+720m+280m+100m，為主跨跨徑2×720m 的獨柱塔雙索面三塔斜拉橋。主梁采用分離式鋼箱梁+橫向連接箱，鋼箱梁梁高4.0m 簾度50m。個橋共設置3×4×24=288 根斜拉索，中塔設置4×5=20 根輔助索。索塔采用混凝土獨柱塔，索塔基礎采用變截面群樁基礎和橢圓形承臺，上部設置錐臺形塔座。

該大橋若采用傳統的設計方法，存在以下問題：一是全橋樁基、承臺塔座尺寸種類多，配筋方式也不盡相同，因此設計人員需要根據不同尺寸來繪制鋼筋構造圖，工作量重復。二是后期基礎尺寸、鋼筋設計方案的修改帶來圖紙繪制、鋼筋數量統計的重復工作量。三是二維圖紙數量統計不精準，復核較為煩瑣，且不一定能發現錯誤。如采用正向設計，對同類型不同尺寸的基礎構造，只需建立一個參數化驅動的模型，后期基礎尺寸改動、鋼筋配筋方案改動等可直接通過修改驅動參數來調整模型，二維圖紙隨之更新，后期設計復核只需檢查三維模型，也可避免二維設計過程中的錯漏碰缺等問題。因此，基礎鋼筋構造采用正向設計，由三維模型交付出的二維圖紙，在確保圖模數據一致的同時，還可實現便捷的聯動修改，自動化地完成大量重復的工作，提高深化設計的效率。

3.2 基于BIM 的正向設計

3.2.1 群樁基礎結構BIM 設計思路

基于基礎構造的參數化BIM 模型，通過參數模板實例化的建模方式，調節控制參數，構建承臺、樁基、塔座的鋼筋模型構件庫，驅動模型以適應不同的構件尺寸和設計方案。通過三維參數化模板二維出圖的模式，滿足施工圖設計的深度，實現斜拉橋基礎鋼筋構造的正向設計。斜拉橋正向設計具體的技術路線如圖1 所示。

圖1 斜拉橋正向設計技術路線

3.2.2 群樁基礎結構BIM 設計軟件平臺比選

橋梁領域內應用較為廣泛的建模軟件有Bentley、Revit 和Inventor。

（1）Bentley。Bentley 通過一種描述語言PCL（Parametric Component Language）并 在MieroStation平臺上開發了相應的語言解釋器，以實現結構體的參數化。對于驅動參數較多的構件，這種方法定義輸入參數較為復雜、容易出錯，不適用于參數化便捷驅動。

（2）Revit。Revit+Dynamo 模式可實現參數化模板，但存在一些問題：其一，Dynamo 是主要建立模型的軟件，而Revit 是建立的模型載體，二維出圖系列操作需在Revit 中進行，相互之間的調用關系復雜。其二，Revit 中的標注是基于構件進行標注，而Dynamo每次生成的模型是將之前的模型刪除，重新生成一個新的模型，因此相關標注會消失。

（3）Inventor。Inventor 零件+裝配模式可以較好地解決Bentley 和Revit 軟件在設計過程中存在的問題：其一，在幾何草圖的基礎上，通過拉伸、放樣、掃掠等多種方式滿足不同的三維造型要求。其二，結合構件特性和后期修改的需要，在幾何草圖中可使用幾何約束功能，以減少相關的輸入參數，精簡實例模板的驅動參數。

（4）Invento。Invento 的自動創建視圖功能和繪圖工具，較大提高了輸出二維圖紙的效率。另外，工程圖與三維模型是相關聯的，對關聯模型進行更改后，工程圖均可自動更新。Inventor 零件+裝配的模式可將不同類型的鋼筋定義成零件，形成多種鋼筋零件庫，在部件中進行零件裝配，不同零件相互之間的位置關系可通過約束定義確定，也方便統計不同種類鋼筋的數量。綜上所述，Inventor 軟件符合基礎鋼筋正向設計的需求，最終選定Inventor 作為BIM 正向設計平臺軟件。

3.3 參數驅動BIM 模型的創建

目前橋梁專業的BIM 模型主要采用“骨架+模板實例化”的建模技術，這是一種“自頂向下”和“自底向上”相結合的混合建模方法。樁基、承臺、塔座的三維模型即骨架，作為鋼筋構造的承載體，然后利用“模板技術”為同類型構件定義參數化模板，并利用“批量實例化技術”，以自底向上的方式批量生成完整的項目模型。首先確定樁基、承臺、塔座的混凝土構造驅動參數，在構造模型的基礎上，輸入保護層厚度，確定鋼筋邊界位置；接著根據各種類型鋼筋的尺寸、位置、根數，輸入相關參數形成參數化模板，并基于軟件iPart組件構建關鍵結構的構件庫。

表1 正向設計驅動參數

3.3.1 混凝土構造

BIM 模型以中索塔為例，中塔樁頂以下37m 樁徑3m，37m 以下到樁底樁徑為2.5m，承臺為長軸51m、短軸40m 的橢圓形，高6m。上部設置3m 厚的塔座，塔座為錐臺形式。中塔基礎BIM 模型如圖2 所示。

圖2 基礎構件BIM 模型

3.3.2 鋼筋BIM 模型

先定義好主驅動參數并賦予初值，再將創建的鋼筋驅動參數與幾何草圖中的尺寸約束關聯起來，實現尺寸標注有參數驅動。為了減少參數數量，盡可能采用幾何關系約束建模，例如以鏡像陣列的方式。實際工程中鋼筋存在彎鉤，鋼筋BIM 模型由于出圖限制，可將鋼筋彎鉤省略，統計工程量時將彎鉤部分的數量加上即可。創建參數化模板流程：首先在二維草圖中建立鋼筋的骨架，測試保護層厚度、鋼筋間距、根數等驅動參數的可適應性；然后在骨架的基礎上賦予鋼筋直徑輪廓；最后通過陣列、鏡像等方式形成完整的鋼筋參數化模型。

3.4 自動化二維出圖

目前二維圖紙仍是最終的設計交付物，如何快速準確地生成符合施工要求的二維圖紙，是實現正向設計的關鍵。三維設計出圖是協同設計的一個環節，離不開統一的協同設計規則，同時對建模也有一定的要求，形成標準規范的設計圖紙。三維設計出圖的主要流程：一是統一出圖樣式。在出圖前統一圖框設置、標題欄設置、標注樣式、文字樣式、線型線寬、剖切樣式等圖紙要素。二是切圖模型篩選。三維設計模型和工程圖在兩個文件中進行，工程圖文件中選定設計模型作為基礎視圖，在此基礎上，根據圖面布局選擇投影、剖視或局部視圖，并針對不同視圖的特點控制局部模型的顯示或隱藏，保證畫面清晰整潔。三是動態切圖剖分。三維動態切圖可以切二維剖面圖及詳圖大樣圖，也可以切出三維線框圖和三維立體彩圖等新型圖紙表達方式。剖視圖可控制剖面位置以及剖切深度，剖面位置可約束到模型上，當設計模型更改時，剖切位置不會隨意變動。局部視圖可展示局部大樣圖或1/2 視圖、1/4 視圖。針對細長類型的樁基鋼筋構造圖，選定合適的位置添加斷裂符號，在有限的圖幅內表達清楚設計思路和保證圖面布局。四是圖紙標注布局優化。標注比如：鋼筋符、鋼筋編號、剖面符號、斷面符號、凈保護層厚、標高、剖斷面標題等常用符號做成草圖，形成制圖常用符號庫，以加快制圖速度。傳統鋼筋圖的鋼筋用線條或點來表示，鋼筋三維設計時，工程圖中的鋼筋構造剖切出兩根輪廓線和圓的效果，更能體現出鋼筋之間相互交錯的關系。然后，進行尺寸標注，各類型的鋼筋按照間距大小從內到外依次標注，最外層標注混凝土構造尺寸。完成圖紙標注后，將平面圖、立面圖、俯視圖、大樣圖等按照圖幅大小調整比例尺繪圖，目的是能清晰表達設計方案且圖面布局整潔。五是工程量統計分析。三維BIM 模型通過開發的插件一鍵導出各種類型鋼筋的體積，在excel 中計算出鋼筋長度、重量等數量，同時將彎鉤的數量計入，再通過工程圖鏈接excel 的方式插入鋼筋明細表。

4 結語

總而言之，基于對大跨徑斜拉橋基礎鋼筋進行BIM 正向設計，創建了融入設計關聯參數的參數化BIM 模型庫；基于BIM 平臺構建尺寸線、標注符號、顏色、線寬、圖幅、字體和視圖等配置系統，介紹了圖紙標注、調整布局以及工程量統計的方法，最終形成二維圖紙交付成果。后期設計方案修改時，只需修改三維模型，二維圖紙即可更新，效率遠高于傳統的制圖方法，并且減少了圖紙出錯的概率。BIM 正向設計技術在某大橋工程基礎中的應用，為今后實現大跨徑斜拉橋的三維參數化設計提供了工程實踐經驗。