基于BIM技術的道橋工程設計要點研究

張明　汪舟　施舒海

摘要 BIM技術能夠?qū)⒐こ添椖吭谌芷诘母鱾€不同階段的信息、過程以及資源配置等內(nèi)容集成在一個模型中，對工程活動的開展具有十分重要的作用。文章結(jié)合理論說明與案例分析深入分析BIM技術在市政橋梁工程中的應用情況，明確了BIM技術的技術優(yōu)勢和關鍵技術，同時對市政橋梁設計建模過程進行詳細分析，給出了以引導曲線為核心建模方式的主要過程；結(jié)合案例分析BIM技術在市政橋梁設計建模的步驟，以及各模型內(nèi)涵蓋的內(nèi)容，并對BIM技術的碰撞分析、工程量計算等優(yōu)勢進行詳細分析。研究內(nèi)容對后續(xù)市政橋梁設計工作的開展具有一定借鑒意義。

關鍵詞 BIM技術；市政道橋工程；設計要點分析

中圖分類號 U442.5文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）24-0071-04

0 引言

隨著城市化進程的不斷加深和人們對美好、便捷生活的需求不斷加大，市政道橋工程的建設數(shù)量也在逐年增加，這就對市政道橋工程體系的設計提出了更高的要求[1]。在傳統(tǒng)的建筑工程設計工作中，常使用CAD進行圖紙設計，各專業(yè)之間相互獨立，各自設計，缺乏有效的溝通協(xié)調(diào)。建筑信息模型（BIM）技術能夠有效地解決上述問題，BIM技術包含支持所有生命周期過程的完整和足夠的信息，并且可以通過計算機應用程序直接解釋[2-3]。基于此，為進一步提高BIM技術在市政橋梁工程中的應用，該文對BIM技術的自身優(yōu)勢及其在市政道橋工程中的應用進行深入分析，以期為后續(xù)相關工作的開展提供借鑒。

1 BIM技術在道橋設計中的關鍵技術

1.1 BIM技術在道橋設計中的應用

BIM技術在橋梁設計階段的應用包括方案設計、協(xié)同設計、參數(shù)化建模、碰撞檢查以及BIM與計算分析軟件、輔助設計工具和BIM數(shù)據(jù)庫的結(jié)合[4]。在橋梁工程設計階段，通過對橋梁場地的快速建模，實現(xiàn)橋梁設計方案的選擇、優(yōu)化和調(diào)整。在協(xié)同設計層面，通過BIM協(xié)同設計系統(tǒng)，可以將設計人員按照專業(yè)分工統(tǒng)一納入系統(tǒng)進行協(xié)同設計，提高設計信息的流轉(zhuǎn)效率[5]。BIM協(xié)同設計系統(tǒng)管理的整個設計過程可與其他信息管理系統(tǒng)集成，形成信息化架構(gòu)，如圖1所示。

在橋梁參數(shù)化建模層面，借助BIM技術可實現(xiàn)常規(guī)標準化橋梁、沉管隧道、主橋主要構(gòu)件的參數(shù)化。其次，可利用BIM技術建立箱梁、墩軸、基礎等橋梁上下構(gòu)件的三維標準化數(shù)據(jù)庫[6]。根據(jù)原有基礎材料和線路設計資源，可自動分批完成全線引橋的設計建模。此外，在橋梁設計碰撞檢測方面，設計過程中鋼筋、預應力鋼筋的碰撞檢測，橋梁內(nèi)設施與隧道內(nèi)機電管線的碰撞檢測，設計階段其他構(gòu)件的干涉檢測等。

1.2 BIM技術在橋梁設計中的關鍵技術

利用BIM技術進行橋梁設計過程中，首先，建立參數(shù)化的橋梁模型，提取設計參數(shù)，自動生成設計分析軟件的命令流。其次，將自動生成的節(jié)點、截面等命令流進行組合，添加邊界條件，導入到BIM軟件中進行分析計算。通過對模型進行參數(shù)化修改，自動生成橋梁構(gòu)件的指令流程。此外，通過建立局部BIM模型，導入有限元軟件并添加邊界條件，對局部應力進行分析。利用BIM技術建立橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)字模型，實現(xiàn)BIM數(shù)字模型與仿真分析的集成、對接與轉(zhuǎn)換。

2 橋梁設計中BIM參數(shù)化建模要點

在傳統(tǒng)的三維模型中，用戶將預制對象放置在模型上，隨后通過調(diào)整對象的參數(shù)，如尺寸或相對位置，直到獲得所需的幾何形狀。而參數(shù)化模型工作原理如圖2所示，在參數(shù)化模型中，用戶對對象進行參數(shù)化設置，并直接作用于幾何體自身，參數(shù)化模型中的對象并非預制，因此可以做到對各個對象進行編輯操作，更具有人性化且更加便捷，并能夠根據(jù)用戶的自主定義提供多種解決方案。參數(shù)化模型主要借助對象與對象間的信息與行為進行連接，能夠在計算機中模擬不同參數(shù)條件下建筑物建設、使用過程中可能出現(xiàn)的行為和反應。基于BIM技術的參數(shù)化設計工作，能夠?qū)崿F(xiàn)直觀展現(xiàn)建筑物，并通過操作獲取更加精準的模型。對建筑物進行數(shù)據(jù)分析，模擬材料問題、施工過程，通過分析碰撞檢測、空間分配、結(jié)構(gòu)受力分析等，能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁工程的全生命周期管理，減少工程失誤，降低工程造價等。

2.1 上部結(jié)構(gòu)

由于輸入數(shù)據(jù)（即橋梁的導向曲線）的特殊性，橋面的開發(fā)是橋梁工程參數(shù)化最復雜的部分。參數(shù)化建模過程中的引導曲線如圖3所示，由于平面圖（或點）列表與剖面圖列表大小相同，只需將剖面圖投影到每個平面圖中即可，至此橋梁工程參數(shù)化建模算法已經(jīng)創(chuàng)建并存儲了一個按斷面類型劃分的列表。然后可以選擇將帶有邊框、人行道（左側(cè)或右側(cè)）、調(diào)整過的斷面或所有這些元素一起投影到斷面列表中。

隨后將橋面設計工作中包含的重要參數(shù)進行歸類，包括跨度數(shù)、跨度長度或橫截面幾何形狀等典型參數(shù)。如表1所示，給出橋面設置中主要參數(shù)信息，其中前3個參數(shù)以數(shù)字的形式存在，用于生成橋面最合理的變量，可用于將引導曲線劃分為代表橋梁跨度的子曲線，以及每個跨度的分段數(shù)。與傳統(tǒng)方法不同的是，用戶將通過沿引導曲線手動放置點來表示分段和跨度的位置，參數(shù)化算法只要求用戶知道分段的數(shù)量和跨度的長度。系統(tǒng)自身將根據(jù)提供的數(shù)據(jù)自動劃分曲線。

橋梁橫截面示意圖如圖4所示，橋梁上部結(jié)構(gòu)參數(shù)種類較多，涵蓋不同支撐數(shù)量、不同跨度以及不同支撐高度等類型。在進行橋體上部結(jié)構(gòu)參數(shù)化設置時，可根據(jù)實際情況選擇不同的參數(shù)進行輸入。圖4各部分參數(shù)中，X1、X2與Y1、Y2為軌道尺寸參數(shù)，d、k、e、l、f、c、g等為維度參數(shù)，具體為橋梁橫截面各位置具體尺寸，S1、S2為左右側(cè)橋面傾斜角度。基于BIM技術的參數(shù)化建模方法可輸入的參數(shù)量較為豐富，能夠適應大多數(shù)類型的橋梁設計需求。

2.2 下部結(jié)構(gòu)

針對橋梁的下部結(jié)構(gòu)，無論是墩帽、立柱還是地基，在采用BIM技術進行參數(shù)化建模過程中，相對較為重要的參數(shù)輸入是橋梁的導向曲線。參數(shù)化建模過程可采用“初始數(shù)據(jù)-引導曲線-開始的下部結(jié)構(gòu)構(gòu)建”過程，在引導曲線上放置甲板與立柱/柱帽的交界點。該方法盡管增加了與文件不一定相關的參數(shù)，即跨度的數(shù)量和長度，但是卻能夠達到簡單且精確的建模效果。有關下部結(jié)構(gòu)需要輸入的主要參數(shù)如表2所示，有關下部結(jié)構(gòu)的參數(shù)輸入主要分為三個部分，主要是墩帽部位、支柱以及基礎三部分，三部分的參數(shù)中分別包含各個部位的幾何參數(shù)、位置參數(shù)以及尺寸參數(shù)等內(nèi)容。

跨度長度輸入的作用是為了更好地在引導曲線中放置相應元素，在每條曲線的末端創(chuàng)建對應跨度的點，然后繪制垂直于引導曲線并向下定向的直線。此操作用于放置橋墩帽上部的中心，并考慮橋梁可能的坡度：在實際應用中發(fā)現(xiàn)，如果橋梁的坡度為15%，橋面的下部將不再垂直于Z軸，會導致其與橋墩蓋頂部的偏移。立柱的幾何構(gòu)造非常簡單且合乎邏輯，只需提出典型的參數(shù)，如立柱的上下標高、橫向立柱的數(shù)量及其間距或截面類型及尺寸。三維生成首先是在XY平面上創(chuàng)建柱子的剖面，然后根據(jù)需求創(chuàng)建橫向柱子數(shù)量和柱間中心距離并進行復制。截面創(chuàng)建完成后，將它們沿著柱子的軸線和標高，沿著引導曲線放置，然后在截面之間進行材料提取。墩帽部位的生成與立柱的生成過程類似。基于上述建模過程，某工程中所生成的立柱與墩帽部位如圖5所示。

3 案例驗證

3.1 基于BIM技術的橋梁設計建模過程

某工程為城市內(nèi)新建橋梁，為跨越一處泄洪道，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用預應力混凝土現(xiàn)澆箱梁，下部結(jié)構(gòu)橋墩采用樁柱式橋墩以及樁柱式橋臺。橋面為雙向2車道，每側(cè)設置人行道以及非機動車道，橋梁全長120 m，該工程BIM技術進行設計建模過程如圖6所示，根據(jù)設計相關文件，對結(jié)構(gòu)專業(yè)、建筑專業(yè)和施工專業(yè)分別進行建模，并鏈接成整體模型，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特點，結(jié)構(gòu)專業(yè)和建筑專業(yè)主要分為橋面系統(tǒng)、墩臺立柱系統(tǒng)以及基礎系統(tǒng)三部分。

在橋梁設計過程中加入BIM技術，以設計成果的CAD文件利用BIM技術進行參數(shù)化建模，對結(jié)構(gòu)的各個組成部分進行了定義，并進行了虛擬創(chuàng)建和構(gòu)建。按照任何施工任務的基本原理，每個結(jié)構(gòu)部件都被考慮在內(nèi)（氯丁橡膠支座、基腳、橋墩、大梁和預制構(gòu)件、橋面、伸縮縫等）。為減少后續(xù)設計變更所帶來的工作量，該工程對基臺中的地基、橋墩和樁帽及其各自的地基、跨度、支撐線和找平、護欄等部位分別進行參數(shù)化建模，設置成BIM軟件中獨立的族。最終建立的橋梁模型如圖7所示。

3.2 BIM技術在橋梁設計中的優(yōu)勢

BIM方法的使用將確保項目不同階段之間互不干擾。為此，有必要創(chuàng)建橋梁和線性工程的模型。一旦模型制作完成，就可以使用Navisworks等程序進行時間函數(shù)干擾分析。還可以使用其他分析手段對所建立模型進行碰撞分析，以避免不必要的工程投資，在該工程中共發(fā)現(xiàn)7處碰撞問題，節(jié)省約2%工程投資。

除碰撞檢測等技術優(yōu)勢外，該工程還采用BIM技術對所需建筑材料用量進行計算分析，以達到輔助工程量計算的作用，其中該工程BIM模型中某部位細部構(gòu)造如圖8所示，采用BIM技術在施工工序模擬的基礎上進行工程量統(tǒng)計，能夠獲取更加精準的建筑材料用量、工期進度等數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對項目工期控制以及項目投資等方面的把控更加精準。

4 結(jié)論

該文對BIM技術在市政橋梁設計中的應用要點進行了深入分析，并對BIM技術在市政橋梁設計案例中的應用情況進行研究，所得結(jié)論如下：

（1）首先對BIM技術在道橋設計中的應用方式以及關鍵技術進行研究，分析了BIM技術優(yōu)勢所在。對BIM參數(shù)化建模過程進行詳細分析，得出以引導曲線為核心的建模方式的主要過程，以及建模過程中各參數(shù)輸入的要點等。

（2）對實際工程案例進行分析，明確了BIM技術在市政橋梁設計建模中的步驟，以及各模型內(nèi)涵蓋的內(nèi)容，同時結(jié)合工程實際對BIM技術的碰撞分析、工程量計算等方面的技術優(yōu)勢進行詳細論述，所建模型對于工程后續(xù)施工作業(yè)的開展具有指導性意義。

參考文獻

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