(林同棪國際工程咨詢中國有限公司，重慶 401121)

1 工程概況

1.1 工程簡介

圖1 總體布置圖(單位：m)

白沙長江大橋位于重慶市江津區(qū)白沙古鎮(zhèn)東北，是連通津北和津西片區(qū)的重要過江通道。項目全長3 160m，功能定位為城市主干路。本橋設(shè)計時速60km/h，標(biāo)準(zhǔn)路幅寬度36m，雙向6車道布置，橫斷面采用機(jī)動車道、人行道分離式布置。全線含跨長江特大橋1座，橋梁全長1 300m，主橋770m，西引橋長120m，東引橋長400m。大橋采用雙主纜地錨式懸索橋，橋跨布置為590m+180m，主纜矢跨比為1/9[1]。本橋總體布置見圖1，總體透視效果見圖2。

圖2 總體透視效果

1.2 工程特點

跨江主橋采用主跨590m、邊跨180m的兩跨懸吊半漂浮鋼箱梁懸索橋，與周邊的地理環(huán)境契合較好。主梁采用流線型扁平鋼箱梁，纜索系統(tǒng)采用雙主纜豎直吊索布置。東岸采用重力式錨碇； 為減少開挖，西岸采用隧道式錨碇，橋塔采用門型框架式結(jié)構(gòu)。結(jié)合地域文化，橋塔與錨碇外立面均采用新中式風(fēng)格，該橋各重要組成結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點詳見表1。

表1 白沙長江大橋設(shè)計特點

主要構(gòu)件特點圖示橋塔橋塔由塔柱、下橫梁、上橫梁、鞍室組成的門式框架結(jié)構(gòu)。塔柱在橫梁處設(shè)置人孔及檢修爬梯,以利于檢修人員由主梁位置通過塔柱順利進(jìn)入至塔頂上橫梁及鞍室范圍。同時,結(jié)合地域文化,橋塔外立面采用新中式風(fēng)格。主梁鋼箱梁沿橋縱向分成56個節(jié)段,主梁采用全焊正交異性板流線型扁平鋼箱梁,主梁中心位置處高3.5m; 設(shè)雙向1.5%橫坡。主梁全寬為34.8m(含風(fēng)嘴),斜底板寬為5.5m,水平底板寬25m。纜索系統(tǒng)本橋采用雙主纜豎直吊索布置,主纜跨度為590m,矢跨比為1/9; 每根主纜中含61股平行鋼絲索股,每股含127絲直徑為5.35mm的鋅鋁合金鍍層高強(qiáng)度鋼絲。錨碇東錨為重力式錨碇,上部結(jié)構(gòu)采用框架式結(jié)構(gòu),下部結(jié)構(gòu)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。西岸采用隧道式錨碇,分為錨塞體、后錨室、前錨室、鞍座基礎(chǔ)及明洞,主纜通過錨固系統(tǒng)將拉力傳遞給錨塞體。

白沙長江大橋涉及專業(yè)較廣，涵蓋道路、橋梁、結(jié)構(gòu)、排水、交通、景觀、電照等專業(yè)，并具有結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜、施工工序繁多的特點，設(shè)計過程中的協(xié)調(diào)和相互配合任務(wù)量大，需要借助BIM正向協(xié)同設(shè)計手段以確保設(shè)計產(chǎn)品質(zhì)量。因此，項目從方案設(shè)計初期開始使用BIM技術(shù)進(jìn)行三維正向協(xié)同設(shè)計，并積極引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)、3D打印技術(shù)、虛擬建造及移動交互體驗等新技術(shù)，以直觀高效地表達(dá)設(shè)計意圖，實現(xiàn)對BIM模型的賦能增值。

2 BIM應(yīng)用環(huán)境

2.1 BIM應(yīng)用目標(biāo)

在總結(jié)合川渠江景觀大橋BIM技術(shù)應(yīng)用[2]的基礎(chǔ)上，本項目進(jìn)一步細(xì)化了BIM技術(shù)應(yīng)用點，確定了BIM應(yīng)用總體目標(biāo)通過采用BIM技術(shù)實現(xiàn)項目設(shè)計全階段的正向設(shè)計——即直接在三維軟件環(huán)境中設(shè)計，以三維模型為出發(fā)點和數(shù)據(jù)源，完成從方案設(shè)計到施工圖設(shè)計的全過程任務(wù)，利用三維模型及其參數(shù)信息，自動生成所需要的圖紙及文檔，完成各專業(yè)的協(xié)同設(shè)計。

圖3 “R+GH+ARQ”協(xié)同作業(yè)平臺

表2 硬件環(huán)境

序號硬件名稱硬件配置關(guān)鍵參數(shù)應(yīng)用環(huán)境1企業(yè)服務(wù)器DELL 高性能8路金牌服務(wù)器。項目存儲,用于多專業(yè)協(xié)同數(shù)據(jù)的存儲于分享2云計算平臺炫云云計算與云渲染3高配置臺式機(jī)英特爾I7 7700K、金士頓駭客16G單條×2、華碩GTX 1080 8G各專業(yè)模型創(chuàng)建及整合, 720全景制作,效果圖及動畫渲染; 4移動終端設(shè)備ISO/AndroidBIM技術(shù)的培訓(xùn)與推廣,輔助項目技術(shù)溝通53D打印機(jī)Allcct印客橋梁構(gòu)件(塔型、復(fù)雜空間等)的推敲及優(yōu)化6虛擬現(xiàn)實HTC Vive Pre項目虛擬環(huán)境的沉浸式體驗分7高清投影儀堅果(JmGO)L6_H(1080P 全高清3500流明)三維協(xié)同設(shè)計、高效溝通交流

為進(jìn)一步拓展設(shè)計服務(wù)的產(chǎn)業(yè)鏈，引入云計算、沉浸式全景漫游、施工仿真技術(shù)及移動端交互式體驗等技術(shù)，以提升設(shè)計質(zhì)量，保障設(shè)計進(jìn)度，發(fā)揮BIM模型的附加值。

2.2 R+GH+ARQ協(xié)同設(shè)計平臺

為順利地完成項目的應(yīng)用目標(biāo)，在進(jìn)行協(xié)同設(shè)計平臺選擇時，需綜合考慮輕量化、易開發(fā)、協(xié)同能力強(qiáng)、幾何控制精確等要求。同時，協(xié)同設(shè)計軟件間應(yīng)具備優(yōu)勢互補(bǔ)、數(shù)據(jù)共享、高效協(xié)同等特點，從而便于打造智慧設(shè)計、實現(xiàn)精細(xì)化設(shè)計[3]。為避免BIM模型在不同軟件交互過程中信息傳遞過程中的丟失，本項目首次采用基于同一協(xié)同軟件平臺“R+GH+ARQ”進(jìn)行全階段的BIM協(xié)同設(shè)計平臺。該平臺集成了具有強(qiáng)大建模功能的三維造型軟件 Rhinoceros(以下簡稱Rhino)、參數(shù)化設(shè)計創(chuàng)新領(lǐng)域的設(shè)計插件Grasshopper(以下簡稱GH)、族庫存儲及信息化集成插件VisualARQ(以下簡稱ARQ)的綜合優(yōu)勢。該協(xié)同平臺充分發(fā)揮了Rhino的造型優(yōu)勢，并在此基礎(chǔ)上借助GH插件進(jìn)行可視化編程，打通了傳統(tǒng)軟件間數(shù)據(jù)難以互通的技術(shù)壁壘； 同時可高效地進(jìn)行定制化二次開發(fā)，確保數(shù)據(jù)信息的高效流通； 最后，借助ARQ參數(shù)化族庫存儲編輯功能及信息化集成能力，以IFC格式進(jìn)行BIM數(shù)據(jù)交付。故該平臺具備造型能力強(qiáng)、易于定制化二次開發(fā)、參數(shù)化程度高、模型輕量化且協(xié)作效率高等綜合性優(yōu)勢。

2.3 硬件環(huán)境

在軟件供應(yīng)商、企業(yè)IT部門及平臺管理技術(shù)人員等多方支持下，配備公用服務(wù)器、云計算平臺、高配臺式機(jī)、3D打印機(jī)、VR設(shè)備等搭建硬件環(huán)境。本項目中的硬件環(huán)境如表2所示。

3 BIM正向設(shè)計應(yīng)用

3.1 BIM正向設(shè)計流程

結(jié)合行業(yè)[4]、地方[5]和企業(yè)市政工程正向設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮本項目的設(shè)計特點及業(yè)主需求，確定本項目BIM設(shè)計應(yīng)用目標(biāo)和建模原則。為便于各專業(yè)間的高效協(xié)同，本項目設(shè)計初期制定了正向設(shè)計流程，以規(guī)范各專業(yè)BIM設(shè)計行為，保證BIM模型的信息實時交互與共享。此外，將色彩、圖層、命名、編碼、材質(zhì)、交互等制模標(biāo)準(zhǔn)嵌入至各專業(yè)各設(shè)計階段制定的三維正向設(shè)計模板中，并進(jìn)行統(tǒng)一的構(gòu)件族庫及構(gòu)件信息管理。另外，將正向設(shè)計模板文件加入到正向設(shè)計流程管理中，有效地保證了專業(yè)間的設(shè)計高效協(xié)同。本項目的正向設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 正向設(shè)計流程

3.2 BIM模型構(gòu)建

在正向設(shè)計初期，結(jié)合《重慶市市政工程信息模型設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，對BIM模型按照“項目系統(tǒng)、專業(yè)系統(tǒng)、單系統(tǒng)、構(gòu)件、零件”層級進(jìn)行模型拆分，如圖5所示。通過設(shè)定項目的建模原則、構(gòu)件編碼體系及文件命名規(guī)則，應(yīng)用專門制定的三維正向設(shè)計模板進(jìn)行各設(shè)計階段的正向設(shè)計，規(guī)范各專業(yè)的協(xié)同設(shè)計機(jī)制。

圖5 結(jié)構(gòu)拆分原則

正向設(shè)計具體操作流程如下：

1)基于參數(shù)化設(shè)計理念，針對不同設(shè)計階段，逐步深化骨架模型，并借助定制化的二次開發(fā)批量驅(qū)動族構(gòu)件，實現(xiàn)快速定位。

2)借助自主研發(fā)的三維地形地質(zhì)模型生成模塊，基于地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)，快速生成場地范圍內(nèi)的地形地質(zhì)模型。

3)對于常規(guī)族構(gòu)件，建立豐富可調(diào)的常規(guī)構(gòu)件族庫。本項目新增入庫零件1 686個，其中參數(shù)化族庫新增186個。

4)對于復(fù)雜構(gòu)件，借助企業(yè)日益完善的參數(shù)化構(gòu)件族庫及參數(shù)化設(shè)計手段，高效、精準(zhǔn)地完成復(fù)雜構(gòu)件的三維正向設(shè)計。

5)利用骨架模型獲取構(gòu)件及組件系統(tǒng)的定位信息，按照下部、上部、附屬的順序進(jìn)行構(gòu)件及組件系統(tǒng)的組拼。

6)在IFC標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上拓展構(gòu)件屬性，信息深度達(dá)到施工圖設(shè)計要求。拓展的幾何信息可通過IFC格式進(jìn)行全生命周期各階段的傳遞與共享[6]。

7)將各專業(yè)模型鏈接至中心地質(zhì)地形模型文件，實現(xiàn)模型信息的分類權(quán)限管理和實時共享，以滿足BIM正向設(shè)計協(xié)同要求。

3.3 BIM設(shè)計應(yīng)用

在方案設(shè)計階段，可快速地進(jìn)行方案優(yōu)化迭代與結(jié)構(gòu)力學(xué)性能比選。在詳細(xì)設(shè)計階段，可快速地交互有限元分析軟件，借助云計算快速完成精細(xì)化設(shè)計。最后，借助定制化二次開發(fā)，高效地完成設(shè)計信息的交互，大幅地提升了設(shè)計的效率。設(shè)計過程中實時地進(jìn)行構(gòu)件的碰撞檢查及三維可視化剖切分析，避免了傳統(tǒng)二維設(shè)計過程中的錯、漏、碰、缺，保證了設(shè)計質(zhì)量。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，設(shè)計師可實時進(jìn)行特殊功能空間及復(fù)雜節(jié)點的可視化分析，保障設(shè)計成果與信息傳遞的一致性。通過應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計手段，利用參數(shù)調(diào)整快速地完成懸索橋錨碇錨跨索股空間及其預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)等同類型構(gòu)件的設(shè)計工作。

在結(jié)構(gòu)計算方面，借助參數(shù)化設(shè)計輔助有限元模擬。通過開發(fā)與有限元分析軟件的無縫接口，可快速地進(jìn)行桿系結(jié)構(gòu)受力體系分析和多方案的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能比選，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。針對結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜和薄弱的部位，可快速地將BIM三維模型交互至三維有限元實體分析軟件，進(jìn)行實體力學(xué)仿真模擬，有效地降低了計算時間成本，保障了結(jié)構(gòu)的精細(xì)化設(shè)計。

在設(shè)計出圖方面，由于二維圖紙目前仍是行業(yè)強(qiáng)制規(guī)定的設(shè)計交付物，故需將三維模型轉(zhuǎn)化為二維圖紙。借助參數(shù)化設(shè)計手段，可批量將三維正向設(shè)計模型轉(zhuǎn)化為二維圖紙，深度滿足施工圖設(shè)計要求。由三維模型交互出的二維圖紙，一方面可以確保圖模一致性，另一方面可以實現(xiàn)便捷的聯(lián)動批量修改，形成自動化的智能交互過程。借助參數(shù)化手段將結(jié)構(gòu)設(shè)計的數(shù)據(jù)流在三維模型與二維圖紙之間快速地流通，大大節(jié)省了設(shè)計制圖時間，避免了調(diào)整帶來的重復(fù)工作量，實現(xiàn)自身價值的最大化。本項目正向設(shè)計模型的直接出圖率達(dá)60%。同時，利用“三維+二維”相結(jié)合的出圖方式，將三維模型渲染圖和二維投影圖有機(jī)結(jié)合，設(shè)計意圖更加清晰直觀。

在設(shè)計評審階段，借助輕型VR技術(shù)進(jìn)行項目沉浸式漫游、三維動態(tài)瀏覽和互動性展示，增強(qiáng)了評審專家對項目直觀的感受，使評審項目能夠達(dá)到全視角、高清晰、真實景的效果。另外，三維可視化的在線展示避免了傳統(tǒng)溝通方式中信息不對稱的情況，保證信息傳遞的一致性，有效地節(jié)省了設(shè)計溝通時間，使評審溝通方式更加靈活高效。

通過BIM技術(shù)的引入，本項目在工作效率、設(shè)計質(zhì)量、技術(shù)沉淀、溝通和表現(xiàn)方面均取得了良好的應(yīng)用效果。基于三維的BIM正向設(shè)計，有效地提升設(shè)計溝通效率，并提升了設(shè)計品質(zhì)，具體應(yīng)用效果詳見表3。

表3 BIM應(yīng)用效果

序號特點項目應(yīng)用效果1提升工作效率以參數(shù)化技術(shù)為核心,有效串聯(lián)三維幾何模型、計算交互、工程量統(tǒng)計、設(shè)計交互等設(shè)計工作,信息數(shù)據(jù)有序傳遞,節(jié)省設(shè)計周期約1個月。2提高設(shè)計質(zhì)量基于市政工程三維正向設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),并實時進(jìn)行4D施工模擬、專業(yè)間碰撞檢查,發(fā)現(xiàn)軟硬空間碰撞約60次,有效減少了“錯、漏、碰、缺”等缺陷,。3增強(qiáng)產(chǎn)品體驗通過引入云計算、實時渲染、虛擬現(xiàn)實、3D打印、輕便移動端展示等高效可視化技術(shù),大大提升設(shè)計產(chǎn)品體驗。4BIM技術(shù)沉淀基于本項目,新增零件級構(gòu)件族庫1686個,新增參數(shù)化構(gòu)件186個。通過本項目試點,助力“林同棪市政工程BIM正向設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)”的完善,規(guī)范企業(yè)BIM技術(shù)發(fā)展。5實現(xiàn)高效溝通借助在線平臺進(jìn)行專業(yè)協(xié)同正向設(shè)計,便于設(shè)計團(tuán)隊對結(jié)構(gòu)構(gòu)造及方案的探討,有效提升溝通效率,減少溝通障礙。

4 BIM拓展應(yīng)用

4.1 定制化二次開發(fā)

以設(shè)計中的實際需求為導(dǎo)向進(jìn)行定制化二次開發(fā)，逐步積累和深化參數(shù)化設(shè)計族庫，將正向設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)植入正向設(shè)計模板文件中，提升了團(tuán)隊整體設(shè)計效率和質(zhì)量。為便于地形地質(zhì)模型的高效處理，自主研發(fā)了三維地質(zhì)模型生成模塊，可快速地完成橋位范圍內(nèi)的地質(zhì)模型，并快速實現(xiàn)剖切成圖，如圖6所示。

圖6 地質(zhì)剖切成圖

在結(jié)構(gòu)性能化分析方面，通過開發(fā)與桿系有限元分析軟件Midas和三維實體有限元分析軟件ABAQUS的無縫接口，快速地進(jìn)行多方案的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析，以及對關(guān)鍵受力部位及復(fù)雜受力節(jié)點展開局部有限元分析，節(jié)省計算建模時間，提升整體設(shè)計效率，為做好結(jié)構(gòu)的精細(xì)化設(shè)計保駕護(hù)航。

4.2 云計算技術(shù)

由于懸索橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜、構(gòu)件種類繁多，計算及三維表現(xiàn)工作量大，借助云計算和云渲染技術(shù)，革新傳統(tǒng)設(shè)計流程，節(jié)省了計算和渲染時間70%以上。復(fù)雜多樣的密集型數(shù)據(jù)處理亟需云計算技術(shù)，其計算容量大、支持種類多且更新迭代速度快，一方面可以大大提升日常工作效率，另一方面也可為未來的大數(shù)據(jù)信息處理提供一個安全性高、容納大的數(shù)據(jù)處理平臺[7]。云計算渲染平臺如圖7所示。

圖7 云計算渲染平臺

圖8 施工仿真模擬

4.3 施工仿真技術(shù)

本項目利用BIM施工仿真技術(shù)實現(xiàn)了“關(guān)鍵施工節(jié)點的工序優(yōu)化、工期的合理規(guī)劃安排和最優(yōu)施工方案的確定”，解決了施工過程中碰撞及施工組織優(yōu)化等問題。設(shè)計階段通過采用4D動態(tài)模擬平臺進(jìn)行橋梁施工全過程的三維可視化技術(shù)交底，參建各方能夠直觀地了解項目總體施工方案。本項目東岸重力錨采用明挖基礎(chǔ)法，西岸隧道錨選擇控制爆破法。塔身選用爬模法，主、散索鞍由塔吊進(jìn)行吊裝。主橋鋼梁船運(yùn)就位后，中跨利用纜載吊機(jī)由跨中向橋塔側(cè)逐段吊裝； 東邊跨鋼梁從岸邊向橋塔側(cè)垂直起吊。橋塔處無索區(qū)梁段利用蕩移法移動至安裝位置，主梁架設(shè)完成后施工全橋附屬設(shè)施及檢修系統(tǒng)。關(guān)鍵施工過程如圖8所示。

4.4 移動端應(yīng)用

本項目在設(shè)計過程中整合了多種輕型移動端展示技術(shù)，借助720云平臺進(jìn)行全視角、真實景、高清晰的全景漫游。通過將項目BIM模型的關(guān)鍵視點渲染成360度全景，再將各個視點的全景圖進(jìn)行串連，最后構(gòu)建出一個虛擬的全景空間。用戶在瀏覽漫游場景時，可借助鼠標(biāo)或移動端遠(yuǎn)近距離左右操作[8]?；谌奥渭夹g(shù)將項目進(jìn)行360度全景展示，項目各參建方能夠更為直觀地了解項目設(shè)計情況。同時，借助移動端進(jìn)行互動性展示，通過方便快捷的“交互式體驗”實時進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)化優(yōu)化和迭代，增強(qiáng)客戶對項目的優(yōu)化過程更為直觀的體會，以輔助進(jìn)行更為高效的決策。本項目的全景效果圖及參數(shù)化迭代平臺詳見圖9。

圖9 移動端應(yīng)用

5 BIM應(yīng)用總結(jié)

本文介紹了白沙長江大橋的BIM正向設(shè)計方法及應(yīng)用實踐，該項目首次采用基于同一軟件平臺“R+GH+ARQ”，實現(xiàn)了多專業(yè)協(xié)同正向設(shè)計，開創(chuàng)了一種新的數(shù)智化設(shè)計模式。在正向設(shè)計過程中嚴(yán)格執(zhí)行企業(yè)正向設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和正向設(shè)計流程，通過分層級、輕量化的處理技術(shù)，解決了大跨度懸索橋BIM建模、結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計出圖等問題。通過引入云計算技術(shù)，低成本、高效率地實現(xiàn)了六維沉浸式漫游及用戶交互式體驗，為BIM模型賦能增值。針對懸索橋錨錠錨跨索股空間定位、前期地形地質(zhì)處理、參數(shù)化出圖等進(jìn)行了定制化二次開發(fā)，為復(fù)雜的大型橋梁工程全階段正向設(shè)計提供解決方案。