高風(fēng)勇

摘要 為了提高公路橋梁設(shè)計(jì)水平，文章總結(jié)了BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，建立了標(biāo)準(zhǔn)框架和設(shè)計(jì)流程框架。同時(shí)，以某公路大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，闡述了Revit軟件建立橋梁BIM模型的具體方法，分析了BIM技術(shù)在鋼筋布置、鋼筋碰撞檢查、自動(dòng)統(tǒng)計(jì)工程量、施工模擬等方面的應(yīng)用，研究成果可為類似工程提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 BIM技術(shù)；公路橋梁；三維模型；設(shè)計(jì)模擬；工程應(yīng)用

中圖分類號(hào) U442.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）08-0071-03

0 引言

近年來，橋梁工程建設(shè)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度高，對(duì)橋梁設(shè)計(jì)質(zhì)量要求越來越嚴(yán)格。在現(xiàn)階段橋梁設(shè)計(jì)中，多采用二維設(shè)計(jì)方法，直觀性差，容易出現(xiàn)不同專業(yè)間沖突、工程量統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤、設(shè)計(jì)變更多等問題，嚴(yán)重影響了橋梁建設(shè)質(zhì)量。為了解決這一問題，建議引入BIM技術(shù)（Building Information Modeling）。目前，BIM技術(shù)在工民建領(lǐng)域應(yīng)用較多，但在橋梁工程中可參考的案例較少。因此，深入研究BIM技術(shù)在公路橋梁設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用具有重要的意義。

1 BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

隨著公路橋梁結(jié)構(gòu)區(qū)域大型化和復(fù)雜化，基于CAD軟件的二維設(shè)計(jì)方法已難以滿足需求，而BIM技術(shù)可以很好解決這一問題，并提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.1 可視化

BIM是一個(gè)新型設(shè)計(jì)理念，是以三維建模軟件為核心，建立真實(shí)的公路橋梁模型。相對(duì)于二維圖紙，三維模型能詳細(xì)地展示橋梁的構(gòu)件細(xì)節(jié)及不同構(gòu)件間的空間關(guān)系，并直觀表達(dá)設(shè)計(jì)人員的意圖，有利于設(shè)計(jì)單位向業(yè)主或建設(shè)主管部門匯報(bào)橋梁設(shè)計(jì)方案。

1.2 參數(shù)化

公路橋梁在工可、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)等階段需反復(fù)地修改或優(yōu)化，尤其是大型橋梁，其構(gòu)件多且構(gòu)件之間相互關(guān)聯(lián)，其中一個(gè)構(gòu)件信息改變，與之相關(guān)聯(lián)的構(gòu)件都要修改，將大幅增加設(shè)計(jì)時(shí)間和設(shè)計(jì)成本。BIM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，修改一個(gè)構(gòu)件參數(shù)后，與之相關(guān)聯(lián)的所有構(gòu)件都可以修改，從而優(yōu)化橋梁設(shè)計(jì)工作流，如圖1所示[1]。

由圖1可知：應(yīng)用BIM技術(shù)后使得橋梁設(shè)計(jì)前期工作量增加，但能明顯減少設(shè)計(jì)時(shí)間，后期工作量大幅減少?？傮w而言，BIM技術(shù)的設(shè)計(jì)工作量更小，設(shè)計(jì)效率更高。

1.3 協(xié)同性

公路橋梁設(shè)計(jì)需與道路、交安設(shè)施、巖土等專業(yè)相互配合，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式下，各專業(yè)之間往往各自設(shè)計(jì)，缺乏溝通；溝通以word或excel文件為主，實(shí)時(shí)性較差，容易出現(xiàn)沖突。利用BIM技術(shù)可構(gòu)建一個(gè)協(xié)同管理平臺(tái)，不同專業(yè)之間可實(shí)時(shí)查詢橋梁的最新設(shè)計(jì)信息，避免設(shè)計(jì)沖突。一般情況下，協(xié)同管理平臺(tái)要對(duì)不同對(duì)象設(shè)置權(quán)限，確保在不干涉他人數(shù)據(jù)的前提下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模型的共享。

2 橋梁BIM模型實(shí)施框架分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)框架建立

BIM技術(shù)所涉及的范圍非常廣，應(yīng)用復(fù)雜，從縱向看，包括投資、勘察、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等全生命周期；從橫向看，包括參與的業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、運(yùn)維單位等。為保證BIM技術(shù)的應(yīng)用質(zhì)量，先要建立一套標(biāo)準(zhǔn)框架。參考美國的NBIMS標(biāo)準(zhǔn)，我國也提出了與本國國情更接近的開放式標(biāo)準(zhǔn)框架，即中國建筑信息模型標(biāo)準(zhǔn)（China Building Information Model Standards，簡稱CBIMS），其具體組成包括三部分：標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（數(shù)據(jù)交換IFC、信息分類IFD、流程規(guī)則IDM），解決方案（技術(shù)選擇說明、CBIMS說明、構(gòu)件詳細(xì)說明），使用指南（構(gòu)件制作、工程建模、模型應(yīng)用）[2]。

2.2 設(shè)計(jì)流程框架建立

大量工程實(shí)踐表明，BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用都是基于三維模型開展的，即建立BIM模型后，才能開展公路橋梁的結(jié)構(gòu)分析、鋼筋布設(shè)、碰錯(cuò)漏檢查、工程量統(tǒng)計(jì)、自動(dòng)輸出圖紙等應(yīng)用。

當(dāng)前的BIM建模水平尚不完善，需在不同設(shè)計(jì)階段建立不同深度等級(jí)的三維模型。由《公路工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》可知，公路橋梁的模型可劃分為L0D1.0～L0D5.0五個(gè)等級(jí)。在工可階段，模型要達(dá)到L0D1.0級(jí)，有基本的橋梁外輪廓形狀、粗略尺寸及主要的設(shè)計(jì)信息；在初步設(shè)計(jì)階段，模型要達(dá)到L0D2.0級(jí)，有近似的幾何尺寸、形狀等，要能反映橋梁大致幾何特性及主要的設(shè)計(jì)信息；在施工圖設(shè)計(jì)階段，模型要達(dá)到L0D3.0級(jí)，要有精確的幾何尺寸，能夠反映橋梁的實(shí)際外形，并包含詳細(xì)的設(shè)計(jì)信息。

3 BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

研究對(duì)象為某公路大橋，全長550 m，交叉角度為90 °，設(shè)計(jì)荷載為公路Ⅰ級(jí)，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，地震設(shè)防烈度為Ⅵ度，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1。橋梁上部結(jié)構(gòu)為箱梁，先簡支后連續(xù)箱梁為等截面，高度為1.6 m，板厚為0.2；橋梁下部結(jié)構(gòu)中的橋臺(tái)為肋式臺(tái)，橋墩為柱式墩，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，且樁基之間以系梁連接；橋面橫坡為2%，由10 cm瀝青混凝土鋪裝+防水層+8 cm水泥混凝土面板組成。

3.2 橋梁設(shè)計(jì)模型建立

國內(nèi)應(yīng)用BIM技術(shù)的建模平臺(tái)有歐特克（Autodesk）、奔特利（Bentley）、達(dá)索（Dassult）等，其中Autodesk平臺(tái)開發(fā)的Revit軟件兼容性好，支持二次開發(fā)，便于操作，在國內(nèi)的應(yīng)用也最廣；Bentley平臺(tái)開發(fā)的MicroStation軟件支持參數(shù)化設(shè)計(jì)及復(fù)雜曲面的建立，對(duì)各專業(yè)之間的配合要求高，操作界面較復(fù)雜，文件格式特殊，兼容性不好，且價(jià)格較昂貴。文件交互格式，是一款需要長時(shí)間研究的軟件，而且軟件價(jià)格較昂貴；Dassult平臺(tái)開發(fā)的Catia軟件，多用于復(fù)雜橋梁模型的建立，比如空間扭曲結(jié)構(gòu)的大橋和特大橋，可快速實(shí)現(xiàn)參數(shù)和模型的關(guān)聯(lián)，但操作較復(fù)雜[3]。

綜上，擬選擇Revit軟件用于該橋梁建模，采用參數(shù)化建模方法。在建立模型前，要在軟件中創(chuàng)建項(xiàng)目初始文件，輸入項(xiàng)目名稱、工程概況、設(shè)計(jì)人員、設(shè)計(jì)單位等基本信息。

3.2.1 族庫建立

Revit軟件未內(nèi)置公路橋梁族庫，但可利用拉伸、旋轉(zhuǎn)、融合、放樣等命令自定義族庫。

上部結(jié)構(gòu)族庫：箱梁截面的受力面積大，能承受較大的正負(fù)彎矩，可利用Revit軟件中的梁和支撐樣板定義。以箱梁下部的中間點(diǎn)為基準(zhǔn)，利用拉伸工具進(jìn)行拉伸，并添加尺寸約束。

下部結(jié)構(gòu)族庫：橋梁下部結(jié)構(gòu)包括樁基礎(chǔ)、承臺(tái)、墩柱、系梁、蓋梁等，可以在軟件中分別定義，然后用嵌套命令將其整合在同一個(gè)族文件中。以樁基承臺(tái)族為例，樁基礎(chǔ)可用圓形樣板拉伸建立，以承臺(tái)底部為參照平面，添加尺寸約束。隨后，用嵌套命令對(duì)樁基礎(chǔ)和承臺(tái)的參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，形成一個(gè)完整的族。

3.2.2 建立模型

按照橋梁設(shè)計(jì)圖紙，整理了橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)各個(gè)構(gòu)件的具體尺寸，基于上述族庫對(duì)橋梁模型進(jìn)行組裝，最終建立的模型如圖2所示。此外，橋面鋪裝層、防撞墻、橋頭搭板、錐坡、橡膠支座、護(hù)欄等附屬設(shè)施族直接附著在模型中即可。

3.3 鋼筋布設(shè)和碰撞檢查

3.3.1 鋼筋布設(shè)

鋼筋布設(shè)是公路橋梁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，其設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響了橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。Revit軟件中提供了多種型號(hào)、尺寸等鋼筋，可利用鋼筋命令布置橋梁各部分構(gòu)件的鋼筋。需注意，橋梁結(jié)構(gòu)鋼筋布置時(shí)要分區(qū)，不得一次性布置全部構(gòu)件的鋼筋，否則軟件容易出現(xiàn)“卡頓”問題。

3.3.2 鋼筋碰撞檢查

碰撞檢查是BIM技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)之一，可以在橋梁施工前及時(shí)發(fā)現(xiàn)不同專業(yè)或相同專業(yè)之間的沖突問題，以減少設(shè)計(jì)返工，確保工程順利推進(jìn)。

鋼筋碰撞有硬碰撞（接觸碰撞）和軟碰撞（間距、尺寸小于規(guī)范值）兩種。Revit軟件雖自帶碰撞檢查功能，但效率低、耗費(fèi)時(shí)間長、不便于修改，故橋梁在交付設(shè)計(jì)成果前可將Revit軟件建立的BIM模型導(dǎo)入Navisworks軟件中，利用“clash detective”命令對(duì)模型進(jìn)行碰撞檢查，具體流程如圖3所示[4]。

由圖3可知：如發(fā)現(xiàn)橋梁構(gòu)件的鋼筋有碰撞問題，Navisworks軟件會(huì)自動(dòng)生成碰撞檢查報(bào)告，報(bào)告中會(huì)顯示出碰撞點(diǎn)、碰撞位置、碰撞日期等參數(shù)。隨后，設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合碰撞檢查報(bào)告及時(shí)查明原因，修改BIM模型后再次碰撞，直至碰撞點(diǎn)清零。

3.3.3 鋼筋碰撞優(yōu)化

在優(yōu)化存在碰撞沖突的鋼筋時(shí)，要充分考慮施工的便利性，并堅(jiān)持以下原則：①當(dāng)縱向鋼筋和橫向鋼筋碰撞時(shí)，優(yōu)先調(diào)整橫向鋼筋。②當(dāng)縱向鋼筋和豎向鋼筋碰撞時(shí)，優(yōu)先調(diào)整豎向鋼筋。③縱向鋼筋、橫向鋼筋、豎向鋼筋自身通常不會(huì)碰撞，不需單獨(dú)優(yōu)化。

3.4 自動(dòng)統(tǒng)計(jì)工程量

在公路橋梁設(shè)計(jì)階段，大多是使用表格或是word文檔計(jì)算各部分構(gòu)件的工程量，使得數(shù)據(jù)相互孤立、缺乏聯(lián)系。如果設(shè)計(jì)需求更高，相應(yīng)的工程量無法動(dòng)態(tài)更新，一旦遺漏更改，施工結(jié)果可能出現(xiàn)大變更。而利用Revit 軟件中的“明細(xì)表”命令可直接提取出橋梁各部分構(gòu)件的工程量。如果修改了橋梁模型中的部分構(gòu)件，明細(xì)表中關(guān)于該構(gòu)件的工程量會(huì)自動(dòng)更新，大幅節(jié)約了設(shè)計(jì)人員的統(tǒng)計(jì)時(shí)間。

Revit軟件中的橋梁結(jié)構(gòu)工程量明細(xì)表可自定義，自定義內(nèi)容有字段、過濾器、排序、外觀等，具體見表1：

為了驗(yàn)證Revit軟件統(tǒng)計(jì)工程量的可行性，自動(dòng)提取了橋梁不同直徑鋼筋的重量，并與手工計(jì)算的工程量做對(duì)比，并定義了絕對(duì)誤差C，見式（1）。一般情況下，A值越小，BIM技術(shù)的應(yīng)用效果越好[5]。

（1）

式中，R——人工計(jì)算值（t）；S——軟件計(jì)算值（t）。

不同直徑的鋼筋工程量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖4：

對(duì)于直徑為8 mm、10 mm、12 mm、16 mm的鋼筋，其絕對(duì)誤差C分別為0.60%、0.36%、0.18%、0.32%，平均值為0.36%，總體誤差較小，滿足工程建設(shè)需求。

3.5 施工模擬

該公路橋梁的總體施工工序?yàn)闃痘盗骸罩w梁—箱梁—端部橫梁—橫向濕接縫—橋面鋪裝—橋面線。利用BIM技術(shù)對(duì)施工工藝復(fù)雜的部位進(jìn)行施工進(jìn)度模擬（在BIM模型中加入時(shí)間線），可檢查設(shè)計(jì)施工工序的合理性，優(yōu)化資源配置。

4 結(jié)語

該文研究了BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)、實(shí)施框架及具體工程應(yīng)用，研究成果表明：

（1）將BIM技術(shù)應(yīng)用于公路橋梁設(shè)計(jì)中可很好地實(shí)現(xiàn)可視化、參數(shù)化、協(xié)同性，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

（2）在實(shí)際項(xiàng)目中可基于CBIMS標(biāo)準(zhǔn)開展橋梁設(shè)計(jì)，并結(jié)合設(shè)計(jì)進(jìn)度來選擇BIM模型深度等級(jí)。

（3）橋梁BIM模型建立應(yīng)優(yōu)先使用Revit軟件，需先定義上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的族庫，并結(jié)合設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行拼裝。

（4）基于BIM模型可實(shí)現(xiàn)鋼筋布置、鋼筋碰撞檢查、自動(dòng)統(tǒng)計(jì)工程量、施工模擬等功能。

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