技术创新让天堑变通途

文｜本刊记者 汪莉莉

党的十九大指出，经过长期努力，中国特色的社会主义进入了新时代，这是我国发展新的历史方位。建设交通强国，是以习近平同志为核心的党中央对交通运输工作的充分肯定和高度信任，也是对交通运输工作的高度重视和殷切期盼。相关数据显示，目前我国公路桥梁数量已超过80万座，高铁桥梁累积长度超过1万公里。桥梁已成为中国建造的靓丽名片。

随着重大交通基础设施建设的不断完善，大型、特大型桥梁工程项目越来越多，这对桥梁设计与施工提出了更高的要求。桥梁工程项目的建设不仅涉及到复杂的地理环境，而且涉及多项复杂工程。目前，大型桥梁工程项目的设计通常还是依靠传统的二维图纸，并通过合图来分析设计中存在的问题和冲突。然而由于桥梁工程自身的特点，其设计复杂、构件繁多，仅依靠传统的二维图纸很难提前检测或发现设计中存在的问题，这些设计冲突往往在施工阶段才能发现，从而影响了项目的建造进度和成本。

探索桥梁项目BIM应用路径

BIM技术的出现，使桥梁施工设计从传统的二维设计转变为三维设计。使用基于BIM的软件系统，在设计过程中可以随时直观地看到结构的三维模型，这个三维模型不同于CAD中的三维模型，它包含结构构件名称、生成方法、与构件的逻辑关系等信息。

以嘉鱼长江公路大桥项目为例，该项目位于湖北嘉鱼县境内，路线起自洪湖市燕窝镇团结村，接在建的武汉城市圈环线高速公路洪湖段，跨越长江后，止于嘉鱼县新街镇，接在建的武汉城市圈环线高速公路咸宁西段，全长约4.7公里，大桥主跨920米，其中，跨越长江主桥长1.75公里，按双向六车道高速公路标准建设，设计车速为100公里/小时，桥面宽度为33.5米，是目前世界上最大跨径非对称混合梁斜拉桥。2018年7月，嘉鱼长江大桥南主塔成功封顶。

众所周知，BIM技术的应用前提是建模，模型的深度和方式决定了BIM能为项目带来哪些价值。对于特大桥工程而言，建设过程中利用BIM技术将带来巨大的工作量，而要达到施工要求的模型精度，对于人力和计算机硬件的要求也非常高。

湖北省交通规划设计院股份有限公司项目负责人陶辰亮表示，目前业内大多数的桥梁工程项目在BIM应用上选择了先设计后建模的方式，整体模型的精度达到初步设计的要求，再根据项目的实际情况，选择某些部分进行深入设计，这种方式会带来大量的重复劳动。这种情况下，应用BIM技术投入大，但是产出非常低，这种BIM应用并不是湖北省交通规划设计院想要的。湖北省交通规划设计院希望应用BIM技术实时有效解决工程技术问题，并真正体现BIM的实际应用价值。

实际上， 对于桥梁工程而言，难以借鉴建筑领域成熟的BIM经验，需要探索一套基于桥梁项目思路的BIM流程、语言、规则、标准和配套工具。特别是特大桥桥梁BIM项目，面临体量大、构件杂等难题，在BIM应用的第一步建模上就困难重重。对此，陶辰亮认为，桥梁工程项目BIM应用需要找到一套提高桥梁BIM建模的方法，并着手形成一套BIM正向设计体系，在这个体系中建模效率是最重要的因素之一。通过在嘉鱼长江公路大桥项目的BIM技术实践以及对比验证，湖北省交通规划设计院找到了一条高效的桥梁BIM设计方案，并建立了一套设计体系，不仅大幅提高了设计项目的设计精准和设计效果，还为施工建设过程当中提供了可靠的指导和优化方案。

优化设计方案

大型基础设施项目从立项开始，历经规划设计、施工、验收、交付等诸多环节，在这漫长的过程中充满了众多不确定因素。应用BIM技术对项目进行设计、建造和运营，将各种建筑信息集合成一个整体，并使项目相关方能够协同合作，不仅能为整个建筑行业带来巨大效益，同时也可以使设计、施工、运营项目全生命周期以及工程质量和管理效率得到显著提升。

针对嘉鱼长江公路大桥项目，湖北省交通规划设计院股份有限公司制定了完整的BIM设计流程，利用相关BIM软件及企业自有平台，涉及规划、设计、施工一条龙流程。同时还制定了完善的BIM设计标准，包括项目实施指引、成果交付标准等等。

在方案选取之初，由于行业主管部门对嘉鱼大桥跨越航道的严格要求，项目方案始终不能确定，因此在航道深红线进行分析对比，综合分析了洪水期、中水期、枯水期的桥梁情况，从而得出桥梁的主跨必须在650米以上。同时，结合主跨必须在650米以上的要求，加上航道管理和经济性指标，项目团队提出800米+200米的桥跨方案，虽满足通航要求，但占用了较多的航道，并不是最佳方案。遂又提出了250米+800米+250米的方案，水域宽度达到1300米，也满足船型的通航要求，对航道的影响也较小，但是对上行船舶的航行安全影响较大。多番对比后，最后选择了920米+330米的设计方案，既为通航安全留出了空间，又满足了行业主管部门提出的通航要求。在这一过程中，BIM技术极大的提高了设计效率，通过BIM模型为具体的设计方案提供可视化演示，优化设计方案，并将为后期实际施工现场的场地布置、人员配置，优化施工组织设计。

项目团队将设计模型导入到专业的桥梁分析软件中，继续细化设计模型。桥梁模型的搭建和图纸绘制，表格编制完成则代表BIM模型搭建的初步完成。为了实现这个目标，项目团队通过软件的二次开发，将适用的软件由建模软件自动特定路线上进行组装，组装完成后即可得到桥梁的整体BIM模型。

在工程的施工图设计流中，按照工程模块考虑，完成工程施工图的设计。项目中所有的施工图、工程统计表都是包含在BIM工程通用模块中，连同工程说明一同在内。“现在看到的图纸并不是实际项目的图纸，而是通用的工程图模板，一旦组装好模型，这些图纸就全部自动生成，这才是我们BIM正向设计的目标。”陶辰亮解释道。

设计体系BIM模型不仅能够导出施工图，还可以导入力学软件中进行分析，并在分析过程当中得到相应的应用图，包括对拉索的分析，对于模型的分段检测分析等。一直以来，钢筋和应力钢筋一直是桥梁工程的难题之一，往往造成大量的返工，通过BIM模型的搭建可以准确发现碰撞位置并进行优化设计。在嘉鱼长江公路大桥项目的BIM应用过程当中，总共解决应力钢筋等重难点碰撞问题上千处。

实现BIM正向设计

嘉鱼长江公路大桥项目的一大创新是桥梁主体结构施工图的BIM正向设计，此环节大幅提高了桥梁设计的效率，实现参数化、模块化、结构化。参数化设计是BIM设计的重要指标，BIM是建筑信息模型，其中包括几何信息和非几何信息，参数化设计是赋予模型几何信息的必要途径，参数化设计不仅赋予信息模型，同时参数化程度与建模效率的高低成正比。陶辰亮表示，本项目完整的参数化体系能够真正实现关联设计，在模型上找到桥墩和线路关联，混凝土结构与钢筋相关联，在项目中做到信息与模型关联，模型与图纸关联，真正实现一处修改处处更新。

同时，嘉鱼长江公路大桥项目还引进了制造业经典的设计理念——模块化设计，这一理念也与国家正在提倡的工业化装配式非常契合。模块化设计有零件组成部件，部件组装成标准模块，从而形成项目模型。打破了传统BIM施工图设计标注线性处理繁复的瓶颈，大幅简化了施工图出图流程，并降低了工作量。项目团队将桥梁设计分为若干组的超强参数化模块，设计时仅需通过模块参数化、工程测试表，即可自动生成模型。

嘉鱼长江公路大桥项目规模庞大，构件繁多，想要寻找某处细节模型无异于大海捞针。通过该项目的实施，湖北省交通规划设计院积累了大量设计模型库，其中标准模块库76种，包括桥墩、桥塔以及主梁。桥梁BIM结构化管理体系不仅解决模型使用性问题，还能通过控制，大幅优化模型性能，减少对计算机硬件的要求。在这套BIM设计体系下，桥梁工程师不必花费很大代价去学习BIM软件，只需要学会工作流程，通过短期培训就可以开展工作，大大提高工作效率，减少人员配置的要求，为工程师减负，从根本上优化桥梁设计人员的分配和分工。此外，在构件库的管理方面，项目团队进行了多层次管理，标准模块可以灵活、迅速、精确进行变化，严格按照参数化、模块化、结构化的标准体系施工，从而确保相关设计经验逐渐积累成企业资源。

桥梁工程项目BIM设计目前仍处于起步阶段，湖北嘉鱼长江公路大桥项目，前瞻性地提出了系统化的桥梁主体结构正向设计原理和标准，在项目中开展了参数化和模块化设计以及结构化管理的具体实践，不但取得了良好的效果，积累了有益的经验，同时也为BIM正向设计的发展做出了积极的表率。