基于BIM技术的复杂立交桥协同设计*

宋福春， 谢利斌， 李孟臣， 刘鉴霆， 张国强

(沈阳建筑大学 交通工程学院， 沈阳 110168)

路桥工程线长面广，作为城市建设的重要基础设施工程，是城市建设的重要组成部分，不仅影响到城市居民的日常生活和交通出行，而且在很大程度上反映了城市的文化和经济发展水平，作为桥梁的建设与城市其他建设相辅相成，成为了城市发展的一个重要标志[1].

基础建设具有独特的多样性，特别是在桥梁工程中，所包含的工程项目较多，多专业共同协作完成一项工程，但在工程管理上存在一定难度[2].本文研究了BIM技术对桥梁工程建设的影响，因立交桥结构形式复杂、受力分析要求高、异形构件多等因素，运用二维设计方法不能全方位概括到[3].因此，运用三维建筑信息模型可以解决立交桥中特殊的异形构件建模[4]，让其各专业在一个平台上沟通，减少交叉作业的错误率[5].本文对BIM技术在复杂立交桥设计中研究了一套实际应用的方法，进一步让BIM技术在桥梁工程中落地，为后续研究BIM技术的工程技术人员提供参考[6].

1 工程背景

沈阳市南北快速路修建缓解了交通压力，保证了沈阳市中心城区交通畅通，使具有一定规模的中长距离交通能与短距离交通进行有效分离，同时让城市内部道路与环路之间能有一个合理的过渡与衔接.

南北快速路南端需要与青年大街快速路和二环无信号城市环路进行连接，其立交结构形式复杂，共23个匝道，占地面积约33万m2.立交工程匝道编号按照英文字母从A至Z编排.其中，A、B横断面设计为0.5 m(防撞墙、护栏)+8 m(机动车道)+0.5 m(防撞墙、护栏)；C、J、W横截面设计为0.5 m(防撞墙、护栏)+9 m(机动车道)+0.5 m(防撞墙、护栏)；E、F、H、Q、L横断面设计为1 m(土路肩)+9 m(机动车道)+1 m(土路肩)等.五爱立交桥上部结构分预应力混凝土连续箱梁、普通混凝土连续箱梁和钢箱梁三种结构形式.其中，匝道AO预应力混凝土连续桥桥宽分为7、9、16 m三种，局部跨径箱梁变宽过渡；钢箱梁桥宽分别为7、9、10、12.5、16、17.5 m六种，S线框构桥箱宽25.6 m，横向分两箱，箱长51.61 m，顶底板厚0.8 m，侧墙厚0.8 m，中墙厚0.6 m，箱高7.0 m.框构桥主体采用钢筋混凝土框架结构，由西向东采用顶推施工.

2 模型建立

软件的应用是BIM技术的基础，BIM主流设计类软件有四个系列[7].首先是Autodesk-Revit系列软件便于操作，操作界面简单，且具备海量对象库(object libraries)，该对象库能够由第三方来开发、扩充与完善；具备在各个视图下与三维模型双向关联的功能，模型数据能够进行全局实时更新，建模的准确性极高，可避开重复作业；Revit建立的模型能够根据路径实现三维漫游作业，从而解决了项目各参与方的交流与协调问题，便于沟通与协作.其次是Bentley-Bentley Architecture系列、Gra Phisoft/Nemetschek AG-Ar-chi CAD系列和Tekla Corp系列软件，在建立BIM模型方面都具有很强大的功能，在设计方面的应用也非常广泛.但是，对这三个系列的软件进行熟练掌握却很难，并且与Revit系列软件相比，这三个系列软件对象库的数量不够丰富，且与其他软件不太容易实现互导，在建立复杂形体时，降低了建模效率[8].

综上所述，本文采用Revit系列软件进行建模，再结合Civil 3D能够在实际地形文件上建立路线模型，Dynamo软件能够建立参数化异形模型，适用于复杂特殊结构的模型建立，从而满足对于沈阳五爱立交桥建模的需要.

族的优点是在建模过程中可以直接调取，利用族库事先建好的参数化构件模型直接建模，只需调整构件模型在整体模型中的位置即可.这样能够大大缩短建模的时间，提高建模的效率和准确性，而且可以将建立好的构件族保存到族库当中，方便以后调用，极大地减少了重复性工作[9].

2.1 族的建立

在Revit正常运用中，将其构件称为单元族，现阶段软件已经自带大量的族，绝大多数都是建筑结构系列族，对桥梁构件这种异形体还未成体系[10].

因此，本文运用Revit Structure给出了拉伸、融合、旋转、放样、放样融合五种方法，对桥梁桥墩、桥台、上部结构、排水装置、栏杆、防撞墙和交通标志等其他附属设施进行建立.在Revit中创建的构件都是参数化模型，根据二维图纸给定的数据，运用专门的族模板建立桥梁族.

Revit中族库模块功能的强大就在于在设计过程中需要相应的构件直接调取族库事先建好的参数化族，可以对桥梁异形构件长、宽、高进行相应修改，避免重复建立，加大工作量，仅需要在导入后对其位置进行适当调整，可以提高建模的效率和质量.

2.2 族库的建立

BIM核心建模软件推出三种建模样板，分别是Revit Structure(结构)、Revit Architecture(建筑)和Revit MEP(机电)，它们具有建立族的功能.本文采用Revit Structure(结构)创建结构模型，建立的立交桥族库构架图如图1所示.

2.2.1 基础族的建立

五爱立交桥的基础采用钻孔桩基础，采用Revit族样板文件建立基础族库，并对五爱立交桥每个标段承台基础的尺寸和标高等参数进行修改.将墩台材质设置成现浇混凝土，并且将每立方的价位输入，得到的四桩承台三维视图如图2所示.

图1 立交桥族库构架图Fig.1 Architecture diagram of library family of overpass

图2 四桩承台Fig.2 Four pile cap

2.2.2 桥墩族的建立

桥墩根据上部结构宽度不同，采用不同类型的桥墩，上部结构宽7、9、10、12.5、16 m的桥墩横桥向呈Y型，呈花瓶式形状.上宽下窄，在Revit自带族库中，桥梁异形构件几乎为零，运用Revit自带的结构柱样板会给建模参数带来弊端，因此，本文运用Revit中常规模型样板来建立上部结构不同的桥墩模块，在建立过程中将桥墩分为三部分，支座、有弧度Y型上半部分以及Y型下半部分.支座建立相对其他部位容易些.运用软件的拉伸命令对其进行长、宽、高的设置，建立完成后再经过对称处理，桥墩的支座全部建成，结果如图3所示.之后通过拉伸和空心命令进行桥墩下部建立，结果如图4所示.

图3 桥梁支座制作Fig.3 Production of bridge bearing

最后运用软件的放样、融合以及拉伸命令进行桥墩上部结构建立，结果如图5所示.将所有建立后的构件拼合，并将其每个连接部位锁定，以免影响在项目中改动参数出现错误.建立后将桥墩导入项目中，就会得出桥墩长、宽、高以及体积相关参数，可以根据桥梁设计大小进行改动.

图4 桥墩下部结构建立Fig.4 Building of bottom part of bridge pier

图5 桥墩上部结构建立Fig.5 Building of upper part of bridge pier

2.2.3 预制梁的建立

五爱立交桥预制梁是空心结构，采用同截面钢筋混凝土箱梁.在钢箱梁中配筋比较复杂，在建模过程中要注意定位准确，以及在设计过程中对预制梁的坡度以及转弯要详细处理.

在Revit中建模，通过对尺寸进行把控，运用拉伸和放样命令建立，对实体按照设计图纸要求进行拆改，尤其在异形部位进行细节优化，需要进行连接融合显示其空心效果，结果如图6所示.

图6 预制梁创建Fig.6 Creation of precast beam

预制梁族库全部建成后导入到项目中进行相关参数的调试，对每一段梁设计其大小，在相关参数设置后进行拼装，组建立交桥.在搭建完成后，将每一个接口锁定，包括混凝土预制梁、桥墩和其他附属设施(防撞墙、路灯、排水设施等).

2.2.4 其他附属设施的建立

在Revit中运用公制常规模型对其护栏、防撞墙以及路灯族进行建立.护栏可以运用Revit自带栏杆和路灯族进行相应优化，对设计要求部位逐步改动后即可利用，不需要太复杂程序，节省了大量时间.对于防撞墙Revit中没有相关异形族，需要设计者进行族库建立，运用拉伸命令设计直线防撞墙，运用放样命令设计弯曲防撞墙，最后将其导入项目中，与项目进行拼接.

2.3 Revit全桥模型的建立

构件族完成之后建立一个结构项目文件，根据实际地形、地质条件适当展开，分别将建立好的地形、基础、桥墩、主梁导入到项目文件中，调整构件在项目中的位置，将立交桥的直线段拼接.对于转弯较小的匝道，利用Dynamo进行编程建立模块.调整各个构件在项目中的位置即可得到完整的项目模型，整体立交结构如图7所示.

图7 整体立交结构Fig.7 Whole overpass

3 立交桥线型设计

由于城市立交桥地方狭窄，现场实际规划很难落地，以及多大的道路净空造成工程浪费，尤其是多层立交复杂的道路关系让还未引进BIM的传统设计方法在控制净空时变得异常繁杂[11].

利用Civil 3D软件功能将五爱立交桥高程区域导入，使用三角网体积曲面直观显示复杂立交桥的选线，按照地形曲面的创建思路，利用等高线、特征线和边界线创建设计曲面.

4 匝道参数化建立

Dynamo作为一个编程软件，将复杂的异形构件经过参数化的整合，对于匝道尤其在弯曲部位，运用Revit创建加大设计难度，并且准确度较低.利用Dynamo进行参数编程，较好地处理了这一问题，让部分桥梁构件接口达到优化处理.

将Revit与Dynamo进行参数联动，避免了Revit对异形体建立的弊端，相互交换使模型更加完善，达到建筑信息模型全生命周期的管理.运用Dynamo中Bridge节点包快速建立桥梁模块，在AutoCAD中画出预制梁平面图，导入Revit中作为底图，根据相应比例在Revit中翻模，最后在软件Revit附加功能中启动Dynamo，在Dynamo中进行放样，整合结果如图8所示(单位：cm).将Dynamo编程结束的匝道导入Revit软件中进行连接，通过BIM三大核心软件将复杂立交桥进行完整设计，达到最初预期效果.

图8 Dynamo异形构件整合Fig.8 Integration of Dynamo heteromorphic components

5 结 论

本文通过分析得出以下结论：

1) 利用三个软件建立信息化的参数模型，其中涵盖与整个项目相关的大量信息服务于建设项目的设计和整体运营等整个生命周期，为提高生产效率、保证生产质量、节约成本、缩短总工期等发挥出巨大的优势作用.

2) 对于复杂异形构件，通过运用软件Dynamo建立桥梁匝道族库，并且把族库共享化，之后让更多BIM桥梁工程师加以参考，在此基础上不断地更新与完善这个族库，使其BIM技术在桥梁工程设计中的应用具有极大地帮助作用.

3) 在BIM设计图纸时，每个构件信息已成参数化，图纸具有联动性，在施工过程中，有设计图纸问题，只需修改图纸的局部，包括工程量在内的其他部分可以自动进行修改，从而解决了人工修改图纸容易遗漏、出错的问题，极大地提高了出图效率.

4) 经过三大软件的协同配合，对结构进行可视化，模拟施工人员施工，对所设计的桥梁结构进行优化，能够使设计出来的桥梁结构不仅符合结构要求，而且能够便于施工，减少错误发生的概率.