基于BIM技术的混凝土桥梁力学信息分类方法研究

史国刚 元宇 周强 刘震豪

（1.江苏省交通运输厅公路事业发展中心，江苏 南京 210004；2.中设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014）

力学分析数据作为评判桥梁工程结构安全最为重要的依据，在确保结构安全、确定施工方案、分析桥梁病害中都将起到关键性作用。然而在项目建设过程中，力学数据难以无损传递，项目建设完成后力学分析数据无法追溯，导致后续结构安全验算难以获取设计、施工、养护过程中的历史数据，只能依靠工程人员的经验选取各材料参数，造成桥梁力学计算数据的不连续性。本文结合BIM技术，借鉴BIM构件分类思想，探索基于BIM的混凝土桥梁力学信息分类方法，通过BIM模型实现力学信息全生命期流转，为桥梁工程结构安全评判提供全面准确的原始数据。

一、力学信息分类原则和方法

（一）分类的基本原则

通过分析桥梁BIM构件和力学计算的特点，力学计算信息是针对桥梁主要受力构件的数字描述，两者描述事物的颗粒度是相同的，且存在着映射的关系。力学信息按照构件的形式进行细分，能确保数据的完整、无缺失。同时，为保障力学信息能随着BIM模型进行全生命期传递，用在细分的表格中设置与构件编码相同的表头编码（ID）的方法，实现两者的关联。

根据上述原则，不仅可以明确信息与模型的关联性，而且可以避免信息重复，确保信息的唯一性，保障后续建立力学信息数据库的准确性。

（二）力学信息的细分方法

桥梁力学信息包含的层次较广，宏观的涉及桥梁的等级，微观的涉及支座的变形。为保证力学信息划分逻辑清晰，按照力学分析过程，将混凝土桥梁力学信息分为三类：力学属性信息、力学过程信息和力学结果信息，如图1所示。力学属性信息属于常规信息，用于展现满足构件材料力学属性参数；过程信息用于分析桥梁现有载荷下的内力信息；而力学结果信息主要用于判定结构是否安全。

图1 桥梁力学分析总体过程

桥梁的力学信息是以BIM构件为载体，因此力学信息应符合构件编码的原则。按照江苏省地标《公路工程信息模型构件分类与编码规则》（DB32/T3503-2019），对桥梁的每一个构件进行编码，如图2所示。其中，部位代码采用4层7位数字型代码，用以表征单项工程、专业段、区段及左右幅；分类代码采用4层8位数字型代码，不同构件的专业代码，如桥梁→上部结构→承重结构→梁逐层递进；实例代码采用2层4位或1层4位数字型代码，用以区分每一个具体构件顺序号。

图2 BIM构件编码组成

按照上述编码的原则对构件进行逐级排列，形成了桥梁BIM特征树，如图3所示。而根据桥梁构件的承重特性，将桥梁构件分为主要受力实体构件、非主要受力实体构件和非实体构件三类，其中主要受力的实体构件（如：梁）会随着外力的作用产生不同的力学响应，包含了力学属性信息、力学过程信息和力学结果信息等三种属性，而在非实体构件（如：上部结构）上不体现力学响应，只包含通用型的力学属性信息。

图3 桥梁BIM特征树组成

二、力学信息分解

由于桥梁的主要受力构件包含了力学属性信息、力学过程信息和力学结果信息等三类，故选取桥梁上部结构中的单片梁构件作为对象，对力学信息展开细致的分解。

图4 桥梁按照构件进行力学信息分解

（一）力学属性信息分类

按照《公路工程信息模型构件分类与编码规则》（DB32/T3503-2019）对桥梁的主要受力构件进行细分，将力学的固有属性划入力学属性信息类，包含一般非几何信息和材料拓展非几何信息两类。其中一般非几何信息包含材料类型和材料型号等；而材料拓展非几何信息则可分为物理性能指标、设计强度指标等，即力学属性信息。

表2 力学属性信息分类一览表

（二）力学过程信息分类

在工程设计完成后，混凝土桥梁的形式和长度等重要指标都不会发生较大的变化，将已有固定的结构特性和计算结果信息，以构件的特点进行分解和存储，并通过编码规则，建立力学过程信息与桥梁构件映射关系。力学过程信息划分为输入信息和输出信息两种类型，输入信息是对桥梁工程中荷载类别的表述，如表3所示；输出信息则是反映构件效应值的数据，如表4所示。

表3 力学过程输入信息一览表

表4 力学过程输出信息一览表

（三）力学结果信息的分类

与力学属性信息的分类方式相似，根据每个构件的验算结果，将构件的受力结果信息分为承载力极限状态、持久状况、短暂状况及正常使用极限状况，如表5所示。

表5 力学结果信息分类一览表

三、应用实例

为方便表述，选取实际工程的空心板、小箱梁和悬浇梁三种类型的桥梁，将工程力学信息进行梳理分解，建立项目工程力学数据库，验证基于BIM的桥梁力学基础信息分类方法的可行性。

空心板桥桥跨采用3m×16m，桥宽28.25m；小箱梁桥桥跨采用2m×30m+42m+2m×29.5m，桥宽30m；悬浇梁桥桥跨采用83m+145m+83m，桥宽39.5m，桥梁属性如表6所示。

三座桥梁项目的部分力学基础信息分类数据内容如表7和表8所示。表中的ID与《公路工程信息模型构件分类与编码规则》中的构件分类编码一致，实现构件和信息的关联，非实体构件，如上部结构，包含了力学过程信息中荷载的输入信息；而对于实体构件，如梁，则包含了材料信息、输出效应和截面抗力在内的三种力学信息。

表6 桥梁工程（19-04.00.00.00）

表7 上部结构（19-04.01.00.00）

表8 梁构件（19-04.01.01.02）

在设计阶段将力学信息进行标准化，形成上述的力学信息属性表，每个属性表格均设置有唯一的表头ID编码，如空心板桥中梁构件的编码为0032010-04010102-0102，通过检索力学信息属性表格中相同的表头ID，使几何构件与力学信息属性表一一对应。在施工、养护阶段，通过BIM模型与力学信息的关联，在保证信息可追溯性的同时，也可与现场实测值进行对比，为桥梁结构安全服务。

四、总结与展望

（1）本文基于BIM信息可共享的优势，将桥梁力学基础信息进行结构化细分，使原有的设计计算书转化为数字化的信息，并可以随着BIM模型进行传递，实现了全生命期的数字化存储，在后续的施工、养护等阶段可以调用力学数据，实现力学数据的可溯源；

（2）针对桥梁工程计算文件和BIM模型的特点，提出了依据工程主要受力构件的颗粒度，将构件的力学信息划分为力学属性信息、力学过程信息和力学结果信息三种类型，在确保力学信息满足传递需求的同时，避免出现大量的重复表述；

（3）本文基于BIM的理念，针对桥梁工程力学信息分类进行了数字化探索，并分别选取空心板、小箱梁和悬浇梁等混凝土桥梁工程实例，验证了力学信息分类方法的合理性。