BIM技术在桥梁设计阶段的应用研究

常诚

(山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030006)

1 工程背景

某特大桥采用双塔双索面矮塔斜拉桥+预应力混凝土连续T梁组合结构体系，桥梁全长1 316.08 m，桥平面位于直线段上，桥面标准宽度28 m，横向布置为：1.0 m(拉索区)+2.5 m(人行道)+9.5 m(车行道)+2.0 m(中分带)+9.5 m(车行道)+2.5 m(人行道)+1.0 m(拉索区)，双向四车道设计。主桥为双塔双索面Y形矮塔斜拉桥，跨径组合为两联2×(87+160+87)=668 m，下部结构采用薄壁Y形空心墩，柱式台和肋板台，墩台桩基均采用灌注桩基础。该大桥设计形式各异，造型较为复杂，施工难度大、工期紧、任务重，因此在桥梁设计阶段引入BlM技术，创建包含完整建筑工程信息的三维数字模型，强化前期决策的及时性和准确度，提高桥梁设计效率和质量，减少后续施工期间的沟通障碍和变更返工，保障建设周期，降低项目总投资。

2 设计阶段BIM模型建立

2.1 建立构件族库

针对桥梁特点，结合设计出图习惯和施工流程，进行构件划分和编码等前期准备工作。使用Autodesk Revit软件，通过构建合理的参数，对主梁各梁段、部分钢筋钢束、桥墩、桥台、附属结构等各构件进行精细化、参数化族库建立。建模过程中，借助于dynamo和Revit的开放接口API，通过二次开发技术，对变高段梁端的1.7次抛物线等复杂弧线、主梁横隔板、箱梁0#块钢筋钢束、钢束竖弯和平弯、桥墩箱室倒角等复杂因素均进行了精确构建。

2.2 构件组装

结合桥梁路线设计信息，将桥梁所有构件族名称和参数在Excel中填写完善，通过dynamo二次开发技术，读取并自动完成全桥构件组装。

2.3 信息完善

根据要求，结合《公路工程信息模型设计应用标准(征求意见稿)》等标准，在BIM模型中完成结构形式、材料信息、施工工法和耐久性要求等信息的输入。

3 BIM应用探索

基于桥梁BIM模型，该文结合实际项目需求进行进一步应用探索。

3.1 景观设计

桥梁地处生态综合治理工程景区中，建设方对桥梁的景观要求较为重视。设计过程中，结合桥位处河谷地形、地貌和周边景观，通过调整Revit软件建立的全桥模型参数(如主桥、引桥各部分跨径、与桥梁索塔塔形、上下分割比例、塔柱断面等)，进行桥梁造型、景观与周边环境的协调设计，并通过全桥漫游和效果图渲染等手段，实现无差别地与建设方沟通，快速直观地表现出景观与工程本身的整体协调性。最终通过BIM模型渲染的桥梁效果图见图1。

图1 BIM模型渲染的桥梁效果图

3.2 深化设计

桥梁主桥部分造型较为复杂，传统的二维手段较难解决，通过BIM技术对桥梁进行了以下几方面的深化设计。

3.2.1 复杂构件精细化设计

传统二维设计中，由于无法考虑桥梁纵坡等三维空间因素，主梁拉索锚固面难以精细化设计，部分细部尺寸通常由施工单位现场确定。通过BIM技术，根据拉索在空间的角度和箱梁纵坡等因素，精确考虑其复杂的空间三维位置关系，确定锚固面的精确尺寸，并自动计算拉索长度，实现了精细化设计的同时，提高了设计效率。

3.2.2 工程量统计

BIM技术可简便快捷地从模型里读取工程量，且基于实际三维模型的工程量更为准确。相比传统二维手段，通过BIM模型计算出的全桥混凝土工程量优化约1.05%，0#块钢筋工程量优化约6.53%。

3.2.3 碰撞检查

在传统二维设计中，图纸分别绘制，不能全面反映构件之间的碰撞可能，而在施工现场才会出现的碰撞问题，会严重耗费设计人员和施工管理人员时间和精力，影响工程进度和质量。主梁0#块钢束设计较为复杂，在横桥向、顺桥向和竖向均有钢束，传统的二维设计难以准确直观地表现其空间相对位置关系，为避免施工过程中才能发现的空间位置冲突现象，通过BIM技术对其进行三维精确建模，并进行碰撞检查。

《公路工程质量检验评定标准》中提出，桥梁主梁预应力管道的梁高和梁宽方向坐标、间距的允许偏差均为0.01 m，因此，以0.01 m碰撞间距，在Autodesk Navisworks软件中对主梁0#块钢束进行碰撞检查，结果显示有6处存在碰撞，设计人员对此进行了及时调整，提高了项目设计品质。

3.3 二维施工图纸创建

桥梁在设计过程中的计算较为复杂，对构件的细部尺寸修改也较为频繁，且现阶段对于复杂构件也缺少专门的绘图软件。传统二维设计在设计时每一个视图都需要手动绘制，相类似的剖面也需要复制已有的二维图进行修改，造成工作量大、重复和效率低下。设计过程中，通过复杂构件的BIM模型，可直接生成三维视图、立面图、平面图和多个剖视图等，并辅以标注和附注添加等工作，完成相应的施工图图纸创建，这种图纸创建方式主要有以下优点：① 可保证出图的准确性和质量。通过三维模型三维投影出图，减少了传统的人工出图可能出现的缺漏错现象，另外还可考虑到箱梁纵坡等因素，相比传统的二维图更准确；② 可提高出图效率。通过BIM技术生成的工程图是与三维模型相关联的，只要三维模型发生变更，相应部位的所有工程图都随之改变，可大大降低工作量，提高设计效率，节约设计成本；③ 出图更灵活。通过对BIM模型进行任意角度剖切，并辅以标注和附注添加等，可生成各种图纸，满足业主和施工单位多种出图要求。

通过BIM模型生成的桥梁箱梁0#块一般构造图见图2。

3.4 施工技术交底

通过在Navisworks软件中对模型进行轻量化处理，并提供足够的封装性，设置密码和有效期等，供施工单位直接查看模型和信息，辅助施工技术交底。

桥梁主梁0#块钢筋有近百种，钢筋根数更是多达上万根，构造极其复杂，在Navisworks软件中对其进行分解，制作视频，辅助施工，并根据模型提供的信息数据，指导钢筋下料，提高钢筋安装合格率，减少钢筋的下料误差，减少返工、浪费现象，节约施工成本。

3.5 施工组织设计

在Navisworks软件中，通过将BIM模型和Microsoft Project编制的进度计划相结合，对桥梁进行施工组织设计，可使管理人员直观快速地了解项目实际进展，寻找制约进度的关键点，评估工艺流程、资源配置，虚拟推演施工方案，动态检查方案可行性及存在的问题，优化调整施工装备、工艺等，从而提高施工效率、缩短工期。并以动画的方式直观地进行工期工序成本等模拟，有利于建设方整体把握。

3.6 二次开发应用

在Revit软件中，通过二次开发实现了构件的快速分割，根据施工单位提供的桥墩浇筑节段大小，将设计模型中的整体桥墩分割成相应的节段，利于桥梁施工阶段应用；此外，通过二次开发实现了构件的二维码直接生成技术，二维码生成过程中，可选择性地指定生成二维码的构件参数，施工人员在施工现场可直接扫码获取构件信息，当构件信息发生变化时，管理人员在BIM软件中通过选择构件，点击“重新生成二维码”，即可通过网络自动将新二维码发送至施工现场。

图2 箱梁0#块一般构造图(单位：cm)

在Navisworks软件中，通过二次开发对数据接口开发进行了研究，直接将模型和软件的图像引擎平台导出至施工管理平台，将模型作为数据的载体，为后期资源共享、协同工作奠定良好基础。

4 思考与展望

该文以设计阶段作为BIM技术全面应用的突破口，通过BIM技术在桥梁景观设计、复杂构件精细化设计、工程量统计、碰撞检查、二维施工图纸创建、施工技术交底、施工组织设计、二维码生成和数据接口开发等方面的应用，明确了BIM技术在桥梁设计中的详细应用前景和方向。在桥梁后续阶段BIM技术的全生命周期应用中，发现以下问题并提出一些建议。

(1)部分施工管理平台的BIM模型封装性、合法性存在隐患。目前市场上有很多用于施工管理的BIM平台，有些平台读取模型时，通过其他软件作为中间软件进行处理，会造成进入平台的模型不具备封装性，在施工阶段使用时会带来隐患，该文提供的数据接口开发技术可保证模型具有足够的封装性，建议平台研发过程中，直接使用由设计单位提供具有封装性的模型，并由设计单位对模型的正确与否负责。

(2)一套模型难以在多个阶段通用。目前，不同阶段的BIM应用时，由于需求不同，往往会存在多套模型。建议设计单位建模时，充分考虑后续阶段各单位的使用需求，另外BIM软件商需加强对BIM软件平台中模型和信息的合并、分割和调整等功能的研发。

(3)BIM技术的成果提交尚不明确。BIM技术在桥梁全生命周期的应用过程中，需要在不同的阶段不断附加信息，往往会存在设计阶段模型、施工管理平台、运维管理平台、交竣工模型等多个交付成果，如何明确这些成果之间的数据流程、相互关系和法律地位，为建设方提供简单明了、详尽清晰的BIM成果，应该是今后重要的研究内容。

尽管BIM技术在目前桥梁工程全生命周期应用推广过程中还存在诸多问题与困难，完全实现桥梁工程全生命周期的BIM技术应用是一个长期的过程，需要各阶段各参与方的通力配合与共同创造。但可以预见，随着国家行业政策和技术的发展及软硬件的升级，BIM的推广应用一定具有更加广阔的发展前景。