常泰长江大桥主塔沉井结构BIM正向设计应用

郭 衡,傅战工,谭国宏,杜 勋,唐 超

(中铁大桥勘测设计院集团有限公司,武汉 430056)

引言

BIM技术进入中国工程行业已有十余年时间，近年来已成为整个土木工程领域发展的热门。BIM技术在建筑设计行业应用发展极为迅猛[1]，无论是应用在复杂建筑结构中亦或是在整个建筑行业里。但是对于桥梁工程[2]，BIM技术的应用才刚刚走上探索的道路。BIM技术开始应用于桥梁建设方面，检测钢筋碰撞、三维可视化辅助施工、施工组织管理、钢结构加工、三维算量等。而在桥梁设计方面，其应用仅是局限于标准梁型、标准墩台结构设计，对于大型特殊结构桥梁设计还仅是处于后期翻模的技术阶段[3]，使用BIM建模进行检查纠错、工程数量核算、指导施工。

对于大型复杂结构桥梁的BIM正向设计，潭江特大桥设计对钢箱梁进行了正向设计参数化建模[4]，南京浦仪公路西段跨江大桥设计提出了“生长的模型”理念[5]，合川渠江景观大桥、白沙长江大桥设计上提出的R+GH+ARQ协同设计理念[6-7]等。BIM正向设计的研究正处于刚刚起步阶段，如何运用BIM自身参数化、三维可视、信息集成的优势，高效的进行方案设计、模型建立、图纸绘制还需进一步深入研究。

本文以常泰长江大桥主航道桥主塔沉井结构的设计为背景，进行BIM技术全过程正向设计的应用研究。设计重点研究了建立复杂钢结构模型的思路、BIM模型出图、BIM参数化设计以及实现正向设计的工作流程等方面问题。

1 工程概况

常泰长江大桥主航道桥方案采用双塔公铁两用斜拉桥，主桥孔跨布置为142 m+490 m+1 176 m+490 m+142 m，全长2 440 m(图1)。大桥采用双层桥面，上层布置双向6车道高速公路，下层为非对称布置，下游侧为双向4车道一级公路，上游侧为两线城际铁路[8]。主塔采用“钢-混凝土”混合空间四肢塔结构，两个主塔基础采用沉井式基础。为了减少冲刷深度，降低沉井自重，基础采用了上部结构尺寸小，下部结构尺寸大的台阶型沉井基础，截面为圆端形[9-10]。

图1 常泰长江大桥立面布置(单位：m)

沉井总高72.0 m，其中混凝土承台厚8.0 m，沉井钢壳高64 m。沉井钢壳竖向共分10个节段(图2)，每个节段切分为若干个分块，底节段共切分10种类型分块，合计共46个块段[11](图3)。

图 2 沉井钢壳立面布置(单位：m)

图3 沉井钢壳底节段平面布置

2 建模思路

2.1 指导思路

常泰长江大桥主航道桥全桥均采用BIM正向设计，结合运用“自底向上”(bottom-up)和“自顶向下”(top-down)两种BIM建模方法[12]，总结出一套适用于大型复杂结构桥梁的建模思路。

“自底向上”建模指首先进行基本构件设计，然后根据各个构件之间的位置关系组装成基本结构，最后将多个基本结构组装成总体结构。“自顶向下”建模指首先进行总体结构设计，然后将总体结构划分为多个基本结构，再将基本结构划分为多个基本构件并进行细化设计，最终回拼组装出总体结构[13]。

2.2 总体建模思路

(1)建立沉井结构总体模型；

(2)将总体模型划分成若干水平节段模型；

(3)将水平节段模型划分成若干分块，衍生出分块进行构件细节设计；

(4)提取分块实体模型的外立面作为参照面，建立沉井分块模型的外侧钢面板；

(5)以参照面，绘制水平支撑型钢中心线，绘制水平环板、水平节点板草图；

(6)绘制竖向支撑型钢中心线，绘制面板竖向加劲肋中心线，竖向节点板绘制草图；

(7)以型钢中心线为基线插入型钢结构件，建立节点板，环板；

(8)完成支撑桁架建模，检查结构碰撞，构件调整，完成沉井钢壳模型建模。

整个沉井钢壳的建模思路是“自底向上”和“自顶向下”方式的结合，如图4所示。图4中，步骤1～6是“自顶向下”的建模思路，在步骤7～8中则采用“自底向上”的建模思路。

图4 沉井钢壳总体建模思路

2.3 具体建模思路

(1)总体模型建立

以完工阶段沉井结构为目标建立总体模型，即是考虑在钢结构井壁内已全部填充混凝土，形成一个封闭的钢混实体结构，见图4步骤1所示。初拟模型几何参数，将沉井平面尺寸、井孔尺寸、井壁壁厚、井壁倒角等重要驱动尺寸进行参数化定义。基于模型进行沉井总体计算，在模型中快速提取结构数据用于计算。根据计算结果，确定结构尺寸，调整参数以驱动模型修改[14]。沉井总体模型为粗精度模型，模型主要为体现结构总体布置及尺寸情况，故不考虑榫头、刃脚等复杂细部结构。

(2)节段、分块模型划分

将总体模型根据设计在竖向划分成若干水平节段模型，如图4步骤2所示。对榫头、刃脚等节段进行细部构造建模，定义细部尺寸。以模型为依据，进行沉井节段浮运下沉计算，根据计算结果反馈修改构件细部尺寸。完成节段划分后，在节段模型基础上进行分块模型划分，得到沉井分块模型，如图4步骤3所示。将需要精细设计的分块模型进行衍生操作，提取分块。

(3)以分块外立面进行支撑结构设计

对精细设计的分块模型进行外立面提取作为钢结构建模的参照面。由参照面建立分块外侧钢面板、隔舱板等，如图4步骤4所示，生成分块板件模型。由参照面定位水平支撑型钢所在平面，绘制水平型钢中心线设计，同时绘制水平节点板及水平环板草图，在水平环板上对外面板竖向加劲肋进行定位，如图4步骤5所示。重复上述操作绘制竖向支撑型钢中心线、竖向节点板草图以及外面板竖向加劲肋中心线。根据沉井施工阶段受力要求进行沉井支撑钢结构计算，调整型钢布置、确定型钢规格及长度。

(4)插入型钢构件

以上的建模流程都是按照“自顶向下”方式完成，如继续按照此思路建模，应是对每一根型钢进行独立建模、端头处理。但通常沉井内部的型钢多为工厂定型产品，为便于工厂制造，设计中会尽量合并规格、长度相近的构件。重复对相同型钢建模的思路势必会极大降低建模效率。因此在桁架建模步骤中采用了自底向上的建模思路，先对所有需要使用的钢构件进行单独建模，形成一个标准型钢构件库[15]。在桁架建模过程中，从构件库中挑选相应型号的型钢，依据设计中心线组装回结构模型之中，即完成型钢构件插入，如图4步骤6所示。为满足型钢构件焊接空间、构件碰撞情况，在构件库中对标准型钢构件统一进行端头切角、拉伸等处理。

(5)完成桁架建模，检查模型碰撞

进行节点板建立，通过阵列、镜像命令完成所有钢桁架结构建模，生成分块桁架模型。最后与分块板件模型组装在一起得到完整钢结构分块模型。对模型进行碰撞检查，调整问题构件，最终得到满足设计要求的沉井钢结构分块三维模型。

3 BIM研究要点

3.1 BIM模型出图

根据设计出图标准，在BIM软件中进行图框的绘制及标注样式的设置。将含有标注样式信息的图框作为绘制工程图模板发放给设计人员，统一所有人员的图面标注风格，达到出具统一风格工程图的目的。

对于复杂的沉井结构，以往绘制的图纸具有很强的专业性，对识图人员的空间识别能力要求很高，对结构不甚了解的人员无法快速理解图纸所表达的信息。项目结合BIM的三维可视性及出图随意剖切的功能[16]，总结出一套“自顶向下”的图面摆放方式，能够帮助非设计人员快速读懂图纸。

在图纸总起页分别放入沉井总体三维图、节段图、节段平面划分图，分块的三维图及分块的立面图、俯视图。识图人员通过总起页可快速了解分块所在位置及分块的总体布置情况。在立面图和俯视图中分别标识出后面绘图所有剖切面的位置，让识图人员能快速的理解结构剖切面的信息。在剖面图的表达页面辅佐局部复杂结构的三维视图，以帮助识图人员理解，如图5所示。

图5 沉井BIM出图

3.2 参数化设计

合理应用BIM技术参数化的特点可大幅提升BIM设计效率。通过BIM软件可实现建模参数与EXCEL文件交互的功能[17]，在建模初期，在EXCEL中定义所有模型的重要参数。开始建模所输入的参数值并不代表最终设计参数值，在通过总体结构计算、沉井下沉计算后，对总体参数修改可直接驱动整体模型修改，并且联动修改由总体模型衍生而成的节段、分块模型及图纸。同理，在通过细部结构计算、钢结构计算之后，修改相关构件参数，驱动修改构件库中的型钢杆件，并在模型中自动更新杆件信息。

3.3 并行设计与协同工作

为提高设计效率、缩短设计周期，结合BIM参数化、信息集成的特点，本项目在设计过程采用设计计算、模型建立的并行设计方式。在进行沉井整体和局部计算的同时开展详细的建模及出图工作。在完成所有计算后，对定义的参数进行更新，驱动模型以及图纸的同步更新，达到缩短设计周期的效果[18]。

在多人配合设计过程中，协同信息的传递及更新尤为重要[19]。由顶至底的信息传递以及底层设计信息的实时性直接关系到最终设计成果的精度情况。此次设计项目通过研究BIM软件的模型衍生及修改联动的特点，实现了设计人员协同工作。总体负责人进行整体模型建立、总体计算，模型节段及分块的划分，将需要详细设计的分块单元衍生成为下一级模型，分发给具体设计人员，同时将EXCEL参数表、型钢构件库进行分发。设计人员无法修改衍生的模型文件，只能在衍生模型上进行后续的详细设计。此方式既保证了模型的正确性又保证了所有设计工作的一致性。同时，下级模型蕴含了分块的位置信息，完成分块详细建模后可回拼到整体模型之中，最终可生成完整钢结构沉井。在设计过程中，总体负责人修改整体模型、参数表及构件库，下一级的衍生模型会自动进行更新，这样就省去了设计人员统一配合修改，避免了信息传递不畅带来的隐患，具体见图6。

图6 设计人员协同工作示意

3.4 工程数量表

BIM软件中的BOM表功能可以快速统计所有构件的工程数量，但是BOM表的工作方式是基于机械行业来设计的，只能提供构件的净体积或是净重，也无法得到构件的尺寸信息，这种统计方式与桥梁钢结构设计有很大不同[20]。所以在常泰长江大桥主塔沉井设计中，仅是填芯混凝土、承台等混凝土结构采用了软件统计的工程数量，而沉井钢结构的工程数量表格还是人工计算统计，BIM软件提供的净重结果作校核之用。

4 结语

常泰长江大桥主塔沉井基础设计采用BIM技术进行全程正向设计应用研究，研究取得了以下成果。

(1)提出了一种全新的“自顶向下”与“自底向上”相结合的BIM建模思路并应用于设计生产中，建模思路符合设计流程，总体驱动零部件，型钢单独设计用于桁架结构快速建模，可为后续BIM设计项目提供指导性的参考与借鉴。

(2)项目进行BIM出图，采用统一标注样式的工程图模板进行绘制，满足设计出图标准；同时总结出一种“自顶向下”的图面摆放方式，达到增强图纸识图性的目的，可在以后项目出图中推广使用。

(3)项目研究出一套高效的参数化设计流程，通过EXCEL输入重要结构参数导入模型中，建立参数、模型、图纸相互驱动的联动机制，极大地提高了设计效率。

(4)在设计过程中，项目提出了计算与建模并行工作的设计方式，大幅度地缩短了设计周期；同时提出了设计人员协同设计的工作模式，优化了BIM信息传递及设计人员管理。

(5)未来在应用BIM技术统计工程数量上还需进一步深入研究，进一步拓展BIM桥梁构件库以提高BIM设计的效率。