钢桁架桥信息模型交付标准的研究

余文成, 刘 秀, 2, 刘均利, 薛飞宇, 欧阳平

(1.桂林理工大学 a.土木与建筑工程学院; b.广西岩土力学与工程重点实验室, 广西 桂林 541004;2.中石化江汉石油工程设计有限公司, 武汉 430000; 3.招商局重庆交通科研设计院有限公司, 重庆 400067;4.广西交通设计集团有限公司, 南宁 530029)

0 引 言

随着轨道交通的发展, 钢桁架桥应用逐步增多, 如重庆朝天门长江大桥、菜园坝长江大桥和曾家岩嘉陵江大桥等, 均是公轨两用桥。公轨两用钢桁架桥占桥梁总量比重小, 但主要用于大型桥梁, 单桥造价往往极高, 并且施工工序多, 工艺较为复杂, 加工制造要求的精度较高, 设计施工阶段出错补救困难, 成本高昂。在钢桁架桥梁的设计和施工中采用BIM技术, 不仅可以有效果图的展示、报表的生成, 更重要的是为施工管理带来了极大的便利, 实现不同专业之间的协同性, 降低设计误差和施工事故的发生概率。

相关学者对BIM技术在钢桁架桥上的应用进行了大量的研究。汪存书[1]以重庆朝天门大桥为工程背景, 对大跨径钢桁架拱桥上部结构关键的施工技术进行了研究, 通过建立临时结构与主结构共同受力三维模型, 对施工全过程进行了模拟仿真分析, 确定了施工主要控制工况、各工况下主结构内力、控制节点位移等参数, 作为施工方案设计的主要依据。宋红飞等[2]以重庆新白沙沱长江大桥钢桁梁制造项目为依托, 通过BIM技术在钢桥制造中的应用研究, 将BIM技术引入钢桥制造领域中。袁帅等[3]将BIM技术成功应用到跨江铁路特大桥施工中, 实现了安全、高质量、智能化的建造过程, 总结出基于BIM的钢桁架桥组合式数字化拼装技术，并从建造阶段视角出发, 针对BIM应用在各阶段分离、模型与数据分开的现象, 建立并指出BIM技术应用标准体系是解决问题的核心。朱奕蓓等[4]利用Autodesk Revit软件平台, 通过建立参数化桥墩、箱梁、钢筋等族库, 实现了族模型的自动修改, 并构建出钢桁架加劲PC连续箱梁桥的模型。章伟等[5]运用BIM-3D技术对大跨度钢结构进行虚拟仿真施工, 模拟施工工序, 快速完成了技术交底, 使现场作业人员充分了解施工方案, 对过程中反映出的问题及时调整, 提高了施工的安全性和可操作性。可见, BIM技术在钢桁架桥梁上的应用较广, 也取得了很好效益，但由于目前缺乏针对钢桁架桥的统一信息模型交付标准, 阻碍了不同参建方之间的信息传输和共享。

本文以曾家岩嘉陵江大桥为工程背景, 通过研究国内外相关信息模型交付标准, 结合山地城市工程项目的特点, 并根据项目实际情况进行细化, 约定项目拆分原则、命名规则、模型要求、交付要求、交付物等交付内容, 提出了大跨度钢桁架梁桥的交付标准。

1 工程背景及钢桁架桥BIM模型建立

1.1 工程背景

重庆市曾家岩嘉陵江大桥为公轨两用桥, 全长540 m, 主跨跨径270 m, 主桥结构为刚性悬索加劲连续钢桁架梁, 上下双层布置, 上层为城市主干路双向六车道, 下层为在建的轨道10号线, 桥梁总宽28.5 m。曾家岩大桥主桥工程概况示意图如图1所示[6]。

图1 曾家岩大桥工程概况图

1.2 钢桁架BIM模型构建

模型的构建是建立在部件、构件对象基础上, 因此在信息模型中, 构件的划分是“独立的、分离的、用户需要跟踪和报告的事物”[8]。项目模型的拆分是进行全专业构建的基础, 对于大型桥梁工程项目应根据项目需求进行拆分, 以确保桥梁专业建筑信息模型能够实现有效的管理, 并建立清晰的分类编码。钢桁架桥的特点主要有结构分类多、形式复杂、异形构件多、对力的分析要求高和施工工艺复杂等。在主桥桥梁信息模型的搭建过程中, 按照构件的结构功能和受力特点对其进行构件的划分, 并充分考虑构件拆分的原则(如拆分的细度、构件的交叉重叠等)，这与BIM的建模原则一致。模型构件拆分后要对BIM模型的实体构件进行编码, 编码原则的依据要与国家建筑标准保持一致。同时借鉴《铁路工程信息模型分类和编码标准》, 并充分参考桥梁工程定额体系、《桥梁工程量清单计价指南》《桥梁工程实体结构分解指南》等现行的规范和标准[9]。对于曾家岩大桥特殊实体构件拆分和编码可进行扩充和编制, 并作相应的说明。

2 BIM模型交付标准的制定要点

2.1 基本要求和交付原则

2.1.1 基本要求 BIM技术在设计阶段应用的最终目的是传递至下游用于工程施工和运营, 故将设计阶段的信息交付至建设和运营阶段至关重要。在本项目中, BIM模型的交付内容和标准将根据行业规范、重庆市地方标准、企业标准和后期管理需求进行规定, 确立一套具备可移植性的标准化交付体系。

在制定交付标准过程中应遵循的基本要求适应于本项目中所有的专业: 1)信息模型的建模坐标应与真实工程坐标一致, 宜采用原点(0, 0, 0)作为特征点, 并在信息模型使用周期内不得变动，对应的高程基准应分别采用1956年黄海高程系统和1985国家高程基准; 2)信息模型的建模精度应符合工程项目各阶段的工作需求, 模型信息深度应满足不同工程阶段的使用目的; 3)当建模精度几何尺寸与数据信息几何尺寸不一致时, 应以模型信息数据作为优先采信的有效信息; 4)工程信息模型所描述的对象以及参数的命名在全生命周期内应保持一致。

2.1.2 交付原则 ①不同阶段模型在数据传递过程中应保证完整性, 不应发生信息丢失或失真; ② 项目应采用统一的坐标系、原点、度量单位, 并遵守协同工作规则与协定; ③ 模型建模精度、信息粒度宜在满足BIM应用需求的前提下, 采用较低的模型精度, 较高的信息粒度; ④ 共享模型文件命名应包含项目名称、专业、模型阶段、版本信息等。

2.2 交付内容

2.2.1 BIM模型包含的元素 参照《重庆市建设工程信息模型技术深度规定》[13], 并结合曾家岩大桥(刚性悬索加劲连续钢桁架梁公轨两用桥)的特点, 总结出钢桁架梁桥交付内容, 主要有: 项目全寿命周期各阶段(工可、方案比选, 初步设计, 施工图设计, 施工阶段, 运维阶段)BIM模型包含的元素、设计阶段附属交付成果，施工阶段附属交付成果和运维阶段附属交付成果。曾家岩大桥设计阶段BIM模型所包含的元素涉及到的专业有道路工程、桥梁工程、隧道工程等。以主桥模型钢桁架梁桥为例, 通过对桁架桥梁信息模型进行分析, 可知钢桁架梁桥涉及到构件分类明显, 对应拆分包含的元素较多, 曾家岩大桥各阶段的模型元素如表1所示。图2是钢桁架梁桥的信息模型。

表1 曾家岩大桥各阶段的模型元素

图2 曾家岩大桥模型

2.2.2 设计阶段附属交付成果 依据曾家岩大桥的应用特点和交付需求, 设计阶段包含的附属成果有碰撞检测、工程量统计、工程视图和虚拟仿真。表2为设计阶段信息模型所包含的交付成果, 并且依据项目交付需求对交付成果的交付内容及对应的要求与目标都作出了相应的规定。

表2 设计阶段附属交付成果

2.2.3 施工阶段附属交付成果 在施工阶段, 为确保能将BIM技术用于指导施工、降低施工阶段的经济成本和保障项目施工的质量, 对模型的精确度要求较高, 须对设计阶段的模型进行深化设计, 并进行施工的模拟、质量校核等。表3是依据交付需求对施工阶段附属交付成果的总结, 包含深化设计、施工模拟、质量校核和竣工记录。

表3 施工阶段信息模型附属交付成果

2.2.4 运维阶段交付成果 运维阶段即后期的运营管理阶段, 是曾家岩大桥应用BIM技术的重点。将统一编码的数字化信息模型导入到管理平台并制作好数据的表格体系, 便于后期信息化的运营管理。运维应用阶段包含的成果类型有管理平台和数据表格体系。其中, 管理平台要做到数字化的运营管理，并制定对应的管理方案; 工程中导出的各类工程数据表格要真实准确并设置严格的数字化管理体系。表4是运维应用阶段信息模型常用的交付成果。

表4 运维阶段信息模型的交付成果

2.3 交付深度

2.3.1 模型精细度 BIM模型交付深度的研究是基于信息模型精细度(level of details, LOD)。模型精细度是衡量模型包含的信息全面性、细致程度及准确性的指标。通常通过建模精度和信息深度进行评价[14]。模型精细度可以划分为5个等级, 分别为LOD100、LOD200、LOD300、LOD400、LOD500, 主要应用对应的阶段分别是工程可行性研究及方案设计阶段、初步设计阶段、施工图设计阶段、施工阶段、运维阶段。模型精细度各等级的划分不对应于建设工程生命周期的各阶段, 即不同的工程阶段对模型构件的深度等级要求不是唯一固定的, 同一组件不同构件可能对应的模型精细度都不一样, 要根据不同建设阶段需要制定不同的模型精细度。

结合该工程背景特点, 并参照《重庆市建设工程信息模型技术深度规定》, 得出桥梁专业包含的信息模型建模精度等级, 并列举出各构件各等级的具体内容, 具体总结如表5所示。

表5 桥梁工程信息模型精细度划分

2.3.2 建模精度 建模精度是指在不同的模型精细度下, 建筑工程信息模型几何信息的全面性、细致程度及确定性指标[15]。在BIM实际应用中, 首先要根据不同阶段以及项目的具体目的确定LOD等级, 根据不同等级概括的模型精度要求确定建模精度。在曾家岩大桥项目设计阶段, 根据相应模型精细度确定在设计阶段钢桁架桥的建模精度见表6。

表6 桥梁工程专业设计应用阶段建模精度

2.3.3 信息深度 信息深度指在不同的模型精细度下, 建筑工程信息模型所容纳的几何信息和非几何信息的单元大小和健全程度。曾家岩大桥信息模型的信息深度应符合表7规定。

表7 曾家岩大桥设计阶段项目构件信息

3 结束语

通过研究国内外相关信息模型交付标准, 结合曾家岩大桥钢桁架桥梁的特点, 建立了一套从设计端到施工端直到运维端的BIM成果交付标准, 完善重庆市地方标准《重庆市市政工程信息模型交付标准》, 为山地城市市政工程项目交付标准提供参照。后期根据企业自身的业务特点, 通过工程项目实践, 不断总结归纳经验, 逐步改进并完善, 最终制定企业层级的信息模型交付标准, 使其成为企业层级BIM实施战略的重要组成部分。