装配式钢-混组合梁桥BIM参数化建模及应用

文哲思 龙绍海 黄晓虹 杨燎原 黄惠娟

（1.广州市道路工程研究中心，广东广州 510000；2.广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东广州 510000；3.华南理工大学土木与交通学院，广东广州 510000）

装配式桥梁技术具有减少交通阻断、提高施工区域安全、减少环境影响、降低全寿命周期的造价等优势[1-2]，迅速发展。在城市中小跨径桥梁建设中，与装配式混凝土桥梁相对比，装配式钢-混组合梁桥容易装配施工，造型轻盈美观。

21世纪以来，我国装配式桥梁得到大力推广应用，装配化程度不断提高，向全预制装配、装配式上下部结构方向发展[3-7]。2020年通车的南京江心洲长江大桥与洪鹤大桥磨刀门水道引桥均采用节段预制装配施工。

为了提高可施工性及安全性，建筑行业积极地将信息化技术与工业化建设融合。Eastman[8]提出，BIM技术是建筑设施的智能数字化表达，贯穿项目的全寿命周期，随着信息技术的发展，BIM技术成为工程信息化的主要技术。桥梁构件具有特异性，在BIM软件中开发难以兼顾多种桥型及相应构件的参数化建模[9-17]，仍需要对软件进行二次开发深化桥梁建模功能。

将BIM技术应用在装配式桥梁中，可以极大地提高桥梁建设效率及安全性。目前国内装配式钢-混组合梁桥BIM技术应用研究非常少，组合梁BIM族库严重不足，桥梁BIM模型与族构件参数化程度低，参数设置方法不完善，参数缺乏层次划分。

文章针对现有研究的不足与当前城市桥梁建设的需要，对装配式桥梁的BIM建模进行研究，提出参数划分原则、快速建模思路及方法，并在工程实例中应用。

1 桥梁BIM建模参数设置及划分原则

参数化建模是BIM技术的特殊优势，桥梁BIM建模中的参数可分为几何参数、定位参数、材料参数以及自适应参数。

（1）几何参数是在建立BIM模型时用于驱动几何尺寸的参数，包括长度参数、角度参数与径参数。

（2）定位参数是用于控制构件的位置变化的参数。

（3）材质参数在项目中的作用体现在两方面，可以使构件具有与材质相对应的外观，后者使构件具有与材质一致的物理参数。

（4）自适应参数有助于构件的数量、间距与位置随着参数变化进行自适应调节，起到满足模型变化需求的效果。如钢箱梁横隔板的排布随钢箱梁长度与横隔板间距两个参数的设置自适应变化。

各类参数使用的优先层次与应用层级存在差异，将许多参数一同列出容易导致参数查找与使用困难，导致参数修改逻辑的混乱。

为了确保族构件与BIM模型的重复应用时的正确性与高效性，需要为族构件的参数制定层次划分原则。

将修改模型时经常应用的或对于模型尺寸起决定性作用的参数划分为常用参数。在不同项目中基本不会变化、较少进行修改的参数，划分为非常用参数。此外，载入族中的非常用参数，不在参数列表中体现，需要时进入编辑载入族界面进行参数修改。

自适应横隔板设置效果图如图1所示。

图1 自适应横隔板设置效果图

部分参数之间具有联动关系，部分数值由其他参数决定，可以由其他类型的参数推算；对参数进行错误改动可能引起约束的连锁冲突，导致整体模型失效。采用公式对其数值进行限制，输入其他种类参数后将参数数值进行自行计算填充。

关联参数列于参数列表最下端的分区，在族构件的应用过程中不建议对其进行修改。

2 装配式钢-混组合梁桥参数化建模思路

参考国际主流分类体系ISO 12006-2分类与OmniClass分类体系及我国标准对BIM模型单元分类的规定，建立适用于装配式钢-混组合梁桥的BIM模型单元分类体系，各分类层级可以按分类层次或组合层次进行扩充。

BIM模型单元分类体系如图2所示。

图2 BIM模型单元分类体系

钢箱梁是组合钢箱梁桥中承受荷载的主要结构，以建立参数化钢箱梁族模型为例进行介绍思路。对组合钢箱梁桥各层次族构件进行建模，其基本构件单元包含顶板、底板、腹板、底板横肋、底板纵肋、腹板纵肋、支承加劲肋、隔板、封板、隔板补强肋、支座垫板、检修孔。

各构件单元的参数设置如无特殊说明，均需要设置相应的材质参数。

顶板、底板、腹板及各类加劲肋族构件所设置的参数基本相同，分别为长度、宽度与厚度参数。

将已建立的各个钢箱梁组成构件单元的族模型载入钢箱梁族，设置参数并设定约束。

参数设置步骤：设置常用参数→载入族的参数关联→设置自适应参数。

以腹板为例，腹板族参数如图3所示。

图3 腹板族参数

每一个载入的组成构件单元族均具有自身参数，应在钢箱梁族中设置相同的参数，将两者设置为相互关联，利用钢箱梁族中的参数驱动载入族的参数。

部分参数可以直接与常用参数关联，组成构件单元族中的其他参数一般设置为非常用参数或关联参数。钢箱梁族中腹板竖肋以及隔板的数量需要随箱梁长度改变而自适应变化，应设置为自适应参数。

钢箱梁族如图4所示。

图4 钢箱梁族

以钢箱梁层次为例，为钢箱梁建立完备的组成构件单元族，如图5所示。

图5 钢箱梁构件单元管理示意图

按照此方法建立组合钢箱梁族库中的横联族、悬臂族、桥面铺装族以及栓钉族模型。

3 装配式钢-混组合梁桥快捷化建模方法

根据工程项目需求，确定装配式钢-混组合梁桥上部结构的形式，选取相应形式的参数化BIM族构件，建立相应节段BIM上部模型。

实际桥梁工程中存在弯桥的情况，建立弯桥的参数化BIM模型。为了与上部结构形成配套，建立装配式钢-混组合梁桥下部结构的参数化BIM模型。

（1）从已建立的组合钢箱梁族库中选取族构件并载入，包括钢箱梁族、横联族、悬臂族、桥面铺装族以及栓钉族等。

（2）进行常用参数设置，涉及的族构件与参数较多，需要对参数进行类型划分，驱动上部结构整体几何效果的参数归为基本参数；其他参数根据其具体驱动的族构件进行分类，并与相应的族构件参数进行关联。组合钢箱梁上部结构由多种不同材质的构件组成，应分别设置材质参数，包括钢箱梁材质、桥面铺装材质与栓钉材质。

对于装配式钢-混组合梁弯桥情况，需要对族构件设置转弯半径参数。

组合钢箱梁桥上部结构设置的常用参数如表1所示。

表1 组合钢箱梁桥上部结构常用参数

组成钢箱梁的腹板族、底板族、顶板族与底板纵肋族需要依据转弯半径的需要重新建模，补充转弯半径参数。组成钢箱梁的其余构件单元族可从现有的钢箱梁族库中直接调用，需要依据转弯半径进行自适应布置。为了适应梁端部局部加高的需要，为装配式钢-混组合梁弯桥建立梁端局部加高构件组，设置转弯半径参数。

梁端部加高构件组如图6所示。

图6 装配式钢-混组合梁弯桥的梁端部加高构件组

完成装配式钢-混组合梁弯桥的族构件补充后，从已建立的装配式钢-混组合梁桥族库中调用其他族构件，如横联族、悬臂族、栓钉族，并将其依照转弯半径自适应排布。设置参数并构造约束，除了需要增设转弯半径参数，其他常用参数的设置与一般装配式钢-混组合梁桥相同。

最终组合形成装配式钢-混组合梁弯桥上部结构的参数化BIM模型。

城市桥梁建设中适用范围较广的下部结构类型包括板式花瓶墩与盖梁双柱墩，兼具美观与施工便捷的特点。对板式花瓶墩与盖梁双柱墩进行参数化BIM建模。

参数化板式花瓶墩BIM模型由桩基础族、承台族、板式花瓶墩身族与支座族组成。

承台族需要设置两种材质参数，承台下部采用封底混凝土，承台上部采用一般承台混凝土。板式花瓶墩身族前后侧需要设置通长的墩身凹槽，左右侧需要设置渐变段圆弧；墩身需要设置内部空心，墩身上、中、下部各设置一个通风孔，使内部空心与外部联通。

参数化盖梁双柱墩由支座垫石族、盖梁族、桥墩族、承台族以及桩基础族构成。

弯桥上部结构参数化BIM模型如图7所示。

图7 装配式钢-混组合梁弯桥上部结构参数化BIM模型

弯桥下部结构参数化BIM模型如图8所示。

图8 弯桥下部结构参数化BIM模型

（3）族构件的建模与参数的设置说明。

①盖梁相对桥梁前进方向的前侧与后侧分别设置一行支座垫石，除支座中心距参数外，两行支座垫石其他几何参数与定位参数存在区别。对前侧与后侧的支座垫石分别进行参数设置，添加后缀1、2进行区分。

②盖梁族需要设置横坡参数，支座垫石族底部需要设置反向的横坡，使支座垫石的上缘在盖梁横坡变化时能够保持水平。

③盖梁除了在顶部需要设置横坡，还需要在两侧设置挡块与翼缘，在底部设置底坡。

④在桥墩族的上部与下部，设置与盖梁和承台之间的砂浆垫层。

⑤承台族上部分为承台台身，承台族下部设置混凝土垫层，分别进行参数设置。

（4）提出装配式钢-混组合梁桥快捷化BIM建模方法。

①依据工程项目需求，确定装配式钢-混组合梁桥上、下部结构的形式，选取相应形式的参数化BIM族构件。

②拟定装配式钢-混组合梁桥上、下部结构各组成构件的初步设计参数。

③依据参数化BIM模型中参数的类别，输入各构件的设计参数，生成项目的初步BIM模型。

④根据生成的BIM模型对设计参数进行验证，调整设计参数并重新输入，直至生成满足项目需求的BIM模型。

⑤依据项目需求，使用构件组对生成的BIM模型进行端部加高或栓钉种类替换，得到项目最终BIM模型。

为实现装配式钢-混组合梁桥快捷化BIM建模方法的界面化，对Revit进行二次开发，编写装配式钢-混组合梁桥快速BIM建模程序。实现装配式钢-混组合梁桥BIM模型建立的方便易行与高效性，进一步提高BIM建模速度。生成装配式钢-混组合梁桥上部结构BIM模型所需的常用参数均列于程序界面中。

程序界面如图9所示。

图9 装配式钢-混组合梁桥上部结构快速BIM建模程序界面

（5）程序的功能内容。

①添加车道数与箱梁长度选项卡，依据箱梁长度的选项判断属性。

②依据选项内容打开相应参数化BIM模型，作为样板BIM模型。

③输入其余常用参数值，依据输入值修改样板BIM模型的参数。④生成装配式钢-混组合梁桥BIM模型，载入项目中。⑤生成Revit外部菜单中的程序调用按钮。

4 桥梁工程建模实例

东新高架桥上部结构参数设计如表2所示。

表2 东新高架桥第0～1号轴上部结构参数设计值

将快捷化BIM建模方法应用于东新高架桥BIM建模，验证该方法的可行性。

东新高架桥位于广州市荔湾区西部，是连接鹤洞大桥与东新高速的城市主干道高架桥。

以东新高架桥第0～1号轴上部结构为例，采用40 m标准跨径。

将各项参数设计值输入装配式钢-混组合梁桥快速BIM建模程序，成功生成东新高架桥第0～1号轴上部结构BIM模型，导入项目。其他标准跨径节段均可以采用本文提出的快捷化BIM建模方法建立相应的模型。

上部结构的BIM模型如图10所示。

图10 东新高架桥第0～1号轴上部结构BIM模型

东新高架桥第4～9号轴采用42.2 m跨径，不是标准跨径，在快速BIM建模程序的箱梁长度选项卡中需要选择自定义箱梁长度，在对话框中输入其跨径数值。

以第8～9号轴上部结构为例，将各项参数的设计值输入程序界面。

9号轴采用桥面连续，需要设置梁端部加高，对9号轴处的剪力钉形式与端部形式进行调整。程序生成BIM模型后，将9号轴原有端部一键替换为端部加高构件组，将普通栓钉一键替换为抗拔不抗剪栓钉，生成东新高架桥第8～9号轴上部结构BIM模型。

BIM模型如图11所示。

图11 东新高架桥第8～9号轴上部结构BIM模型

建立东新高架桥下部结构模型，可利用建立的盖梁双柱墩参数化BIM模型，分别将其中设置的参数赋为东新高架桥各桥墩的设计值，生成相应桥墩模型。

东新高架桥各桥墩的设计指标中，仅有支座垫石标高、墩顶标高、承台顶标高与桩顶标高等参数的设计值存在一定差异。

在实际进行参数赋值时，只需要对以上参数进行修改，其余参数无须重复改动。

分别对盖梁双柱墩参数化BIM模型相应参数进行赋值，生成1号墩与2号墩的BIM模型。1号墩、2号墩与第0～1号轴上部结构BIM模型组合形成东新高架桥第0～1号轴整体BIM模型。

以东新高架桥1号墩与2号墩为例，需要进行修改的参数及设计值如表3所示。

表3 1号墩与2号墩参数设计值 单位：mm

东新高架桥第1～2号轴整体BIM模型如图12所示。

图12 东新高架桥第1～2号轴整体BIM模型

建立参数化的BIM模型可以极大地提升建模效率，建立的BIM模型可达到G4精度等级。各方协调方案时，东新高架桥BIM模型的建立能够在可视化的状态下进行，结合检测手段，实时更新桥梁模型的状况，为运维阶段提供定位损伤位置提供了平台基础。

模型的精细化级别足够高，可以及时出图，提供完备的工程信息。

5 结语

针对当前城市桥梁建设的需要，本文提出桥梁BIM模型参数设置的标准化方法与多层次参数的划分原则，建立装配式钢-混组合梁桥的系统性BIM族库。为城市桥梁建设中常用标准跨径与车道数组合下装配式钢-混组合梁桥建立参数化上、下部结构的BIM模型，并将此方法应用在东新高架桥，提高桥梁BIM建模的效率。可以为建立装配式钢-混组合梁桥BIM模型、应用BIM技术开拓新思路。