李家沱长江复线桥BIM正向设计

(林同棪国际工程咨询(中国)有限公司，重庆 401121)

引言

经过二十多年的发展和论证，全国各地均认可BIM的技术优势，BIM作为基于可视化建筑信息模型的信息集成和管理技术，先天具有可视化、模拟性、协同性、优化性、节约成本、共建共享等优势[1]。随着我国综合国力的提升，正在建设更多大型复杂的桥梁、建筑结构，对BIM技术的需求已迫在眉睫，其应用的推广趋势已不可阻挡。

本文介绍了李家沱长江复线桥的BIM应用，采用自主探索的“R+GH+R”正向设计路线，充分融合各软件的强大功能，在已有类似桥梁BIM技术应用的基础上，针对本项目进行深入分析和拓展应用，极大提升了设计品质与设计效率。

1 项目概况

1.1 项目简介

李家沱长江复线桥工程北起九龙坡区九龙半岛，南至巴南区李家沱，复线桥位于现状李家沱长江大桥上游侧约52m处平行跨越长江，大桥主桥为路轨两用桥，桥面为路轨同层非对称布置，一侧为市政道路(四纵线)单向4车道，另一侧为双线轨道交通(18号线)。

大桥全长1 306m，其中主桥长986.7m，主跨跨径454m，是国内首座路轨同层非对称布置两用斜拉桥，桥宽33.95m[2]。本桥总体布置见图1，总体透视效果见图2。

1.2 项目特点

跨江主桥采用跨径布置为(68.4+150.8+454+161.3+102.2+50)m的双塔双索面斜拉桥，与老桥及周边的地理环境协调统一。主梁采用流线型扁平钢箱梁，斜拉索布置采用扇形空间索面。为与老桥形式匹配，桥塔采用钻石型的H型桥塔结构。受控于总体线路技术、景观、站点、总投资等综合因素影响，本桥桥面为路轨同层非对称布置，桥面上游侧为单向4车道，下游侧为双线轨道，尚属于国内首例。该桥各重要组成结构的设计特点详见表1。

图1 总体布置图(单位：cm)

图2 总体透视效果

表1 李家沱长江复线设计特点

李家沱长江复线桥涉及专业多，涵盖道路、桥梁、轨道、线路、限界、接触网、信号、疏散平台、声屏障、结构、排水、交通、景观、电照等数十个专业，并具有结构构造复杂、施工工序繁多的特点，设计过程中的协调和相互配合工作量大，需要借助BIM正向协同设计手段以确保设计产品质量。因此，项目从方案设计阶段开始运用BIM技术进行三维正向设计，并积极引入方案智能适配、虚拟现实技术、3D打印技术、虚拟建造及移动交互体验等新技术，以直观高效地表达设计意图，实现对BIM模型的赋能增值。

2 BIM技术应用概况

2.1 BIM应用目标

在总结以往桥梁BIM技术应用[3]的基础上，本项目进一步深化和拓展了BIM技术应用点，明确了李家沱长江复线桥BIM应用总体目标，借助BIM技术在设计全阶段实现直接在三维软件环境中设计，以三维模型为出发点和数据源，完成从方案设计到施工图设计的全过程工作，所形成的三维模型能够准确地反映设计意图和体现设计细节，并能够利用三维模型及其参数信息，自动生成所需要的图纸及文档，完成各专业的协同设计[4]。

为进一步拓展设计服务的产业链，自主研发了方案智能适配系统、BIM模型管理系统及数智运维云平台，并引入云计算、沉浸式全景漫游、施工仿真技术及移动端交互式体验等技术，提升设计质量，保障设计进度，发挥BIM模型的附加值。

图3 “R+GH+R”桥梁BIM技术路线

2.2 R+GH+R协同设计平台

为满足上述项目应用目标，在进行协同设计平台选择时，应具备优势互补、数据共享、高效协同、信息无损传递，以便打造智慧设计、实现精细化设计[5]。为避免BIM模型在不同软件间信息传递过程中的丢失，本项目采用基于“R+GH+R”进行全阶段的BIM协同设计平台。该平台集成了具有强大建模功能的三维造型软件Rhinoceros(以下简称R)、参数化设计创新领域的设计插件Grasshopper(以下简称GH)、族库存储及信息化集成软件Revit(以下简称R)的综合优势。该协同平台充分发挥了Rhino的造型优势，并在此基础上借助GH插件进行可视化编程，打通了传统软件间数据难以互通的技术壁垒[6]； 同时可高效地进行定制化二次开发，确保数据信息的高效流通； 最后，借助Revit模型进行信息编辑和集成，以.rvt格式进行BIM数据交付。故该平台具备造型能力强、易于定制化二次开发、参数化程度高、模型轻量化且协作效率高等综合性优势。“R+GH+R”桥梁BIM技术路线如图3所示。

2.3 硬件环境

在企业数智化部门及平台管理技术人员等多方支持下，配备公用服务器、云计算平台、高配台式电脑、3D打印设备、轻型VR设备等搭建协同设计硬件环境。本项目中的硬件环境如表2所示。

表2 硬件环境

图4 正向设计流程

3 BIM正向设计与分析

3.1 BIM正向设计流程

由于本桥技术难度大，结构复杂，在设计之初确定了本项目BIM应用目标和建模原则，一方面需进一步实现和提高BIM正向设计的工作效率与协同，另一方面将正向设计成果应用于运维阶段，实现设计与运维的融合应用。

为保证各专业间的协同效率，规范各专业的正向设计行为，借助制定的正向设计作业流程与定制的作业模板，保证BIM模型的信息实时交互与共享，将制模标准集成至正向设计模板族中，进行统一的构件族库及信息管理。另外，将正向设计模板文件加入到正向设计流程管理中，有效地保证了专业间的设计高效协同。本项目正向设计过程中应用到的模板库如图4所示。

3.2 BIM模型构建

在正向设计初期，对BIM模型按照“总体到局部”的原则进行模型拆分，如图5所示。应用上述三维正向设计模板进行各设计阶段的正向设计，有效规范正向设计的成果，提升效率。

正向设计具体操作流程如下：

1)结合本项目特点实际情况，制定正向设计基本原则[7]；

图5 结构拆分原则

2)借助自主研发的三维地形地质环境模型生成模块，基于地质钻孔数据，快速生成场地范围内的地形地质模型；

3)借助自主研发的桥梁方案智能适配系统，快速匹配与场地环境相适应的桥梁方案，为方案的确定提高效率；

4)借助参数化设计手段，针对不同设计阶段，逐步深化参数化骨架模型，并借助定制化的二次开发批量导出骨架模型数据信息，快速进行计算信息和二维图纸信息交互；

5)对于常规族构件，建立丰富可调的参数化常规构件族库[8]，本项目新增入库零件563个，其中参数化族库新增125个；

6)对于复杂构件，借助企业日益完善的参数化构件族库，高效、精准地完成复杂构件的三维正向设计；

7)利用骨架模型获取构件及组件系统的定位信息，按照下部、上部、附属的顺序进行构件及组件系统的组拼[6]；

8)借助定制的数据接口将Rhino模型批量交互至Revit中，并据此拓展构件属性，信息深度达到施工图设计要求，并可有效拓展运维信息；

9)将各专业模型链接至中心地质地形模型文件，实现模型信息的分类权限管理和实时共享，以满足BIM正向设计协同要求。

3.3 BIM设计应用

本项目结合GIS地理信息系统，借助自主研发地形地质环境生成系统，快速搭建场地模型，同时借助自主研发的方案智能生成系统，将场地模型与桥梁BIM模型相融合，在场地环境中对桥型方案进行优化比选，最终确定项目实施方案。

由于本桥结构庞大复杂，计算比选及三维表现工作量大，为更好地进行前期方案沟通，借助云计算革新传统设计流程，节省了计算和渲染时间70%以上。复杂多样的密集型数据处理亟需云计算技术，其计算容量大、支持种类多且更新迭代速度快，一方面可以大大提升日常工作效率，另一方面也可为未来的大数据信息处理提供一个安全性高、容纳大的数据处理平台[9]。

在设计过程中交流互动和专家评审时，利用720和VR技术进行沉浸式全景漫游、三维动态浏览及互动性展示，实现了大桥全视角、真实景、高清晰的在线体验，极大提升沟通效率。

针对桥塔、主梁等结构进行可视化比选，对景观造型及力学性能进行分析，优化构造细节，为准确把控项目建成后的效果，借助3D打印技术进行感官性能分析与比选，帮助参建方充分理解设计意图。

针对拉索及锚固构造等特殊空间结构，开发了一序列智能提效工具，用于快速地进行空间定位及三维出图，并实时进行结构碰撞检查，以减少错、漏、碰、缺。

设计出图方面，利用“三维+二维+智慧图纸”相结合的方式，图纸表达更加清晰直观。本项目正向设计出图率达70%。基于BIM+AR技术研发“桥梁智慧图纸”，可实现扫码后直接呈现构件的BIM模型，使参建各方能够快速、准确地了解复杂构造。

结构计算方面，利用参数化技术快速交互结构计算信息，进行全桥有限元计算分析与结构优化。同时，开发了与有限元分析软件的无缝接口，实现了BIM模型与FEM分析软件数据模型的无损传递、实时更新。

通过引入BIM正向设计技术，借助定制化的二次开发，本项目在工作效率、设计品质、沟通表现、计算交互和正向出图等方面均取得了良好的应用效果。基于三维的BIM正向设计，有效地提升设计沟通效率，并提升了设计品质，具体应用效果如表3所示。

表3 BIM应用效果

4 BIM创新应用

4.1 智慧设计

自主研发并搭建“方案快速生成系统”，建立可维护的开放型桥梁设计知识库，基于项目实践不断扩充桥梁方案资源库。该系统由智能检索、信息维护与共享、用户权限管理、方案适配系统等功能组成，大大提升了前期方案创作的效率。方案快速生成系统如图6所示。

图6 方案快速生成系统

基于定制化的二次开发和知识沉淀，研发“BIM模型管理系统”，集成企业三维设计知识库，进行三维模型构件的信息管理，可快速实现模型转换、预览、集成及共享，大幅提升设计沟通效率。BIM模型管理系统如图7所示。

图7 BIM模型管理系统

4.2 虚拟建造

利用BIM施工仿真技术避免施工过程中的碰撞问题，并实现施工组织优化。鉴于本桥施工工法的特殊性和复杂性，采用4D动态模拟平台进行施工全过程的三维可视化施工模拟[10]。其中基础采用钢围堰施工； 桥塔及墩柱均采用爬模施工； 主桥中跨钢箱梁节段船运就位后，采用悬臂拼装施工； 通过特制吊装系统，实现起梁、旋转、梁上运梁等作业。为避免对既有交通运营的影响，两侧边跨主梁采用步履式顶推工艺。关键施工过程如图8所示。

图8 关键施工过程

4.3 数智运维

为进一步拓展设计阶段BIM模型的应用价值，本项目已成功接入自主研发的数智运维云平台，实现了运维管理的可视化、信息化、智能化。平台由感知层、传输层和应用层组成，赋能轨道桥梁数智升级。

考虑本项目全生命周期信息传递的有效性，平台集成BIM模型并建立三维档案库，实现大桥全景展示与信息互联，提升了沟通效率。

本桥跨度大、结构形式复杂，需采用多维度数据支撑运维管理。基于智能监测与人工检查相结合的方式，大幅提升索力、应力、变形等信息的采集效率，并构建了全方位的评价体系，实现评价自动化与预警智能化。

通过制定数据对接规范，提升了Web、APP与云端互联互通的安全性，利用自诊断分析保障数据完整性与可靠性，基于移动智能终端驱动信息传递，实现了全过程评判智能化、档案管理信息化。数智运维云平台如图9所示。

图9 数智运维云平台

5 结论

本文介绍了李家沱长江复线桥正向设计与数智运维内容，基于正向设计和数智运维云平台，集成BIM模型的可视化、参数化、信息化和一模多用的特点，打造基于“正向设计+数智运维”的创新服务模式。自主研发桥梁方案快速生成系统和BIM模型管理系统，集成企业设计知识库，大幅提升方案创作和正向设计效率，助力智慧桥梁的发展。引入云计算技术提升设计效率，并借助定制的三维出图标准，高效地实现了桥梁智慧图纸的表达，整合多种沉浸式漫游技术，为BIM模型赋能增值。依托数智运维云平台，集成应用GIS、BIM、智能传感、监测评估等前沿技术，打通设计到运维信息传递链条，实现了桥梁信息化管理和科学维护。