基于BIM技术的桥梁模型设计及信息处理研究

蒋浩鹏，姜谙男

(大连海事大学 道路与桥梁工程研究所，辽宁 大连 116026)

0 引 言

随着我国在桥梁工程建设中不断应用BIM技术，学界对BIM模型、BIM标准问题的探索也在不断深入[1]。BIM技术为项目各个参与方提供了互相交流、信息互换平台，不仅是一款信息传递工具，更是一项将工程项目与信息技术结合的技术[2-4]。

目前学界对BIM研究方兴未艾。例如：周游[5]基于BIM对立交工程开展分析；李成涛等[6]完成了对桥梁病害模型的三维可视化展示。由此发现，我国桥梁建设仅仅在基础建模阶段应用到了BIM技术[7-8]，且并没有合适的技术模型去规范BIM桥梁设计、施工流程。

基于此，笔者以BIM技术中的IFC传输标准为基础，优化了基于BIM的桥梁设计及施工管理技术模型，为建模提供理论依据；利用Revit软件规范了桥梁BIM模型的设计模式及步骤，从而提高了模型的设计效率；根据建筑信息模型分类标准构建了桥梁BIM模型信息数据编码规则，填补了我国BIM桥梁编码理论的空白；为我国在桥梁建设应用BIM技术提供理论支持和技术经验。

1 IFC传输标准及编码方式

1.1 IFC传输标准概述

IFC(industry foundation class)标准即工业基础类标准[9]。IFC提供了建筑工程实施过程所处理的各种信息描述及定义规范，其可以是一个构件实体也可用于抽象概念。IFC标准总共由4个层次构建，分为资源层、核心层、共享层和领域层[3,10-12]。因道路桥梁等建设涉及的项目较多，同时运行多个软件或程序可能会存在数据无法完全兼容，导致数据不能交换等问题，而IFC标准极大程度上解决了数据交换和共享问题，节约了时间和经济成本。桥梁工程涉及项目类型种类繁多，如墩台数据、上部梁板尺寸数据、护栏、标线等都需要信息处理，而IFC标准强大的数据交换和兼容能力能极大程度上解决桥梁构件信息数据的交换和共享问题。

1.2 模型数据编码规则

对BIM桥梁建设项目而言，构件模型数量种类较多，如墩台数据，梁板尺寸等，在实现信息交互等问题上依旧还不能进行有效沟通[13]，更无法在运营阶段发挥效用，建设工程各方仍是独立建立自己所需的信息模型。故针对该问题，笔者建立了基于BIM的模型数据编码规则。

为保持BIM设计总体流程与各阶段BIM设计详细流程信息交换内容的统一性和一致性，在各阶段设计过程中，桥梁、道路等专业信息交换需求用模型和信息表示，因此需要通过一定命名规则对流程中涉及的交换信息进行编码。编码ID用“x.n.m”表示，以桥梁工程为例，如表1。

表1 桥梁工程信息交换ID编码规则Table 1 ID coding rules for bridge engineering information exchange

其信息交换ID编码规则可设置如下：① “x”表示阶段，“1”表示工可阶段，“2”表示初步设计阶段，“3”表示施工图阶段；② “n”表示专业，“1”表示道路专业，“2”表示桥梁专业，“3”表示给水排水专业，“4”表示电气专业。由表1可知：n还有如下定义：“01”表示项目设计模型信息；“02”表示现状设计模型信息；“03”表示规划设计模型信息。即两位数代表设计模型信息，一位数代表专业；③ “m”表示专业子内容，在设计过程中确定编码。针对桥梁专业而言，“1”表示梁式桥，“2”表示拱式桥，“3”表示斜拉桥，“4”表示悬索桥，“5”表示其他形式桥梁。

根据BIM桥梁模型信息交换编码规则，具体到构件级的编码问题，将编码结构分为表代码(i)、大类代码(j)、中类代码(k)和细类代码(l)这4部分，表达形式为i-j.k.l。通过考虑工程实际，笔者首先考虑二位数编码，如表2～4。其中：① 表代码代表道路部分及桥梁部分，“01”为道路部分，“02”为桥梁部分；② 桥梁部分，大类代码“01”代表主梁、“02”为纵横向联系、“03”为桥墩、“04”为桥台、“05”为基础、“06”为桥梁附属结构。中类代码则是大类代码的细分也称子系统，以主梁为例，则分混凝土梁、钢梁、钢混组合梁，对应的中类代码分别为01～03，其余中类代码见表3；③ 细类代码更加细化了构件种类，也代表了各模型单元，并可按照其组成部分进行扩展，具有可扩延性、兼容性和综合适用性原则。以中类代码的混凝土梁为例，分为T梁、小箱梁、空心板梁、实心板梁和箱梁，对应的细类代码分别为01～05，其余细类代码见表4。

表2 桥梁部分上部结构构件模型信息编码Table 2 Model information encoding of some superstructurecomponents of bridge

表3 桥梁部分下部结构构件模型信息编码Table 3 Model information encoding of substructure components ofbridge

2 BIM桥梁设计及施工模型

目前，我国在公路桥梁设计、施工领域已逐渐应用了BIM技术。但仍存在诸多问题，例如：① 目前并没有一款适合我国桥梁建设领域的BIM技术模型；② BIM注重工程信息传递，但我国在桥梁设计、施工管理等阶段大多只关注于模型是否符合工程要求， 往往忽略了构件模型信息的综合运用；③ 目前桥梁建设技术路线虽然较为齐全，但与BIM结合时也需与其IFC信息传递标准相结合，否则在各软件中模型信息无法传递。基于上述3类问题，笔者基于IFC标准的BIM信息传递规则，同时改进了文献[9]中基于BIM的桥梁设计标准化技术模型，得到了较为适合我国桥梁设计基于IFC标准的BIM桥梁设计技术模型，如图1。

表4 桥梁部分附属结构构件模型信息编码Table 4 Encoding of model information of bridge parts

图1 BIM桥梁设计技术模型Fig. 1 BIM bridge design technology model

不仅BIM桥梁设计会出现上述问题，BIM桥梁施工管理也会出现信息传输不规则、信息传输丢失等一系列问题。BIM桥梁施工管理内容不同于公路施工内容，其后期综合工程构件信息处理能力更需要一个合适的模型去规范施工管理流程。基于此，笔者同样依据IFC标准构建模式，改进了BIM桥梁施工管理技术模型，如图2。

图2 BIM桥梁施工管理技术模型Fig. 2 BIM bridge construction management technology model

3 基于BIM的桥梁模型设计实践

桥梁设计、施工及运维阶段应用BIM技术需要各自对应的技术路线进行支撑以更准确建立三维模型和后期工程信息管理；且在基础设施建设领域中，桥梁设计需要考虑更多的可能性。桥梁设计不仅应考虑设计的具体影响因素，更应尝试用不同软件来建立桥梁模型。目前，传统桥梁设计中有很多软件，例如：桥梁博士、迈达斯、DICAD、纬地(Hint CAD)等。

随着BIM技术在桥梁结构设计、施工上的应用越来越广泛，传统2D设计手段已逐渐乏力。现阶段，桥梁设计不仅要求各专业协同设计其结构形式、利用和控制其资源成本，同时模型数据信息共享和传递更需要标准去规范，并明确其界定。基于此，笔者选用Revit软件对桥梁设计阶段进行过程实践，并通过借鉴IFC标准数据传输格式，基于实际项目构建了BIM桥梁模型信息编码体系，对其进行实践和阶段说明。

3.1 项目概况

以赤城南互通AK0+984.16A匝道红河大桥施工图设计实际项目为例。该桥位于赤城南互通内，桥梁中心桩号为AK0+984.16，该桥平面分别位于直线(起始桩号：K0+843.16，终止桩号：K1+028.489)和缓和曲线(起始桩号：K1+028.489，终止桩号：K1+125.16，参数A：110，右偏)上，纵断面位于R=1 600 m的竖曲线上；且墩台径向布置。

3.2 总体设计

该桥依次上跨主线，全桥共3联：(4×25 m)+(4×25 m)+(3×25 m)；上部结构第1、2联采用预应力砼(后张)小箱梁，先简支后连续；第3联采用现浇预应力混凝土箱梁；下部结构桥台采用肋板台，桥墩采用柱式墩，墩台采用桩基础。

第1、2联装配式预应力混凝土连续小箱梁采用多梁单独预制、简支安装、现浇连续接头的先简支后连续结构体系。桥面由6片小箱梁组成，25 m跨径梁高1.4 m，梁间距2.7 m。为便于模板制作和外形美观，主梁沿纵向外轮廓尺寸保持不变。第3联现浇箱梁，采用单箱3室截面，箱梁底宽13.5 m，悬臂1.5 m，箱梁两侧腹板采用相同高度，桥面横坡由箱梁顶底板平行腹板牵直形成。

该桥平面位于曲线上跨径，采用折线布孔，墩顶湿接头及边跨封锚长度为定值，用预制梁长来调整。故应注意根据不同梁长调整正弯矩钢束长度(在跨中直线部分调整)，保证满足工作段张拉长度；普通钢筋也应根据梁长进行调整。

3.2.1 桥梁模型创建

该桥梁整体造型设计并不复杂，但需注意的是：箱梁高度会随着高程改变而变化，且3联箱梁的纵坡坡度也各不相同，故在上部结构建模时需将3联箱梁分开建模，以保证两边桥台位置更加精确。

不同于传统设计思路，为建模更方便和准确，本项目采用由下部结构向上建模，具体如下：对下部结构先建立桥墩和系梁模型，进而是盖梁；同样对桥台也可采用相同方式；对上部结构可先设计箱梁结构，由于本项目为3联，且分属不同形式，故可分开设计，其后设计上部铺装层、护栏、标线及其他交通附属设施。

建模过程中，要注意桥梁纵坡和变宽等问题。本项目以Revit 2014为主要设计软件，其分为两个设计文件：族文件与项目文件。在设计过程中，具体的桥梁构件会以族文件形式展现，将下部和上部结构设计完成后载入到项目文件中进行拼装，载入族文件过程中需要注意单位变换，族文件和项目文件中的单位默认为mm。

桥梁桩、承台和盖梁等构件都是直接通过Revit软件的“族”功能进行设计。首先在族文件中设置好参照标高线和参照平面，以方便绘制桥台和桥墩平面尺寸，通过拉伸和融合操作创建出桥台和桥墩的3D实体模型，最终在模型基础之上添加工程参数和材质信息。图3分别为0号桥台的右立面和整体模型。

图3 0号桥台“族”右立面和整体模型Fig. 3 Right elevation and overall model of abutment 0“family”

在红河大桥上部结构实际建模过程中，不仅需要考虑梁板纵坡问题，更需注意梁尺寸和形状。通过Revit软件放样融合功能，按照红河大桥平面位置，绘制出梁板路径和前后轮廓，得到最终上部梁板整体结构；同理，按照放样融合和选择路径可继续实现上部铺装层、两侧护栏的模型建立，最终得到上部结构整体模型，如图4。

图4 上部结构整体模型Fig. 4 Overall model of superstructure

Revit项目文件是统一的整体，其不仅能将“族”文件中所录入工程信息进行添加和整理，更可对整体模型进行数据采集和分析[14]。对模型拼装和制作完成之后，可通过Revit导出到FBX三维格式文件和IFC格式文件。由于Autodesk公司各BIM软件可通过其互通，故将FBX文件导入到Navisworks中进行下一步深化设计。

通过Revit中“族”功能将上部结构建模完成之后，可将上部结构与下部结构模型合并到一个统一的项目文件中进行修改、管理。但在项目文件导入“族”时需注意的是结构平面高程选择，由于0号与11号桥台高程并不相同，故在项目文件合并模型时需在结构平面上预先设置完成。通过桥梁平面图将桥墩、桥台放入到指定位置上，最终得到桥梁整体模型，如图5。

图5 桥梁整体模型Fig. 5 Overall bridge model

3.2.2 深化设计

在设计中，Revit可生成构件信息库，能实时更新工程构件的相关信息，如加工状态、试验数据等。各部门、工程人员都可从中随时调取信息以供项目后期管理和运营，又能将更新信息反馈到库中，从而实现了工程信息不间断传递和高度实时共享。

红河大桥设计中，在创建构件过程中可实现将工程信息录入到“族”类型中，如图6。该技术克服了信息丢失、传输困难等问题，实现了生产效率提高，打破传统构件生产水平限制，不仅保障了质量问题，也能保证整个主线桥的顺利建设、按时完成。

图6 BIM设计信息化设置界面Fig. 6 BIM design information setting interface

模型构件是承载各类几何和非几何信息的常用模型单元[15]。故其中的信息处理及提取等步骤也至关重要。在工程建设之前将所有构件信息进行提取后分门别类处理存储，而基于Revit的提取构件信息及结构安全信息二次开发插件可保证信息有效传递，防止缺失；最重要的是该插件输出文件形式为文本文档格式，能使信息充分共享，并快速提取，如图7。

图7 BIM模型参数提取示例Fig. 7 BIM model parameter extraction example

3.3 模型信息编码

根据BIM模型数据编码规则，将红河大桥设计步骤分为3阶段：项目工可阶段、初步设计阶段和施工图设计阶段。

项目工可阶段具体包括：① 提供前期资料，明确工程工可阶段范围和内容；② 进行桥梁方案设计，确定梁式大桥工可模型和设计信息；③ 进行方案可行性分析，通过工可模型确定最优方案；④ 将桥梁初步工可模型上传到协同共享平台，为其他专业进行工可阶段模型设计提供协同参照。

初步设计阶段具体包括：① 在工可设计成果的基础上进一步加深方案模型，并简述施工方案为施工图设计做准备；② 完善总体设计信息，包括跨径、桥梁总长及横断面布置，确定桥面标高及坡度等总体初设信息；③ 完成桥梁初步设计内容后，提交桥梁专业负责人进行初设专业校审；④ 将桥梁初步的初设模型上传到协同共享平台以提供协同参照。

施工图阶段是桥梁工程设计最后阶段，具体包括：① 在初步设计阶段的桥梁模型基础上加以具体和加深，深化主要构造和细部设计；② 注明施工过程中的注意要点等信息，使得各种技术指标满足规范要求；③ 完成施工图设计后，将模型提交至桥梁专业负责人进行校审；④ 将模型上传到协同共享平台提供协同参照。

按表1，红河大桥模型信息编码见表5。根据桥梁结构构件模型信息编码(表2～表4)，得到红河大桥中各个构件模型信息代码，如表6。

表5 红河大桥模型信息交换编码Table 5 Model information exchange encoding of Honghe Bridge

表6 红河大桥模型构件信息编码Table 6 Model component information encoding of Honghe Bridge

将上述工程编码信息按照相对应的桥梁工程设计技术路线依次以资源层、核心层、共享层及领域层顺序向下进行传递。这样可避免信息疏漏，全面、有效及准确的将工程信息交付给建设单位和运营部门。待效益、环保等部门审核合格后项目可正式运营。

4 结 语

随着BIM技术在桥梁设计领域地位的不断提高，应用方式也逐渐成熟；但对我国而言，BIM技术大多仅停留在建模阶段。笔者首先以BIM技术中的IFC标准为基础，优化了基于BIM的桥梁设计及施工管理技术模型；同时以红河大桥施工图设计实际项目为例，利用Revit软件规范了桥梁BIM模型的设计模式及步骤，提高了模型设计效率；最后根据建筑信息模型分类标准构建了桥梁BIM模型信息数据编码规则，填补了我国BIM桥梁编码理论空白，为BIM技术应用于桥梁建设提供了理论支持和技术经验。

随着桥梁形式逐渐增多，基于BIM的桥梁模型设计方式和BIM桥梁编码理论也应进一步完善，但BIM技术的优势尚未完全体现。故笔者下阶段研究重点是：如何将模型信息代码应用到BIM各软件的数据交换。相对传统设计方式及信息处理而言，BIM技术能显著提高设计效率，缩短项目建设周期。