高铁连续梁桥BIM参数化建模及其工程应用

何祥平， 王浩， 郜辉， 茅建校， 郎天翼， 王飞球

(1.东南大学 混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，江苏 南京 211189； 2.中铁二十四局集团江苏工程有限公司，江苏 南京 210038)

大规模的高速铁路建设满足了人们日益增长的交通需求，促进了铁路交通事业与国民经济的发展[1-2]。高速铁路建设多采用“以桥代路”方式来提升线路的平顺性和安全性。以沪杭高铁和京沪高铁为例，其桥梁里程分别约占总里程的90%和80%[3]。大跨度预应力混凝土连续梁桥是高铁桥梁的重要结构形式[4]，具有力学性能优异、平顺性与稳定性高的优点。但高铁连续梁桥粗放式的施工管理模式制约了桥梁建设向信息化、数字化建造方向的发展，桥梁施工管控水平有待提高。

近年来，建筑信息模型(building information modeling, BIM)的发展为提升桥梁施工管理信息化水平提供了有效手段。依托互联网、物联网等计算机技术，建立项目三维模型可实现施工过程管理的可视化，解决工程结构在勘察、设计、施工、运维等环节效率低下、配合不利的问题[5]。在桥梁工程领域，BIM技术的典型应用主要包括：BIM建模与桥梁正向设计[6-8]、有限元软件交互[9-10]、施工过程模拟[11-12]、可视化交底[8,13]、数字化监测和运维[14-17]等。其中，参数化设计、构件关联性设计、参数驱动形体设计是BIM建模与桥梁正向设计的主要特征。但桥梁BIM模型具有种类少、数量多、空间位置复杂的特点，逐一建模方式存在模型利用率低、建模工作量大、信息传递效率低等问题[18-19]，不能充分发挥BIM参数化和信息集成特性的优势。此外，BIM技术在桥梁施工过程中的应用也有待进一步研究。

为此，本文以连徐高速铁路新沂河特大桥为工程背景，建立了一种基于BIM技术的高铁连续梁桥参数化快速建模方法，并开展了BIM模型在预应力孔道放样、满堂支架施工等方面的工程应用研究，成果可为提升高铁连续梁桥建设信息化水平提供重要参考。

1 高铁连续梁桥参数化建模方法

针对高铁连续梁桥逐一建模方式的模型重复利用性差、建模效率低等不足，建立了一种基于BIM技术的高铁连续梁桥参数化快速建模方法。其基本思想是将桥梁通用构件的形体、材质等信息参数化，通过修改关键参数实现同类构件的快速建模，提升高铁连续梁桥的整体建模效率。该方法的基本流程如图1所示，主要包括以下步骤：1)将桥梁结构及施工机械按照施工方式、施工阶段等不同原则进行模块化分解；2)明确各构件的控制参数(尺寸、形状、材质、数量等)以及结构关系，初步建立桥梁结构及施工机械的参数化“族”；3)调试参数化“族”模型，建立桥梁结构及施工机械的参数化族库。在完善桥梁主要构件参数化族库后，即可快速集成桥梁结构模型，具体流程如图2所示。

图1 高铁连续梁族库的BIM参数化建模流程Fig.1 Parametric modeling process of family library of high-speed railway continuous beam bridges using BIM

图2 桥梁结构模型快速集成Fig.2 Rapid integration of bridge structure model

2 工程背景与建模实例

2.1 工程背景

以图3(a)所示的连徐铁路新沂河特大桥跨径布置为(40+72+40) m的连续梁建模为例，该桥上部结构为单箱单室预应力混凝土连续箱梁，具有直腹板、变截面、变高度的特点，施工示意图见图3(b)。0号块临时固结施工形成“T”构后，采用三角挂篮和满堂支架进行对称悬臂现浇施工。

图3 连徐高铁新沂河特大桥Fig.3 The Xinyi River Bridge of Lian-Xu High-speed Railway

连续梁各节段的截面高度、底板厚度等随着桥梁底部曲率而变化，需分节段建模提升建模效率。节段尺寸之间的几何关系可通过设置控制参数进行调整，进而实现桥梁构件的快速建模，节约连续梁桥BIM模型的建模时间，提高工作效率。

2.2 桥梁结构参数化族

2.2.1 箱梁节段参数化族

连续梁桥上部单箱单室箱梁分为多个节段，除0号块外，各节段结构形式相同，顶板厚度与腹板厚度一致，仅尺寸存在差异，因此可建立除0号块外的箱梁节段参数化族模型，0号块仍单独建模。为实现箱梁节段参数化建模，对模型进行了一定的简化处理，如不考虑箱梁顶部的双向横坡与内部的齿块，将每节段的截面高度与底板厚度视为线性变化。在此基础上，将箱梁长度、截面高度、顶板厚度、底板厚度和腹板厚度等几何信息作为建模参数，建立箱梁节段参数化族，如图4所示。以Autodesk Revit族为例，具体建模步骤包括：1)在“族”编辑器中，设置布局参照平面；2)根据图纸特点，添加模型尺寸标注及标签；3)绘制几何图形并锁定到参照面；4)设置“族”属性，包括参数命名、参数计算公式、参数单位等。

图4 箱梁节段参数化族及结构模型Fig.4 Parametric family and structural model of beam segments

2.2.2 下部结构参数化族

连续梁桥下部结构主要包括桥墩、承台和桩基，桥梁桥墩往往采用相同结构设计或对称结构设计。根据桥梁图纸设计特点，在建模时可选择建立桥墩-承台-桩基一体化族，以节省桥梁其他位置下部结构的建模时间。桥墩-承台-桩基一体化族由圆端实体形桥墩、矩形承台和钻孔灌注桩组成，其建模参数为圆端实体形桥墩的截面高度、承台顺桥向长度、承台横桥向长度、承台高度、桩基长度、桩基直径、桩基数量等，如图5所示。

图5 桥墩-承台-桩基一体化族Fig.5 Integrated family of pier-cap-pile foundation

2.2.3 连续梁预应力钢绞线参数化族

预应力钢绞线建模是整个桥梁建模过程中工作量最大的。预应力钢绞线不仅数量多，其尺寸和位置也随箱梁节段截面不断变化而变化，采用参数化建模方式，以箱梁节段截面为参照平面建模，可以很大程度上节约建模工作量和建模时间。

图6为建立的预应力钢绞线参数化族，根据布设形式，建模方法有以下2种：1)对于布设形式为平面曲线的预应力钢绞线，直接导入钢绞线线形，利用常规族进行建模；2)对于布设形式为空间曲线的预应力钢绞线，通过对平曲线和竖曲线拉伸出的平面做差集运算获得空间曲线，建立钢绞线线形后再进行建模。

图6 预应力钢绞线参数化族Fig.6 Parametric family of prestressed steel strands

2.3 施工机械参数化族

2.3.1 三角挂篮参数化族

三角挂篮是连续梁桥平衡悬臂现浇法施工中的重要机械设备，主要由主桁及横联、侧模架、内模架和底模架等组成。对于采用相同结构形式三角挂篮进行悬臂现浇施工的同类型连续梁桥，可将三角挂篮的主桁间距作为参数化建模的控制参数，通过修改主桁间距快速建立三角挂篮的BIM模型，如图7所示。

图7 三角挂篮参数化族Fig.7 Parametric family of triangular hanging basket

2.3.2 贝雷架参数化族

贝雷架是用来搭设钢栈桥、满堂支架平台等支护设施的关键构件。其结构尺寸固定，通过拼接组成更大型结构或平台，因此宜将贝雷架的横向数量和纵向数量作为参数化建模的控制参数，通过修改横向数量和纵向数量可建立贝雷架参数化模型，如图8所示。

图8 贝雷架参数化族Fig.8 Parametric family of bailey rack

2.4 连续梁桥模型与施工现场整体模型

2.4.1 连续梁桥模型

依据施工图纸和施工方案，以桥梁结构参数化族为基础，建立如图9所示的高铁连续梁桥整体结构模型。连续梁上部结构除0号节段单独建模外，其他节段以参数化族为基础，将施工节段信息导入后直接生成上部结构模型。下部结构以桥墩-承台-桩基一体化族为基础进行参数化建模。

图9 连续梁桥结构模型Fig.9 Structural model of continuous beam bridge

在高铁建设中，同一线路不同桥址的连续梁桥通常采用相同的结构形式与施工方法，因此上述针对(40+72+40) m连续梁的参数化建模方法可应用于同类型的其他连续梁桥，缩短同类模型的建模时间，降低重复性工作，并保证几何和材料上的信息一致性，从而发挥参数化建模的真正作用。

2.4.2 施工现场整体模型

在完成连续梁模型的建模基础上，通过添加施工机械模型(包括三角挂篮、贝雷架、支架等)、施工场地模型(包括农田、滩涂等)，即可建立施工现场整体模型，如图10所示。基于施工现场整体模型，可直观展示大跨度连续梁桥结构，提升桥梁施工方案可视化表达效果，为施工各方沟通提供三维虚拟施工环境。

图10 桥梁现场整体模型Fig.10 Corporate model of construction site

3 施工阶段BIM技术典型应用

预应力施工和满堂支架施工是大跨度混凝土连续梁桥施工中的重要环节。为提升预应力孔道放样的精准度、优化满堂支架施工方案的表达效果，基于建立的桥梁模型，开展了BIM模型在预应力孔道放样、满堂支架施工等方面的工程应用研究。

3.1 预应力孔道放样

预应力混凝土施工过程中，应在穿设钢绞线前，按照设计的孔道坐标进行预应力孔道放样，以保证预应力钢束的线形，使预应力混凝土箱梁建成后处于全截面受压状态，进而保障现场施工安全和桥梁运营寿命。

目前，预应力孔道的放样主要依据二维施工图纸，在实际施工时常存在以下2个方面问题：1)桥梁施工图纸设计时仅包含部分施工截面的预应力孔道放样图，在指导施工时费时费力；2)当预应力曲线布设为空间曲线时，需根据图纸中的平曲线和竖曲线协调量测，工作量大且容易出错。

针对预应力孔道放样工序中存在的问题，基于BIM模型对预应力孔道放样施工进行了优化，其流程如图11所示，具体包括以下3个步骤：1)校核桥梁上部结构模型以及预应力孔道模型；2)定位关键剖面，包括箱梁节段端部截面、预应力曲线起/终弯截面等；3)剖切关键截面并标注孔道位置，进而输出预应力孔道放样图。

图11 基于BIM的预应力孔道放样流程Fig.11 Flowchart of prestressed ducts lofting based on BIM

工程实践表明，通过输出所有关键剖面的孔道放样图，可提高空间曲线预应力孔道的放样精准度，弥补传统施工模式对施工人员自身经验的依赖性带来的作业精度和效率低下等不足。

3.2 满堂支架施工及工程量计算

满堂支架由多种不同型号的杆件搭设而成，准确高效地表达满堂支架施工方案有利于保证施工期间满堂支架的结构安全。考虑到不同杆件构造相似，除材质不同外，仅尺寸存在差异，在满堂支架建模时将内外直径、杆长等构件尺寸作为主要控制参数，辅以材质颜色，以快速建立不同型号及规格的杆件模型。如图12所示，将立杆1.5、1.0 m和横杆0.9、0.6 m分别采用不同颜色区分，工程应用表明上述方法能高效表达满堂支架搭设方案，提高施工效率。

图12 满堂支架建模示例Fig.12 Examples of full scaffold modeling

此外，在进行物资采购与工程款结算时，需精准统计满堂支架施工所用杆件的型号、数量。利用软件明细表中“明细表/数量”和“材质提取”功能，依据构件规格、材质进行分类、分项统计支架工程数量，如图13所示，以盘扣式脚手架1.5 m立杆为例，统计出整个工程共计7 548根，进而为桥梁施工的物资采购、工程款结算提供了精准依据，实现了满堂支架施工过程中的成本控制。

图13 支架工程量统计Fig.13 Statistics of scaffold engineering quantity

4 结论

1)基于BIM的参数化建模方法适用于高铁连续梁桥，通过完善高铁连续梁桥的BIM参数化族库，可减少建模工作量，提升建模效率，还能将建立的参数化族库直接应用于同类工程；

2)将BIM模型与预应力孔道放样结合，提升了包括空间曲线形式在内的预应力孔道放样定位的精准度与效率；

3)通过材质、几何信息区分不同型号及规格的支架杆件，提升了满堂支架施工方案的表达效果，同时可以高效便捷地计算满堂支架施工的工程量；

后续将进一步推广本文BIM参数化建模方法在其他施工方面的工程应用，如装配式工程施工、施工进度精细化控制等，为提高BIM技术在施工阶段的应用水平提供参考。