桥梁群桩基础结构BIM正向设计技术及工程应用

罗乐根

(黄茅海跨海通道管理中心，广东 珠海 519000)

0 引言

BIM广泛应用于桥梁工程领域，从设计、施工、运维阶段，贯穿桥梁全生命周期。在设计阶段，BIM技术最重要的功能——正向设计，BIM正向设计即在三维环境中直接开展设计的行为，包括分析项目需求、总体设计、方案比选、构件设计、输出设计成果等基本过程。常泰长江大桥应用BIM技术分别对钢桁梁[1]和主塔[2]进行正向设计，介绍了不同构造的正向设计思路；周晓陵[3]对全钢结构斜拉桥桥塔区锚固构造进行了正向设计，并将BIM模型和有限元计算模型关联起来进行结构受力计算。

BIM技术在桥梁设计中发挥的作用越来越大，目前对于多塔斜拉桥的BIM正向设计技术，针对钢梁、主塔、钢锚梁等构造分别进行了探索，但是对于钢筋构造BIM的正向设计尚未涉及，因此本文依托黄茅海大桥工程，通过参数化驱动，实现桩基、承台、塔座钢筋正向设计。

1 工程概况

黄茅海大桥作为黄茅海跨海通道工程的通航孔桥，跨径布置为100m+280m+720m+720m+280m+100m，为主跨跨径2×720m的独柱塔双索面三塔斜拉桥。主梁采用分离式钢箱梁+横向连接箱，钢箱梁梁高 4.0m，宽度50m。全桥共设置3×4×24=288 根斜拉索，中塔设置4×5=20根辅助索。索塔采用混凝土独柱塔，索塔基础采用变截面群桩基础和椭圆形承台，上部设置锥台形塔座。桥梁总体布置如图1所示。

黄茅海大桥的基础桩基、承台、塔座的尺寸见表1，若采用传统的设计方法，存在以下问题：

表1 主桥基础尺寸(单位：m)

(1)全桥桩基、承台塔座尺寸种类多，配筋方式也不尽相同，因此设计人员需要根据不同尺寸来绘制钢筋构造图，工作量重复。

(2)后期基础尺寸、钢筋设计方案的修改带来图纸绘制、钢筋数量统计的重复工作量。

(3)二维图纸数量统计不精准，复核较为繁琐，且不一定能够发现错误。

如采用正向设计，对同类型不同尺寸的基础构造，只需建立一个参数化驱动的BIM模型，后期基础尺寸改动、钢筋配筋方案改动等可直接通过修改驱动参数来调整模型，二维图纸随之更新，后期设计复核只需检查三维模型，也可避免二维设计过程中的错漏碰缺等问题。因此基础钢筋构造采用BIM正向设计，由三维模型交付出的二维图纸，在确保图模数据一致的同时，还可实现便捷的联动修改，自动化地完成大量重复的工作，提高深化设计的效率。

2 基于BIM的正向设计

2.1 群桩基础结构BIM设计思路

基于基础构造的参数化BIM模型，通过参数模板实例化的建模方式，调节控制参数，构建承台、桩基、塔座的钢筋模型构件库，驱动模型以适应不同的构件尺寸和设计方案。通过三维参数化模板+二维出图的模式，满足施工图设计的深度，实现斜拉桥基础钢筋构造的正向设计。斜拉桥正向设计具体的技术路线如图2所示。

图2 斜拉桥正向设计技术路线

2.2 群桩基础结构BIM设计软件平台比选

桥梁领域内应用较为广泛的建模软件有Bentley、Revit和Inventor。

2.2.1 Bentley

Bentley通过一种描述语言PCL(Parametric Component Language)并在MicroStation平台上开发了相应的语言解释器,以实现结构体的参数化[4]。对于驱动参数较多的构件，这种方法定义输入参数较为复杂、容易出错，不适用于参数化便捷驱动[5]。

2.2.2 Revit

Revit+Dynamo模式可实现参数化模板，但存在一些问题：

(1)Dynamo是主要建立模型的软件，而Revit是建立的模型载体，二维出图系列操作需在Revit中进行，相互之间的调用关系复杂。

(2)Revit中的标注是基于构件进行标注，而Dynamo每次生成的模型是将之前的模型删除，重新生成一个新的模型，因此相关标注会消失。

2.2.3 Inventor

Inventor零件+装配模式可以较好地解决Bentley和Revit软件在设计过程中存在的问题：

(1)在几何草图的基础上，通过拉伸、放样、扫掠等多种方式满足不同的三维造型要求。

(2)结合构件特性和后期修改的需要，在几何草图中可使用几何约束功能，以减少相关的输入参数，精简实例模板的驱动参数。

(3)Inventor的自动创建视图功能和绘图工具，较大提高了输出二维图纸的效率。另外，工程图与三维模型是相关联的，对关联模型进行更改后，工程图均可自动更新。

(4)Inventor零件+装配的模式可将不同类型的钢筋定义成零件，形成多种钢筋零件库，在部件中进行零件装配，不同零件相互之间的位置关系可通过约束定义确定，也方便统计不同种类钢筋的数量。

综上所述，Inventor软件符合基础钢筋正向设计的需求，最终选定Inventor作为BIM正向设计平台软件。

3 参数驱动BIM模型的创建

目前桥梁专业的BIM模型主要采用“骨架+模板实例化”的建模技术，这是一种“自顶向下”和“自底向上”相结合的混合建模方法。桩基、承台、塔座的三维模型即骨架，作为钢筋构造的承载体，然后利用“模板技术”为同类型构件定义参数化模板，并利用“批量实例化技术”，以自底向上的方式批量生成完整的项目模型。

首先确定桩基、承台、塔座的混凝土构造驱动参数，在构造模型的基础上，输入保护层厚度，确定钢筋边界位置；接着根据各种类型钢筋的尺寸、位置、根数，输入相关参数形成参数化模板，并基于软件iPart组件构建关键结构的构件库。

表2 正向设计驱动参数

3.1 混凝土构造BIM模型

以中索塔为例，中塔桩顶以下37m桩径3.0m，37m以下到桩底桩径为2.5m，承台为长轴51m、短轴40m的椭圆形，高6m。上部设置3m厚的塔座，塔座为锥台形式。中塔基础BIM模型如图3所示，模型中基础构件驱动参数如图4所示。

图3 基础构件BIM模型

图4 基础构件驱动参数

3.2 钢筋BIM模型

先定义好主驱动参数并赋予初值，再将创建的钢筋驱动参数与几何草图中的尺寸约束关联起来，实现尺寸标注有参数驱动。为了减少参数数量，尽可能采用几何关系约束建模，例如以镜像阵列的方式。实际工程中钢筋存在弯钩，钢筋BIM模型由于出图限制，可将钢筋弯钩省略，统计工程量时将弯钩部分的数量加上即可。

创建参数化模板流程：首先在二维草图中建立钢筋的骨架，测试保护层厚度、钢筋间距、根数等驱动参数的可适应性；然后在骨架的基础上赋予钢筋直径轮廓；再通过阵列、镜像等方式形成完整的钢筋参数化模型。桩基、承台、塔座的钢筋BIM模型如图5～图7所示。

图5 桩基参数化BIM模型

图6 承台参数化BIM模型

图7 塔座参数化BIM模型

4 自动化二维出图

目前二维图纸仍是最终的设计交付物，如何快速准确地生成符合施工要求的二维图纸，是实现正向设计的关键。三维设计出图是协同设计的一个环节，离不开统一的协同设计规则，同时对建模也有一定的要求，形成标准规范的设计图纸。

三维设计出图的主要流程：

(1)统一出图样式。在出图前统一图框设置、标题栏设置、标注样式、文字样式、线型线宽、剖切样式等图纸要素。

(2)切图模型筛选。三维设计模型和工程图在两个文件中进行，工程图文件中选定设计模型作为基础视图，在此基础上，根据图面布局选择投影、剖视或局部视图，并针对不同视图的特点控制局部模型的显示或隐藏，保证图面清晰整洁。相关放置视图如图8所示。

图8 视图放置方式

(3)动态切图剖分。三维动态切图可以切二维剖面图及详图大样图，也可以切出三维线框图和三维立体彩图等新型图纸表达方式。剖视图可控制剖面位置以及剖切深度，剖面位置可约束到模型上，当设计模型更改时，剖切位置不会随意变动。局部视图可展示局部大样图或1/2视图、1/4视图。针对细长类型的桩基钢筋构造图，选定合适的位置添加断裂符号，在有限的图幅内表达清楚设计思路和保证图面布局。桩基钢筋切图成果如图9所示，承台钢筋构造大样如图10所示。

图9 桩基钢筋构造三维设计图纸

图10 承台钢筋构造大样

(4)图纸标注布局优化。标注比如：钢筋符号、钢筋编号、剖面符号、断面符号、净保护层厚度、标高、剖断面标题等常用符号做成草图符号插入，形成制图常用符号库(图11)，以加快制图速度。

图11 常用草图符号

传统钢筋图的钢筋用线条或点来表示，钢筋三维设计时，工程图中的钢筋构造剖切出是两根轮廓线和圆的效果，更能体现出钢筋之间相互交错的关系。然后进行尺寸标注，各类型的钢筋按照间距大小从内到外依次标注，最外层标注混凝土构造尺寸。完成图纸标注后，将平面图、立面图、侧视图、大样图等按照图幅大小调整比例尺组图，目的是能清晰表达设计方案且图面布局整洁，以承台钢筋立面图为例的标注成果如图12所示。

图12 承台钢筋立面图标注效果

(5)工程量统计分析。三维BIM模型通过开发的插件一键导出各种类型钢筋的体积,在excel中计算出钢筋长度、重量等数量，同时将弯钩的数量计入，再通过工程图链接excel的方式插入钢筋明细表。钢筋插件一键导出体积如图13所示，钢筋数量表链接excel如图14所示。

图13 钢筋插件——一键导出体积

图14 钢筋数量表链接excel

5 结语

基于对大跨径斜拉桥基础钢筋进行BIM正向设计，创建了融入设计关联参数的参数化BIM模型库；基于BIM平台构建尺寸线、标注符号、颜色、线宽、图幅、字体和视图等配置系统，介绍了图纸标注、调整布局以及工程量统计的方法，最终形成二维图纸交付成果。后期设计方案修改时，只需修改三维模型，二维图纸即可更新，效率远高于传统的制图方法，并且减少了图纸出错的概率。

BIM正向设计技术在黄茅海大桥工程基础中的应用，为今后实现大跨径斜拉桥的三维参数化设计提供了工程实践经验。