BIM技术在丰乐汉江公路大桥正向设计中的应用*

2022-06-04南进江钮志林史学骏

施工技术(中英文) 2022年8期

南进江，钮志林，史学骏

(1.中交路桥建设有限公司，北京 100097； 2.中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100097； 3.中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃兰州 730000)

0 引言

随着BIM技术应用被国家列为提升建筑企业信息技术发展的重要方向，BIM的应用是建筑工程信息化发展的必由之路。目前，国内BIM技术的应用主要用于建筑工程、轨道交通工程等领域，在公路工程领域中应用较少。而桥梁工程作为公路工程的重要组成部分，应率先完成传统设计到BIM技术应用的过渡，实现可视化、参数化、构件关联性及协同等设计。为有效促进公路桥梁专业技术转型，本文主要针对悬浇法施工预应力混凝土箱梁桥0号块的正向设计方法进行讨论。

1 工程概况

丰乐汉江公路大桥工程是省道482跨越汉江的控制性工程，起于胡集镇，向东跨越汉江，止于丰乐镇，全长2.319km。主桥采用变截面悬浇连续梁结构，结合桥位总体走向，考虑通航、防洪、工程造价等因素，主桥主跨布置为2×160m，西岸边跨57m跨越防洪堤，桥梁跨径为(57+88+2×160+92)m，总长557m，分2幅布置，主桥位于11～16号墩。全桥BIM模型如图1所示。

图1 全桥BIM模型

2 BIM正向设计难点

BIM是指建筑及其设施的物理功能和功能特性的数字化表达，在建筑工程的全寿命期内提供共享的信息资源，并为各种决策提供基础信息。相比传统设计，BIM正向设计是由二维设计向空间三维数字化信息模型的发展，在设计过程中，除了设计工具的不同，设计思维及呈现方式等均有较大差异。因此，BIM正向设计在桥梁工程中的推广过程也较为缓慢。

1)适用性差根据公路地形复杂程度不同，桥梁结构形式选择也大为不同，常用结构形式有梁式桥、刚构桥、拱桥、斜拉桥及悬索桥等，结构具有复杂性、不规则性，且模型精度要求高。常见正向设计软件为通用性软件，对于桥梁工程而，标准化构件库完整性较差，特殊构件建模复杂，效率低，无法满足中国设计标准及工程建设需求，对工程适用性较差。

2)BIM设计人员培养要求高正向设计要求设计人员充分理解BIM的核心理念、特点及设计流程，要求设计人员对BIM设计软件熟悉程度、建模及出图效率较高。因此，各设计院需针对公司情况，组织各专业人员对基于公司规定设计软件的BIM正向设计进行培训，使设计人员掌握二维图纸设计到三维建模，再由三维模型到图纸表达的处理及各专业间通过模型协同设计的过程，相比传统设计要求较高。

3)交付标准不完善由于国内BIM设计技术起步较晚，目前各行业对于设计交付标准要求尚不完善，缺乏规范指导。现阶段建设单位仍要求以二维设计图纸作为交付物，设计人员在完成BIM正向设计的同时仍需按传统方式进行图纸设计，加大了设计人员工作量，也使翻模成为目前三维设计的主要方式，违背了正向设计高效性、关联性、协同设计的理念。

4)回报率低国内BIM正向设计正处于推广阶段，对于不同阶段设计成果并未形成一套完善的设计费用制定标准，模型多用于工程及设计亮点展示方面。因此，对于设计单位，正向设计具有短期内回报率较低、投入较大、无法进行创收等缺点。

3 0号块BIM正向设计

3.1 设计软件

目前桥梁工程BIM正向设计工程实例较少，选择的设计软件也各不相同，应用较广泛的主要有Revit，Bently，Dassault软件。通过对比分析，本工程预应力混凝土箱梁桥0号块正向设计采用基于Bentley公司Open Roads Designer平台进行二次开发的SW Tools，该工具集的使用适用于中国规范及设计习惯，实现工程建模快速化、出图便捷化、工程量统计准确化等技术难题，目前已趋于完善。

通过深入研究，研发出基于二次开发的SW Tools工具解决预应力混凝土箱梁桥正向设计的方案。该解决方案参考传统设计流程，根据构件分类将整体桥梁模型拆分成局部模型，通过SW Tolls强大功能快速进行参数化建模，同时各部件之间具有关联性，通过参照方式保证实时更新联动。桥梁正向设计流程如图2所示。

图2 桥梁正向设计流程

3.2 设计难点

主桥上部结构采用变截面悬浇连续梁，桥型较为复杂，梁高按1.8次抛物线变化。0号块作为悬浇连续梁最重要的组成部分，结构空间受力复杂，采用纵、竖、横三向预应力体系，普通钢筋设置密集。二维设计图纸通过横断面、立面等平面示意，表达方式简单，但无法模拟三维空间关系。BIM正向设计打破原有设计模式，完美展现结构、钢筋、预应力钢束空间位置关系，同时也面临空间定位难、操作不便等难题，而以工程实例为背景不断更新研发的正向设计软件SW Tools，通过强大的设计工具集解决了该难题。

3.3 建立模型

3.3.1结构及预应力钢束模型

桥梁设计需首先确定路线的平面、纵断面及横断面等基本信息，参照总体专业提供的具有上述基本信息的廊道模型，应用桥隧管廊工具栏激活Bdas/Midas梁程序，填写桥梁起点里程，选择计算数据即可沿路线中心线生成带纵坡的3D桥梁整体模型，同时可勾选平面、立面模型，生成桥梁结构模型。

目前，SW Tools支持导入Bdas/Midas计算数据的方式生成结构模型。在建立计算模型时，需准确输入模型材料、钢束信息及截面信息，在完成结构分析的同时可快速生成BIM结构模型，实现计算软件与模型软件的一致性。预应力钢束与结构模型导入同时进行，齿块通过特征名称、材料规格、高度、宽度及扩大角点等参数设置，自动生成模型。

3.3.2普通钢筋模型

作为结构设计中最重要的组成部分之一，钢筋模型质量的好坏直接影响桥梁工程的安全。在传统施工图设计中，配筋设计只能在二维平面内进行图纸表达，无法看到钢筋实体形状。同时，钢筋模型较复杂，种类繁多、形状各异，且定位难度大，是BIM正向设计最难实现的目标之一。SW Tools对程序进行开发，在建立实体模型的基础上，通过钢筋工具集进行快速、批量化钢筋建模，主要通过批量钢筋、纵向钢筋、面约束钢筋、面投影钢筋、箍筋工具等进行参数输入式三维可视化配筋设计，同时钢筋修改功能可在原设计参数基础上进行快速调整。

1)顶板横向钢筋可使用批量钢筋工具，先将钢筋在正确位置按实际形状绘制，然后赋予SW工程属性，激活批量钢筋工具，选择钢筋布置间距及方向，沿着结构纵边进行批量布置，此方法适用于任何形状钢筋。同时也可采用单向钢筋工具，输入布置钢筋信息，选择结构实体及实体的2条边，生成钢筋。顶板横向钢筋模型如图3所示。

图3 顶板横向钢筋

2)底板横向钢筋底板横向钢筋和顶板横向钢筋位置一一对应，可通过生成的顶板钢筋选择的投影面和方向进行投影，然后赋予钢筋属性，生成底板钢筋。也可通过面约束钢筋建立，选择实体的边和面布置钢筋，设置保护层厚度、起终点长度、弯钩等参数生成钢筋。底板横向钢筋模型如图4所示。

图4 底板横向钢筋

3)箍筋可使用箍筋工具，根据模拟箍筋施工过程，选择4根普通钢筋，根据布置情况输入材料、直径、间距等参数，确认后生成箍筋。如果只选择2根钢筋，则生成拉筋。箍筋模型如图5所示。

图5 箍筋

在配筋过程中采用多窗口操作模式，可通过立面投影核实配筋要求，同时在三维视图中观看配筋效果，并且在配筋完成后通过碰撞检查功能核实钢筋冲突问题，大大提高了钢筋模型的建模效率和准确性。钢筋模型如图6所示。

图6 钢筋模型

3.3.3图纸输出

施工设计图为传统设计行业交付的最终成果。而BIM正向设计中，图纸输出包含三维可视化技术，通过模型形成立体展示并加以标识，表达上更加简便直观。同时，对于复杂构件，设计师可根据需求对模型切割成剖面视图，将可视化三维视图和传统二维图纸结合表达作为交付成果。BIM正向设计可保证图纸和设计模型一致，极大地降低了人为修改图纸的错误概率，提高了图纸准确度。

3.3.4工程量统计

BIM为富含工程信息的数据库，可真实提供工程量信息。相比传统设计文件中通过人工对各分项数量求和，BIM正向设计的构件工程量统计则是通过计算机对信息数据库进行分类提取。对于工程实例中预应力混凝土箱梁桥0号块构件，主要工程量为混凝土、普通钢筋及预应力钢束。根据模型建立时材料赋予的属性，计算机可快速按照材料属性类别由模型自动生成结构工程数量表，钢筋模型通过自动编号功能对钢筋进行编号并生成钢筋大样图及工程数量表，实现工程量信息与设计方案完全一致，大大提高了工程数量统计效率，减少了繁琐的人工操作和潜在错误。