基于BIM的桥梁工程设计与施工优化研究

谢俊明

（贵州高速公路集团有限公司,贵州 贵阳 550003）

0 引言

信息化建筑模型（BIM）作为我国绿色化建筑发展的重要信息技术手段，能够采取智能化、三维可视化等方式实现工程项目设计施工阶段的辅助优化。相对于以往传统的项目管理模式，BIM技术能够极大程度地缩减建设成本，优化项目建设速率。BIM技术在不同工程行业中得到了大范围应用及认可，技术储备较为丰富成熟，但是BIM技术在桥梁工程中对于复杂构件的设计施工研究相对较少，该文主要对BIM技术桥梁模型优化设计及施工应用进行探讨，以此为桥梁工程建设提供必要支撑。

1 工程概况

贵州省某跨河大桥是衔接省市及周围区县的重要交通设施，承担地铁交通、物流车辆运输的关键作用，设计大桥主要为3跨连续钢桁架结构，上部结构采取刚性悬索加劲，跨径（140+260+140）m，全长540 m；上部结构中上层则设计为城市主干路，双向六车道，设计车速80 km/h，断面设计宽度32 m，其中“人行道（2 m）+桁架立柱（2 m）+车行道（11 m）+中央分隔带（2 m）+车行道（11 m）+桁架立柱（2 m）+人行道（2 m）”。下层则设计为轨道交通通道，双向轨道设计，轨道结构为浮置板式道床构造，设计宽度28 m。桥型断面布置如图1（a）所示，场景应用效果图如图1（b）所示[1]。该桥梁上部设计有双层钢桁架结构，其主桁由2片桁架构成，钢桁架断面为26 m×12.5 m矩形设计，桁架上弦距离悬索最大距离为25 m。该项目设计施工存在较大的复杂程度，主要表现为该桥型建设位置偏向于居住区，周围存在数量较多、分布密度较大的新老建筑物，且地下系统管线分布较为繁杂，现场施工组织及协调难度极高。

图1 断面设计示意图

2 BIM精细化模型构建

2.1 附属设施

该大桥项目BIM模型构建中需要考虑多个不同构建种类，如大桥附属设施、钢桁架主桁、异形桥墩等。其中，大桥附属设施主要包括地面标线、交通安全设施、标志牌、排水系统、照明设施、行人系统等。项目为简化附属设施精细化设计过程，拟采取Micro Station软件进行附属设施构件单元库创立，依据不同构件的分布空间进行布置。对于同一类别的交通设施构件则需要设置成DGN文件，这有助于避免设计提及量过多导致的布置空间交叉错乱缺点。该大桥项目BIM设计主要包括150个相关构件，且多数构件都可以进行尺寸参数的调整优化。附属设施单元如图2所示[2]。

图2 附属设施示意图

2.2 钢桁架主桁

依据项目建设施工实际环境，主要将桥梁结构分为上部钢桁架、下部异形桥墩及基础三个部分。上部结构表现为双层钢桁架构造，施工对于构件的精度要求较高，且结构布置相对复杂，上部钢桁架结构BIM建模主要以编程形式开展；桥梁下部结构则采取多曲面异形空间薄壁空箱设计，弧形外观控制相对较难。项目组拟采取Dynamo进行钢桁架模型构建。上部钢桁架结构中的主桁包含2片桁架，桁架中心横向距为26.5 m，节间长度12.5 m，中心桁架高度达到了12.8 m，竖杆三角桁架布设在立面。桥梁上部钢结构Dynamo精细化参数模型分析中，桁架截面、U型横肋、正交异性桥面板等不同尺寸参数可进行动态变化，以满足不同要求[3]。

2.3 异形桥墩

下部结构中桥墩表现为多曲面异形薄壁空间构造，内部轮廓收空，外观结构较为复杂，曲面控制精度要求极高。因此，项目组主要采取Dynamo进行桥墩模型设计，效果如图3所示。同时，也可以利用软件相应可视化技术，对桥墩、基础等构件进行对角度观察，桥墩尺寸（墩身椭圆半径）、桥台高度、基础尺寸等参数都可以根据需求进行动态变化。

图3 桥墩及基础断面示意图

3 基于BIM的大桥优化控制

3.1 设计优化

3.1.1 地形模拟

该大桥项目设计区域的地形高程变化幅度较大，且地形情况较为复杂，采取传统的二维地形平面图难以充分体现出实际建设环境，项目组主要采取BIM技术构建大桥设计地形的三维模型。地形模型构建主要采取Power Civil创建，通过对二维地形等高线、高程点等信息数据进行软件筛选提取，利用三角网构建地形模型。该三维模型能够充分反映现场情况，为后续平面、纵向线形设计及土方回填开挖等阶段提供必要数据支撑[4]。

3.1.2 平纵设计

在3D地形BIM模型构建之后，设计人员同样可以采取BIM技术开展平纵线形设计，平面线形设计则主要对跨河桥梁布设方向、技术经济指标进行比选，采取OPD软件的直线功能进行设计，桥梁曲线线形则可以采取缓和曲线、圆曲线功能开展设计。平纵线形则可以通过软件多次优化调整，确保线形的流畅、平顺，实现与周围环境的协调。

3.2 施工优化

3.2.1 施工布置

大桥施工现场布置BIM技术模拟，则可以依照以下阶段开展，即场地施工设计、场地方案设计模拟、场地调整。BIM设计中，需要依据实际情况开展二维场地平面设置，对施工区域、生产区、生活区、消防区等进行合理安排，待二维平面设计之后，首先可以开展施工场地建模工作，对场地关联设备、仪器等进行空间布置、模型属性赋予工作。其次需要开展BIM场地方案模拟，模拟时间变量则需要事先设置，全过程模拟的开展有助于分析施工场地及施工组织的不恰当处。之后，则需要依据场地模拟情况对场地方案进行一定优化调整，施工组织及场地布置经一定改善之后，则重复开展运行模拟工作，以便获取最终方案，同时将该方案转变成场地施工布置三维图[5]。该大桥项目通过上述过程，获取场地布置效果如图4所示。

图4 场地布置效果图

3.2.2 施工流程

针对施工方案的BIM模拟主要依照以下流程开展：首先，创建大桥项目关联临时设备、机械设备的BIM模型，如施工桁架吊装机械、塔吊、临时支架等；其次，构建现场钢桁架BIM模型，并且进行钢桁架参数的相关赋予，虚拟软件中需要对BIM模型进行施工钢桁架吊装过程模拟，依据不同模拟结果开展施工过程的改善，调整施工方案不合理处，同时开展施工动画制作，演示主观动态设计效果。为确保大桥施工方案合理性，项目组主要将施工场地布置在大桥两侧，首先开展桩基础、桥墩的施工，之后则在桥墩两侧布设临时墩、托架来形成安装钢桁架的平台结构。平台结构布设完成之后，则需要开展钢桁架梁起始节段的安装，此时需要在起始节段钢桁架梁处安装吊机设备，继而依次由桥墩边跨至跨中开展钢桁架片的吊装，最后实现主梁合拢。局部施工工序开展BIM模拟效果如图5所示[6]。

图5 钢桁架梁施工过程BIM模拟

3.2.3 碰撞检查

桥梁项目碰撞检测BIM模型构建有助于对不同桥梁构件位置冲突情况进行分析，有助于对图纸设计错误、误差进行校核纠正，避免后续返修施工。项目主要采取Navigator软件开展碰撞检测，通过对导入的施工模型进行碰撞检测功能赋予，对冲突构件进行检测。项目节段钢筋模型碰撞检测如图6所示。依据碰撞检测效果及统计数据可知，全桥钢桁架弦杆拼装错漏处为9处，异形桥墩处钢筋交错存在15处，缺失预留孔洞位置5处。设计人员可以通过检测缺陷对桁架竖杆进行一定尺度调整优化（该项目提升竖向腹杆2～4 cm），承台处箍筋则可以进行1～3 cm错位优化，规避钢筋冲突。该大桥BIM设计模型的检测有助于解决图纸设计出现的碰撞冲突情况[7]。

图6 项目局部节段钢筋模型碰撞效果

4 结语

公路工程中BIM技术主要以3D模型为基础，能够对工程建设项目不同阶段进行可视化分析、动态优化，并且能够对施工不同参数进行统计，为后续工作的开展提供必要支撑。该文结合贵州省某三跨路轨双用钢桁架桥梁进行精细化BIM模型构建，对BIM技术在该桥梁设计施工中的具体应用进行了分析。BIM技术能够改善传统2D地形平面的设计局限，通过3D地形图的展示改善后续线形设计质量。施工阶段，则可以通过BIM技术进行大桥施工场地布置、施工过程、碰撞检测的分析，提升项目设计施工质量及管理效率，降低项目建设成本。因此，BIM技术在桥梁工程中的应用具有极大的前景，希望该文所作研究能够为类似桥梁建设提供参考。