公路工程混凝土结构桥梁的BIM正向设计应用

梁晓林 南进江 李宇航

（1.中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100089；2.中交路桥建设有限公司，北京 100097；3.中国市政工程西北设计院有限公司，甘肃 兰州 730000）

一、引言

近年来，BIM技术正处于大力推广应用的阶段，在公路工程领域受到高度关注[1-3]。从建筑行业具体应用表现来看，BIM技术相较于传统设计优势明显，用户运用三维模型直接设计，改善了传统设计中图纸和工程资料离散、二维图纸表达抽象、设计过程中相关联的工程内容不具备联动性等局限性。BIM技术使得项目的设计进度、成本及范围发生了改变，具有提升效率、数据重复利用、协调性强、设计成本低、设计质量高和出错率低等特点，但当前未能在设计、管理和运营等过程中连续应用该技术，导致在项目实施过程中无法最大程度实现信息源共享。

另外，在实际应用中，多数项目为响应政策规定应用BIM的要求，仅做到了三维可视化程度，在设计阶段往往采用“翻模”的方案，即先开展二维设计，再依据二维图纸创建模型。此方式采用的是“逆向设计”，不仅工作量大、低效、不具备技术含量，而且模型与图纸的一致性难以保证，这与使用BIM技术的初衷相悖且降低了公路工程项目中图纸的精确度。因此，对于BIM技术在公路工程中正向设计方法的应用研究具有相当的必要性。

二、项目概况

湖南省省道482线钟祥市丰乐汉江公路大桥，位于钟祥市北部，路线起于胡集镇陈营村，与既有省道482线胡集至转斗段相接，自周营村东侧转向东南，在转斗村南侧布线，向东跨越汉江，新建汉江特大桥，继续向东至终点丰乐镇三滩村北，与既有省道482线丰乐至北新集段相接，并与省道218线相交。路线全长6.688km，含特大桥2319m/1座，其中主桥557m，引桥1762m。桥梁跨径组合为（11×30）mT梁+（57+88+2×160+92）m预应力混凝土悬浇连续梁+（28×40）mT梁+（45+65+45）m现浇连续箱梁+（5×30）mT梁。主桥采用挂篮分段悬臂浇筑施工，预应力混凝土变截面连续箱梁，桥面总宽24.5m，中间设置2×25cm的空隙，为分离式双幅桥。

三、BIM正向设计方案

为使项目模型组织井然有序，应预先归类构件类型并建立完整的模型树形目录结构，具体如图1所示。模型树形结构目录为建立项目级参数化构件库提供了依据。

图1 模型树形结构目录

软件平台（Bentley Openroads Designer+sw Tools）探索出一套符合设计深度要求、提高设计效率、提升设计质量的混凝土桥梁BIM正向设计方案。在此基础上建立的BIM正向设计方案流程为：建立三维地形模型创建设计环境，确定桥墩平面位置、桥梁控制点高程等基本要素；开展平纵横设计、孔跨布置等总体设计，根据项目需求整理补全软件的预制结构、下部结构参数化构件库，创建参数化构件库的关键是在构件的不同位置，利用不同形式设置好不同的参数以便调整；开展主桥上部结构、下部结构和附属结构设计，完成后开展深化设计并逐步达到施工图深度。

在整个设计过程中，还需满足设计图纸同步建立、实时统计工程量、同步建立属性信息及构件编码等相关要求。建立三维BIM模型可实现桥梁的全貌检测，设计人员可直观分析多项参数，并通过专业BIM设计，提高工程项目的精确度，提升完成设计项目的整体效率。

四、BIM正向设计过程

针对项目开展桥梁专业接口要求的编写，根据地形图、3D模型及测量数据编写总体设计方案，通过CDE协同设计平台导入道路模型、桥梁模型及交通工程模型，最终经过模型审核、BIM切图标注完成桥梁专业设计成果。

（一）三维地形模型

钟祥市地形情况较为复杂，因此设计过程中采用地形图和纵横地面线测量数据作为依据。首先，通过过滤器过滤dwg格式地形图当中的有效地形信息，将高程点、等高线信息提取；其次，利用sw Tools工程测量工具的相关功能，将中线测量数据及横断面测量数据转换为点云；最后，利用高程点、等高线和点云三者复合叠加建立三维地形模型。

（二）参数化构件库

根据BIM正向设计要求将构件归类，同类构件建立统一的参数化模型，设定相应可调参数（如梁高、墩高、桩长等）并形成项目级参数化构件库。参数化构件库可在设计过程中直接调用，并通过软件自动控制部分参数的设定，利用该方式可大幅提升设计效率。引桥预制梁、全桥下部结构及部分附属结构等设计采用参数化设计方法。构件参数以各部分常用名称的缩写来命名，并配合示意图说明。

以T梁为例，自变量为梁高，其余因变量随梁高变化，为尽可能减少模型运算步骤，将直线段和渐变段分开建模，可先绘制T梁的截面二维图形，定义好各个线段的尺寸及几何关系后，通过拉伸得到立体的T梁结构.相同的建模方式构建好其他部分后，通过三维约束将分解的部分组合在一起，可形成完整的T梁结构。

（三）总体设计

基于已创建的三维地形模型，道路专业可根据项目要求快速开展平纵设计，即sw Tools在ORD软件基础上加入了相关规范标准，在设计过程中，可依照规范实时检查平纵线形，确保线形符合规范要求。在完成平纵设计后，利用sw Tools的横断面设计功能可分别设计路基段横断面和桥面铺装横断面，同时在桥前后一定桩号范围布置路面结构，完成桥面铺装布置。

另一方面，桥梁专业可通过参考方式获取道路专业设计成果，并利用先前建立的参数化模型开展桥跨布置总体设计。具体步骤为：首先，依照实际需要调整下部结构尺寸参数；然后，根据设计需要模块化组装墩身、承台、桩基，输入孔跨布置布墩，输入梁高可自动调整墩高，并放置于实际坐标位置；最后，在每个独立的桥墩结构模型的基础上，继续开展钢筋设计。

（四）桥梁模型

1.现浇梁结构设计

因sw Tools软件平台支持计算分析——BIM一体化模型。在现浇梁结构设计中，可先在ORD中划分截面设计和节点、单元，利用sw Tools可将绘制的截面导入MIDAS开展结构建模和分析计算，再利用MIDAS建模功能将桥梁模型一键导入ORD。此过程可实现在任意平纵曲线组合下放置，完美实现符合工程实际的真三维结构模型和预应力模型，可直接用于施工定位和放样。同时，模型中包含了所有材料信息和计算信息，形成了完整的信息模型，保证了与计算数据的一致性。此建模过程不仅通过软件的联动性提高了生产效率，而且可确保计算分析过程准确无误，即保证每一次的结构更改必须有计算分析过程作为依据，此过程从流程上规范了设计过程，从根本上提高了设计质量。此外，在生成带有平纵的结构模型的同时，软件还生成了不计平曲线和不计竖曲线的两种结构模型，可分别用于绘制桥型图和普通钢筋设计。

2.预制梁布置

预制梁布置可基于软件自带的参数化库和补充的项目级参数化库，同时利用sw Tools装配式梁功能进行布置。具体流程为：根据设计要求输入布梁参数，软件自动适配最合适的梁片，并在曲线、变宽等位置自动调整预制梁长度，实现完全通过参数控制的全自动预制梁装配；在布梁的同时，sw Tools根据每片梁的具体位置和支座选择情况，布置支座垫石；在布置预制梁时，sw Tools软件同步生成排梁图和排梁表并直接出图。

在传统二维设计中，由于技术限制无法校准放置支座垫石的坐标及高程的问题，BIM正向设计解决了这一难题，即生成的垫石模型可与对应桥墩合并形成完整的桥墩结构模型。最终预制梁数量表示例如表1所示。

表1 预制梁数量表

3.钢筋深化设计

在参数化结构模型和计算数据生成的结构模型中，可直接使用sw Tools普通钢筋工具实施结构配筋。以主桥零号块为例，主筋利用纵向钢筋功能，在截面中定位主筋点位、间距等信息即可完成布筋，而构造钢筋既可根据结构构造使用面约束、面投影工具布置，也可根据已布置的主筋使用箍筋工具布置。布筋完成后，使用自动编号功能实现钢筋自动编号、分组。自动编号功能同时生成了现有模型的钢筋大样及数量表，在成图工作中可以直接利用。

4.附属结构设计

桥梁附属结构设计采用三维线形功能布置防撞护栏、伸缩缝和参数化单元功能放置支座。三维线形是一种可显示为实体样式的线形，通过三维线形功能放置带状构件，可以有效减小模型体量，且方便修改替换。支座参数化单元可以通过参数控制更改其尺寸，并通过通用属性功能修改型号。放置时可自动定位至垫石上方并与桥墩结构产生关联，同步更新支座位置。

五、工程量统计与模型编码

模型在建立时均根据实际情况赋予工程属性材料信息，形成了符合标准的编码系统。编码系统主要包含3个维度，即构件编码、材料编码及位置编码。构件编码与材料编码软件根据建模过程中添加的相关工程信息自动实现，构件编码功能根据项目实际标段划分和施工过程需求对模型构件编码实现，位置编码是在阶段模型完成之后使用。

清单造价功能可实现在任意节点统计工程量与实时造价，能够实现基于模型树形结构的任意节点或按照里程桩号范围统计各类工程量或直接生成清单造价表单。清单单价可以根据项目的不同阶段赋予不同指标，保证了项目中概预算统计的准确性。

六、图纸生成

通过正向设计产生的BIM模型，可一键导入到专业级三维仿真平台LumenRT中，平台可加入各种模拟场景，如水、天气、行人、车辆和绿化环境等，形成逼真的虚拟现实场景。在该常经理可以调整距离和角度，实现多维度观测。

通过三维仿真，可任意角度查看桥梁构件之间的关系，以及桥梁和周边环境的关系，帮助展示成桥效果及检验桥梁设计效果。

七、结语

BIM正向设计应用，成功探索出了一套公路工程混凝土结构桥梁BIM正向设计方法，实现了从传统二维设计到三维设计、二维出图的跨越。通过三维设计提高了设计人员技术能力，提升了工程设计质量。同时通过优化设计流程，有效利用新的软件工具，保证了企业效益。通过该项目实践，项目团队首次尝试将传统设计中纷繁复杂的出图工作大量转移到新的设计软件中，并通过人为干预使其自动完成，这一举措也使得设计周期内，设计人员有更多的时间专注于设计方案，且在日后项目施工过程中，设计变更、现场配合工作也将有效减少。