BIM技术在祁婺高速桥梁工程设计中创新应用及正向设计探索

2023-08-03刘安杨文标

城市建设理论研究（电子版） 2023年21期

刘安杨文标

1.江西交通咨询有限公司江西南昌 330108

2.江苏狄诺尼信息技术有限责任公司江苏南京 210000

BIM技术为实现桥梁全寿命周期信息化提供了有效的解决手段，在祁婺高速桥梁设计阶段采用BIM技术，利用参数化建模技术建立了常规桥梁及60m钢混组合梁参数化构件库；基于BIM模型进行了设计方案碰撞检查[1]，钢结构力学计算[2]、防眩模拟，减少设计返工；同时利用BIM模型制作钢梁关键工序施工动画，提升了设计交底效果。

1 工程概况

德州至上饶高速公路赣皖界至婺源段新建工程（简称“祁婺高速”）是国家高速公路网中G0321的重要组成部分，“10纵10横21联”高速公路网中“10纵”之一。祁婺高速是2018年江西省公路水运建设工程BIM技术推广技术应用试点工程，旨在设计、施工阶段开展BIM技术应用示范。项目路线总长度40.747公里，本项目主线采用双向四车道的高速公路标准，设计速度为 100公里/小时；路基宽度为 26米；项目桥隧比高达53%（其中特大桥5座，均为钢混组合梁，共计6万余吨）。

2 正向设计探索

为提高桥梁模型建立效率及探索桥梁BIM正向设计，祁婺项目常规桥梁采用同豪方案设计师BIM正向设计系统[3]。钢混组合梁桥梁采用Catia及Revit平台，有利于施工、加工阶段模型深化，开展工厂化生产构件、钢结构数字化加工，可充分利用BIM模型，实现基于BIM技术的桥梁装配式建造[4]。

2.1 BIM正向设计参数化建模

（1）软件平台选用

祁婺高速公路勘察设计项目组以提升设计质量和设计品质为导向，组建了BIM设计小组，全面开展本项目的BIM设计工作。BIM设计小组对目前国内交通行业BIM应用现状和各软件平台的优缺点进行详细分析，拟定了全专业、全设计周期、多软件平台融合的BIM+GIS应用思路[5]。首先，基于北斗卫星导航系统+机载Lidar完成项目的三维地形数据测量，构建满足全设计周期的三维GIS场景；其次，借助Bentley MicroStation软件平台，融合地质、地形、构造等多源勘测数据，建立高精度、小体量、全属性的三维地质模型；然后针对桥梁特点，采用 Bentley+Autodesk+EIBIM+达索等多平台协同工作建立全专业设计数字化模型[6]。

表1 祁婺使用软件平台表

（2）BIM参数化族库

公路工程桥梁通常以经济适用的桥梁为主，数量较多，结构形式简单，受力明确，施工工艺较为成熟，常规桥上部结构可模块化施工；互通线性多样，互通区桥梁结构复杂，样式多变。本项目桥梁规模大，根据山区建设条件，采用常规T梁桥和60m 跨π型钢混组合梁两种形式桥梁结构。为提高桥梁模型建立效率，承接传统，创新应用，创建常规桥梁参数化族库，用设计方法和工程经验来描述工程构件，当路线资料、设计方案、设计原则发生改变时，能够参数化快速调整设计，实现设计的高效、协同、共享。

为实现模型的快速建立，分别建立了不同类型桥梁部件的参数化构件库，并通过程序快速实例化形成全桥模型，以模型数据为基础，分别生成图纸和工程量。基于达索系统3DEXPERIENCE平台开展三维协同设计，梳理并定义桥梁设计过程中的模板，并搭建合理的钢混组合梁构件库架构，适合桥梁工程三维设计应用和维护。

祁婺高速创建了全线桥梁族库模型，桥梁族库文件参数化程度达90%，并配备族库参数使用说明，出台相应族库添加、删减、更新的使用办法，规范项目族库使用。族库概念源于Autodesk公司基于BIM技术开发的Revit系列软件，欧特克公司的Autodesk软件在我国工程领域被广泛应用，有深厚的基础，并且该软件都提供免费试用版，目前在BIM上的应用最为广泛。Revit提出了“族”的概念[7]，“族”是参数化建模的最好体现。Revit所有图元都是基于“族”的，类似于AutoCAD里面的图块，但又不同于图块。每个族在创建时都能定义其类别并且可被修改，每个“族”单元能够定义多种类别，如桥墩属于结构基础类别、桥面属于结构连接类别。根据“族”创建者的设计，每种类别可具有不同的尺寸、形状、材质设置或其他参数变量。设计者可不用学习复杂的编程语言，便能创建自己需要构建族，并且可在族编辑器中根据需要加入各种参数，使其成为集成了所有你需要信息的“数据库”[8]。在BIM中，建筑模型是由这些“族”有机系统“搭建”起来的。又因为被设计师创建的各种类别的“族”包含着该类别构件的所有信息，这样创建的模型与传统的几何模型不同，是真正的建筑信息。

（3）Dynamo智能建模

BIM技术作为一种全新的工作思路，其全面辅助管理、全生命周期跟进的理念为公路行业的发展带来全新的契机。在 BIM 工作平台上，项目被分解成一个个信息化、可视化的单元，然后拼装成一个完整的虚拟现实项目模型。该模型包含着项目设计的全部信息，既可以通过精准的计算和分析，为设计人员提供规划、设计、变更等过程中的依据，也可以通过图纸联动更改和自动输出，提高工作效率，减少设计人员重复劳动。

Autodesk 公司基于BIM技术开发的Revit系列软件，欧特克公司的 Autodesk软件在我国工程领域被广泛应用，有深厚的基础，并且该软件都提供免费试用版，目前在 BIM上的应用最为广泛。采用Dynamo软件来实现参数化建模。Dynamo是Autodesk 公司推出的一款功能十分强大，并且十分便捷的可视化编程软件。它的视觉化程序设计便是为了降低程序开发门槛而诞生的，它以脚本的形式提供一个图形化的界面，组织连结预先设计好的节点来表达数据处理的逻辑，形成可执行的程序，从而使设计师不用写代码就可以享受到计算式设计的好处。Dynamo 程序可以与Autodesk公司其他软件交互，尤其是可以与现在最常用的建模软件Revit的BIM模型能及时联动，无需输出，对复杂几何、参数式构造设计、资料连结、工作流程的自动化工作都有很好的支持。

Dynamo是可以基于Revit软件使用的可视化编程平台，能够在revit中创建和处理复杂逻辑关系。Dynamo具有较高的开放性和可塑性，允许用户自由的创建和编写应用节点，并在一定范围内推广使用。

利用Dynamo软件来实现桥梁参数化建模[9]，Dynamo是Autodesk公司推出的一款功能十分强大，并且十分便捷的可视化编程软件。它的视觉化程序设计便是为了降低程序开发门槛而诞生的，它以脚本的形式提供一个图形化的界面，组织连结预先设计好的节点来表达数据处理的逻辑，形成可执行的程序，从而使设计师不用写代码就可以享受到计算式设计的好处。Dynamo程序可以与Autodesk公司其他软件交互，尤其是可以与现在最常用的建模软件Revit的BIM模型能及时联动，无需输出，对复杂几何、参数式构造设计、资料连结、工作流程的自动化工作都有很好的支持。

2.2 基于北斗高精点云的三维GIS场景

项目所在区域为山地地貌，地形起伏大，高差930余米，地势大致由东北向西南倾斜，境内山峦重叠，溪涧纵横，森林植被茂密，覆盖率高达82%。考虑到传统的人工测量手段测量周期长、工作难度大等问题，在本项目勘察设计初期，拟定利用机载 Lidar 技术结合北斗卫星导航系统进行，实现高精度的野外勘测的思路。按照国家基础航空摄影地区困难类别划分，本项目摄区困难等级均属于Ⅳ类。

基于北斗卫星导航系统+机载 Lidar 技术，通过地面建设的婺源站、江湾站和沱川站北斗地基增强网，为飞行提供高精度、实时的坐标基准，实现高精度的外方位控制；飞行自带高精度POS系统，实时解算内方位参数（毫米级），数据获取周期短、效率高。

北斗卫星导航系统是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，打破了发达国家对卫星导航系统的垄断。本项目利用机载Lidar技术结合北斗卫星导航系统、北斗基站进行，实现高精度的野外勘测，利用北斗导航系统共完成野外勘测46平方千米，获取了道路、0村庄、山地、河流、池塘等分类点云数据及数字高程模型（DEM）、数字正射影像图（DOM）和数字线划地图（DLG）等高精度4D成果。飞行自带高精度POS系统，实时解算内方位参数（毫米级），数据获取周期短、效率高。项目将北斗技术应用于高速公路勘测设计，基于高精度4D成果，构建满足全设计周期的真实三维GIS场景，用于道路三维设计和可视化展示。

2.3 基于GIS的高精度三维地质建模

采用动态交互的建模方式，充分融合了地质调绘数据、钻探数据、物探数据、不良地质数据、地质构造数据及地形数据等全方位勘测数据，建立高精度、小体量、全属性的三维地质模型。项目通过建立三维轻量化的地质模型，有助于快速核查地质勘察成果，辅助二维勘察图纸出图，将地质模型与设计模型整合，直观核查桥梁桩基隧道等设计方案，辅助桥梁、隧道设计人员的复核审查。

2.4 桥梁BIM设计协同平台

祁婺高速基于自主研发的设计协同平台开展工作，可实现多地域、多参与方、多绘图平台（2D/3D）的一体化协同设计，实现多地协同工作，实现数据存储的一体化和集中化管控。平台对项目整个设计生产过程实现管控，在设计过程中对资料互提、设计评审、设计校审、电子签名（章）授权、文件出版等关键质量管理流程提供真实有效的项目数据，从而有效提高了设计产品质量和项目管理水平。

桥梁设计以经济适用的简支桥梁为主，数量较多，结构形式简单，受力明确，施工工艺较为成熟，项目60m钢混组合梁规模大，施工难度高。为提高桥梁模型建模效率及探索桥梁BIM正向设计，本项目常规桥梁采用同豪方案设计师BIM正向设计系统，钢混组合梁桥梁采用Catia及Revit，有利于施工、加工阶段模型深化，充分利用BIM模型，实现基于BIM技术的桥梁装配式建造。

达索系统3Dexperience平台[10]开展三维协同设计流程：一、梳理和定义出桥梁的骨架基线，基于该骨架进行桥梁的三维协同设计，实现桥梁的三维BIM设计；二、桥梁构件库搭建，梳理并定义桥梁设计过程中的模板（输入条件），并搭建合理的构件库架构，适合桥梁工程三维设计应用和维护；三、桥梁设计管理，设计人员在3Dexperience平台实现设计管理（BOM）、模型校审、工程文档管理、模型变更等内容。

（1）常规桥梁BIM正向设计系统

基于Revit+方案设计师，建立常规混凝土桥梁的BIM设计流程。基于Revit软件，实现了通用构造的三维参数化设计和二维图纸输出，应用方案设计师软件，快速建立全桥模型，依据项目标准加入信息，再由三维模型输出全桥二维图纸。常规桥梁的 BIM 设计流程采用正向设计原理，用设计方法和工程经验来描述工程构件，当路线资料、设计方案、设计原则发生改变时，能够参数化快速调整设计，实现设计的高效、协同、共享。

方案设计师建立常规混凝土桥梁的BIM设计流程，采用BIM设计手段快速建立全桥模型，依据项目标准加入信息，再由三维模型输出全桥二维图纸，实现三维信息模型和二维图纸的精确匹配和同步交付。

（2）钢混组合桥梁BIM正向设计系统

基于Revit族库平台建立全桥钢结构精细化模型，借助参数化构件加快建模速度，建立三维模型和二维图纸的联动，辅助二维图纸的出图和工程量的计算复核，基于精细化模型开展结构辅助计算，为结构空间有限元计算提供高质量的几何模型。基于Revit的钢混组合梁三维参数化设计，在组合梁复杂几何、参数式构造设计中更具优势，设计直观，方案更趋合理，以参数化族样板文件为核心，在设计方案迭代优化过程中，设计出图效率相对更为便捷。

（3）达索系统3Dexperience协同设计平台

达索系统3Dexperience平台建立长滩大桥钢混组合梁桥梁模型，基于该桥梁工程进行三维协同设计及项目管理。达索系统3Dexperience平台开展设计阶段项目管理，通过在3Dexperience平台上制定WBS模板，快速定义桥梁项目工作计划，包括时间、人员、任务等；建立了统一的项目管理平台，对项目设计计划进行全过程管理和监控，实现了项目管理和设计能力的提升。

2.5 基于BIM的桥梁结构分析

充分利用BIM模型，基于BIM模型的数值分析是未来土木行业朝着更智能化方向发展的一个重要研究方向。在传统数值分析中，计算模型需要在计算软件中生成，由于计算软件建模功能有限，造成了建模工作量大和模型精度不高的问题。随着BIM技术的出现，软件公司开始尝试通过导入BIM模型进行数值分析，但由于接口问题会不可避免的造成模型数据的损失。软件集成是解决软件间接口问题的有效手段，作为主流BIM软件之一，达索系统3DEXPERIENCE平台数值分析模块SIMULIA集成了传统计算软件ABAQUS，在平台中可以直接由建模模块切换到计算模块，当建模模块中的模型参数变化时计算模块中的计算模型联动，极大提高了计算效率，Revit软件同样可以将模型通过格式无损转换导入ABAQUS。将提取后的结构导入到计算软件ABAQUS，按照添加材料参数→划分单元网格→定义分析类型→定义接触面→添加荷载→定义边界条件的顺序生成计算模型，在ABAQUS平台 ProcessComposer 模块中定义数值分析计算过程，并执行定义的计算流程。