基于BIM技术的道桥工程设计要点研究

张明　汪舟　施舒海

摘要 BIM技术能够将工程项目在全生命周期的各个不同阶段的信息、过程以及资源配置等内容集成在一个模型中，对工程活动的开展具有十分重要的作用。文章结合理论说明与案例分析深入分析BIM技术在市政桥梁工程中的应用情况，明确了BIM技术的技术优势和关键技术，同时对市政桥梁设计建模过程进行详细分析，给出了以引导曲线为核心建模方式的主要过程；结合案例分析BIM技术在市政桥梁设计建模的步骤，以及各模型内涵盖的内容，并对BIM技术的碰撞分析、工程量计算等优势进行详细分析。研究内容对后续市政桥梁设计工作的开展具有一定借鉴意义。

关键词 BIM技术；市政道桥工程；设计要点分析

中图分类号 U442.5文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）24-0071-04

0 引言

随着城市化进程的不断加深和人们对美好、便捷生活的需求不断加大，市政道桥工程的建设数量也在逐年增加，这就对市政道桥工程体系的设计提出了更高的要求[1]。在传统的建筑工程设计工作中，常使用CAD进行图纸设计，各专业之间相互独立，各自设计，缺乏有效的沟通协调。建筑信息模型（BIM）技术能够有效地解决上述问题，BIM技术包含支持所有生命周期过程的完整和足够的信息，并且可以通过计算机应用程序直接解释[2-3]。基于此，为进一步提高BIM技术在市政桥梁工程中的应用，该文对BIM技术的自身优势及其在市政道桥工程中的应用进行深入分析，以期为后续相关工作的开展提供借鉴。

1 BIM技术在道桥设计中的关键技术

1.1 BIM技术在道桥设计中的应用

BIM技术在桥梁设计阶段的应用包括方案设计、协同设计、参数化建模、碰撞检查以及BIM与计算分析软件、辅助设计工具和BIM数据库的结合[4]。在桥梁工程设计阶段，通过对桥梁场地的快速建模，实现桥梁设计方案的选择、优化和调整。在协同设计层面，通过BIM协同设计系统，可以将设计人员按照专业分工统一纳入系统进行协同设计，提高设计信息的流转效率[5]。BIM协同设计系统管理的整个设计过程可与其他信息管理系统集成，形成信息化架构，如图1所示。

在桥梁参数化建模层面，借助BIM技术可实现常规标准化桥梁、沉管隧道、主桥主要构件的参数化。其次，可利用BIM技术建立箱梁、墩轴、基础等桥梁上下构件的三维标准化数据库[6]。根据原有基础材料和线路设计资源，可自动分批完成全线引桥的设计建模。此外，在桥梁设计碰撞检测方面，设计过程中钢筋、预应力钢筋的碰撞检测，桥梁内设施与隧道内机电管线的碰撞检测，设计阶段其他构件的干涉检测等。

1.2 BIM技术在桥梁设计中的关键技术

利用BIM技術进行桥梁设计过程中，首先，建立参数化的桥梁模型，提取设计参数，自动生成设计分析软件的命令流。其次，将自动生成的节点、截面等命令流进行组合，添加边界条件，导入到BIM软件中进行分析计算。通过对模型进行参数化修改，自动生成桥梁构件的指令流程。此外，通过建立局部BIM模型，导入有限元软件并添加边界条件，对局部应力进行分析。利用BIM技术建立桥梁结构数字模型，实现BIM数字模型与仿真分析的集成、对接与转换。

2 桥梁设计中BIM参数化建模要点

在传统的三维模型中，用户将预制对象放置在模型上，随后通过调整对象的参数，如尺寸或相对位置，直到获得所需的几何形状。而参数化模型工作原理如图2所示，在参数化模型中，用户对对象进行参数化设置，并直接作用于几何体自身，参数化模型中的对象并非预制，因此可以做到对各个对象进行编辑操作，更具有人性化且更加便捷，并能够根据用户的自主定义提供多种解决方案。参数化模型主要借助对象与对象间的信息与行为进行连接，能够在计算机中模拟不同参数条件下建筑物建设、使用过程中可能出现的行为和反应。基于BIM技术的参数化设计工作，能够实现直观展现建筑物，并通过操作获取更加精准的模型。对建筑物进行数据分析，模拟材料问题、施工过程，通过分析碰撞检测、空间分配、结构受力分析等，能够实现桥梁工程的全生命周期管理，减少工程失误，降低工程造价等。

2.1 上部结构

由于输入数据（即桥梁的导向曲线）的特殊性，桥面的开发是桥梁工程参数化最复杂的部分。参数化建模过程中的引导曲线如图3所示，由于平面图（或点）列表与剖面图列表大小相同，只需将剖面图投影到每个平面图中即可，至此桥梁工程参数化建模算法已经创建并存储了一个按断面类型划分的列表。然后可以选择将带有边框、人行道（左侧或右侧）、调整过的断面或所有这些元素一起投影到断面列表中。

随后将桥面设计工作中包含的重要参数进行归类，包括跨度数、跨度长度或横截面几何形状等典型参数。如表1所示，给出桥面设置中主要参数信息，其中前3个参数以数字的形式存在，用于生成桥面最合理的变量，可用于将引导曲线划分为代表桥梁跨度的子曲线，以及每个跨度的分段数。与传统方法不同的是，用户将通过沿引导曲线手动放置点来表示分段和跨度的位置，参数化算法只要求用户知道分段的数量和跨度的长度。系统自身将根据提供的数据自动划分曲线。

桥梁横截面示意图如图4所示，桥梁上部结构参数种类较多，涵盖不同支撑数量、不同跨度以及不同支撑高度等类型。在进行桥体上部结构参数化设置时，可根据实际情况选择不同的参数进行输入。图4各部分参数中，X1、X2与Y1、Y2为轨道尺寸参数，d、k、e、l、f、c、g等为维度参数，具体为桥梁横截面各位置具体尺寸，S1、S2为左右侧桥面倾斜角度。基于BIM技术的参数化建模方法可输入的参数量较为丰富，能够适应大多数类型的桥梁设计需求。

2.2 下部结构

针对桥梁的下部结构，无论是墩帽、立柱还是地基，在采用BIM技术进行参数化建模过程中，相对较为重要的参数输入是桥梁的导向曲线。参数化建模过程可采用“初始数据-引导曲线-开始的下部结构构建”过程，在引导曲线上放置甲板与立柱/柱帽的交界点。该方法尽管增加了与文件不一定相关的参数，即跨度的数量和长度，但是却能够达到简单且精确的建模效果。有关下部结构需要输入的主要参数如表2所示，有关下部结构的参数输入主要分为三个部分，主要是墩帽部位、支柱以及基础三部分，三部分的参数中分别包含各个部位的几何参数、位置参数以及尺寸参数等内容。

跨度长度输入的作用是为了更好地在引导曲线中放置相应元素，在每条曲线的末端创建对应跨度的点，然后绘制垂直于引导曲线并向下定向的直线。此操作用于放置桥墩帽上部的中心，并考虑桥梁可能的坡度：在实际应用中发现，如果桥梁的坡度为15%，桥面的下部将不再垂直于Z轴，会导致其与桥墩盖顶部的偏移。立柱的几何构造非常简单且合乎逻辑，只需提出典型的参数，如立柱的上下标高、横向立柱的数量及其间距或截面类型及尺寸。三维生成首先是在XY平面上创建柱子的剖面，然后根据需求创建横向柱子数量和柱间中心距离并进行复制。截面创建完成后，将它们沿着柱子的轴线和标高，沿着引导曲线放置，然后在截面之间进行材料提取。墩帽部位的生成与立柱的生成过程类似。基于上述建模过程，某工程中所生成的立柱与墩帽部位如图5所示。

3 案例验证

3.1 基于BIM技术的桥梁设计建模过程

某工程为城市内新建桥梁，为跨越一处泄洪道，桥梁上部结构采用预应力混凝土现浇箱梁，下部结构桥墩采用桩柱式桥墩以及桩柱式桥台。桥面为双向2车道，每侧设置人行道以及非机动车道，桥梁全长120 m，该工程BIM技术进行设计建模过程如图6所示，根据设计相关文件，对结构专业、建筑专业和施工专业分别进行建模，并链接成整体模型，根据桥梁结构特点，结构专业和建筑专业主要分为桥面系统、墩台立柱系统以及基础系统三部分。

在桥梁设计过程中加入BIM技术，以设计成果的CAD文件利用BIM技术进行参数化建模，对结构的各个组成部分进行了定义，并进行了虚拟创建和构建。按照任何施工任务的基本原理，每个结构部件都被考虑在内（氯丁橡胶支座、基脚、桥墩、大梁和预制构件、桥面、伸缩缝等）。为减少后续设计变更所带来的工作量，该工程对基台中的地基、桥墩和桩帽及其各自的地基、跨度、支撑线和找平、护栏等部位分别进行参数化建模，设置成BIM软件中独立的族。最终建立的桥梁模型如图7所示。

3.2 BIM技术在桥梁设计中的优势

BIM方法的使用将确保项目不同阶段之间互不干扰。为此，有必要创建桥梁和线性工程的模型。一旦模型制作完成，就可以使用Navisworks等程序进行时间函数干扰分析。还可以使用其他分析手段对所建立模型进行碰撞分析，以避免不必要的工程投资，在该工程中共发现7处碰撞问题，节省约2%工程投资。

除碰撞检测等技术优势外，该工程还采用BIM技术对所需建筑材料用量进行计算分析，以达到辅助工程量计算的作用，其中该工程BIM模型中某部位细部构造如图8所示，采用BIM技术在施工工序模拟的基础上进行工程量统计，能够获取更加精准的建筑材料用量、工期进度等数据，能够实现对项目工期控制以及项目投资等方面的把控更加精准。

4 结论

该文对BIM技术在市政桥梁设计中的应用要点进行了深入分析，并对BIM技术在市政桥梁设计案例中的应用情况进行研究，所得结论如下：

（1）首先对BIM技术在道桥设计中的应用方式以及关键技术进行研究，分析了BIM技术优势所在。对BIM参数化建模过程进行详细分析，得出以引导曲线为核心的建模方式的主要过程，以及建模过程中各参数输入的要点等。

（2）对实际工程案例进行分析，明确了BIM技术在市政桥梁设计建模中的步骤，以及各模型内涵盖的内容，同时结合工程实际对BIM技术的碰撞分析、工程量计算等方面的技术优势进行详细论述，所建模型对于工程后续施工作业的开展具有指导性意义。

参考文献

[1]翟晓鹏. BIM技术在市政桥梁设计中的应用[J]. 江苏建材， 2023（3）： 65-67.

[2]石成. 跨河市政桥梁设计要点分析[J]. 城市建设理论研究（电子版）， 2023（14）： 99-102.

[3]刘亚鲁. 市政桥梁安全性和耐久性设计分析[J]. 建筑技术开发， 2021（4）： 71-72.

[4]俞琦. 基于BIM平台的市政桥梁工程设计与应用[J]. 智能城市， 2021（18）： 80-81.

[5]王树海. BIM技术在市政桥梁设计中的应用[J]. 大众标准化， 2019（14）： 12+14.

[6]王野. BIM技术在市政桥梁设计中的应用[J]. 科技创新導报， 2019（14）： 26-27.