BIM技术在公路桥梁设计中的具体应用研究

2024-06-14高风勇

交通科技与管理 2024年8期

高风勇

摘要为了提高公路桥梁设计水平，文章总结了BIM技术在桥梁设计中的应用优势，建立了标准框架和设计流程框架。同时，以某公路大桥为研究对象，阐述了Revit软件建立桥梁BIM模型的具体方法，分析了BIM技术在钢筋布置、钢筋碰撞检查、自动统计工程量、施工模拟等方面的应用，研究成果可为类似工程提供理论指导。

关键词 BIM技术；公路桥梁；三维模型；设计模拟；工程应用

中图分类号 U442.5文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）08-0071-03

0 引言

近年来，桥梁工程建设规模逐渐扩大，且结构复杂程度高，对桥梁设计质量要求越来越严格。在现阶段桥梁设计中，多采用二维设计方法，直观性差，容易出现不同专业间冲突、工程量统计错误、设计变更多等问题，严重影响了桥梁建设质量。为了解决这一问题，建议引入BIM技术（Building Information Modeling）。目前，BIM技术在工民建领域应用较多，但在桥梁工程中可参考的案例较少。因此，深入研究BIM技术在公路桥梁设计中的具体应用具有重要的意义。

1 BIM技术在桥梁设计中的应用优势

随着公路桥梁结构区域大型化和复杂化，基于CAD软件的二维设计方法已难以满足需求，而BIM技术可以很好解决这一问题，并提高设计质量，其应用优势体现在以下几个方面：

1.1 可视化

BIM是一个新型设计理念，是以三维建模软件为核心，建立真实的公路桥梁模型。相对于二维图纸，三维模型能详细地展示桥梁的构件细节及不同构件间的空间关系，并直观表达设计人员的意图，有利于设计单位向业主或建设主管部门汇报桥梁设计方案。

1.2 参数化

公路桥梁在工可、初步设计、施工图设计等阶段需反复地修改或优化，尤其是大型桥梁，其构件多且构件之间相互关联，其中一个构件信息改变，与之相关联的构件都要修改，将大幅增加设计时间和设计成本。BIM技术可实现参数化建模，修改一个构件参数后，与之相关联的所有构件都可以修改，从而优化桥梁设计工作流，如图1所示[1]。

由图1可知：应用BIM技术后使得桥梁设计前期工作量增加，但能明显减少设计时间，后期工作量大幅减少。总体而言，BIM技术的设计工作量更小，设计效率更高。

1.3 协同性

公路桥梁设计需与道路、交安设施、岩土等专业相互配合，在传统设计模式下，各专业之间往往各自设计，缺乏沟通；沟通以word或excel文件为主，实时性较差，容易出现冲突。利用BIM技术可构建一个协同管理平台，不同专业之间可实时查询桥梁的最新设计信息，避免设计冲突。一般情况下，协同管理平台要对不同对象设置权限，确保在不干涉他人数据的前提下，实现数据模型的共享。

2 桥梁BIM模型实施框架分析

2.1 标准框架建立

BIM技术所涉及的范围非常广，应用复杂，从纵向看，包括投资、勘察、设计、施工、运维等全生命周期；从横向看，包括参与的业主、设计、施工、监理、运维单位等。为保证BIM技术的应用质量，先要建立一套标准框架。参考美国的NBIMS标准，我国也提出了与本国国情更接近的开放式标准框架，即中国建筑信息模型标准（China Building Information Model Standards，简称CBIMS），其具体组成包括三部分：标准规范（数据交换IFC、信息分类IFD、流程规则IDM），解决方案（技术选择说明、CBIMS说明、构件详细说明），使用指南（构件制作、工程建模、模型应用）[2]。

2.2 设计流程框架建立

大量工程实践表明，BIM技术在桥梁设计中的具体应用都是基于三维模型开展的，即建立BIM模型后，才能开展公路桥梁的结构分析、钢筋布设、碰错漏检查、工程量统计、自动输出图纸等应用。

当前的BIM建模水平尚不完善，需在不同设计阶段建立不同深度等级的三维模型。由《公路工程信息模型应用统一标准》可知，公路桥梁的模型可划分为L0D1.0～L0D5.0五个等级。在工可阶段，模型要达到L0D1.0级，有基本的桥梁外轮廓形状、粗略尺寸及主要的设计信息；在初步设计阶段，模型要达到L0D2.0级，有近似的几何尺寸、形状等，要能反映桥梁大致几何特性及主要的设计信息；在施工图设计阶段，模型要达到L0D3.0级，要有精确的几何尺寸，能够反映桥梁的实际外形，并包含详细的设计信息。

3 BIM技术在桥梁设计中的应用实例

3.1 工程概况

研究对象为某公路大桥，全长550 m，交叉角度为90 °，设计荷载为公路Ⅰ级，设计速度为80 km/h，地震设防烈度为Ⅵ度，结构重要性系数取1.1。桥梁上部结构为箱梁，先简支后连续箱梁为等截面，高度为1.6 m，板厚为0.2；桥梁下部结构中的桥台为肋式台，桥墩为柱式墩，基础为钻孔灌注桩基础，且桩基之间以系梁连接；桥面横坡为2%，由10 cm沥青混凝土铺装+防水层+8 cm水泥混凝土面板组成。

3.2 桥梁设计模型建立

国内应用BIM技术的建模平台有欧特克（Autodesk）、奔特利（Bentley）、达索（Dassult）等，其中Autodesk平台开发的Revit软件兼容性好，支持二次开发，便于操作，在国内的应用也最广；Bentley平台开发的MicroStation软件支持参数化设计及复杂曲面的建立，对各专业之间的配合要求高，操作界面较复杂，文件格式特殊，兼容性不好，且价格较昂贵。文件交互格式，是一款需要长时间研究的软件，而且软件价格较昂贵；Dassult平台开发的Catia软件，多用于复杂桥梁模型的建立，比如空间扭曲结构的大桥和特大桥，可快速实现参数和模型的关联，但操作较复杂[3]。

综上，拟选择Revit软件用于该桥梁建模，采用参数化建模方法。在建立模型前，要在软件中创建项目初始文件，输入项目名称、工程概况、设计人员、设计单位等基本信息。

3.2.1 族库建立

Revit软件未内置公路桥梁族库，但可利用拉伸、旋转、融合、放样等命令自定义族库。

上部结构族库：箱梁截面的受力面积大，能承受较大的正负弯矩，可利用Revit软件中的梁和支撑样板定义。以箱梁下部的中间点为基准，利用拉伸工具进行拉伸，并添加尺寸约束。

下部结构族库：桥梁下部结构包括桩基础、承台、墩柱、系梁、盖梁等，可以在软件中分别定义，然后用嵌套命令将其整合在同一个族文件中。以桩基承台族为例，桩基础可用圆形样板拉伸建立，以承台底部为参照平面，添加尺寸约束。随后，用嵌套命令对桩基础和承台的参数进行关联，形成一个完整的族。

3.2.2 建立模型

按照桥梁设计图纸，整理了桥梁上部结构和下部结构各个构件的具体尺寸，基于上述族库对桥梁模型进行组装，最终建立的模型如图2所示。此外，桥面铺装层、防撞墙、桥头搭板、锥坡、橡胶支座、护栏等附属设施族直接附着在模型中即可。

3.3 钢筋布设和碰撞检查

3.3.1 钢筋布设

钢筋布设是公路桥梁设计的关键，其设计质量直接影响了桥梁结构的安全性。Revit软件中提供了多种型号、尺寸等钢筋，可利用钢筋命令布置桥梁各部分构件的钢筋。需注意，桥梁结构钢筋布置时要分区，不得一次性布置全部构件的钢筋，否则软件容易出现“卡顿”问题。

3.3.2 钢筋碰撞检查

碰撞检查是BIM技术最大的优势之一，可以在桥梁施工前及时发现不同专业或相同专业之间的冲突问题，以减少设计返工，确保工程顺利推进。

钢筋碰撞有硬碰撞（接触碰撞）和软碰撞（间距、尺寸小于规范值）两种。Revit软件虽自带碰撞检查功能，但效率低、耗费时间长、不便于修改，故桥梁在交付设计成果前可将Revit软件建立的BIM模型导入Navisworks软件中，利用“clash detective”命令对模型进行碰撞检查，具体流程如图3所示[4]。

由图3可知：如发现桥梁构件的钢筋有碰撞问题，Navisworks软件会自动生成碰撞检查报告，报告中会显示出碰撞点、碰撞位置、碰撞日期等参数。随后，设计人员应结合碰撞检查报告及时查明原因，修改BIM模型后再次碰撞，直至碰撞点清零。

3.3.3 钢筋碰撞优化

在优化存在碰撞冲突的钢筋时，要充分考虑施工的便利性，并坚持以下原则：①当纵向钢筋和横向钢筋碰撞时，优先调整横向钢筋。②当纵向钢筋和竖向钢筋碰撞时，优先调整竖向钢筋。③纵向钢筋、横向钢筋、竖向钢筋自身通常不会碰撞，不需单独优化。

3.4 自动统计工程量

在公路桥梁设计阶段，大多是使用表格或是word文档计算各部分构件的工程量，使得数据相互孤立、缺乏联系。如果设计需求更高，相应的工程量无法动态更新，一旦遗漏更改，施工结果可能出现大变更。而利用Revit 软件中的“明细表”命令可直接提取出桥梁各部分构件的工程量。如果修改了桥梁模型中的部分构件，明细表中关于该构件的工程量会自动更新，大幅节约了设计人员的统计时间。

Revit软件中的桥梁结构工程量明细表可自定义，自定义内容有字段、过滤器、排序、外观等，具体见表1：

为了验证Revit软件统计工程量的可行性，自动提取了桥梁不同直径钢筋的重量，并与手工计算的工程量做对比，并定义了绝对误差C，见式（1）。一般情况下，A值越小，BIM技术的应用效果越好[5]。

（1）

式中，R——人工计算值（t）；S——软件计算值（t）。

不同直径的钢筋工程量统计结果见图4：

对于直径为8 mm、10 mm、12 mm、16 mm的钢筋，其绝对误差C分别为0.60%、0.36%、0.18%、0.32%，平均值为0.36%，总体误差较小，满足工程建设需求。

3.5 施工模拟

该公路桥梁的总体施工工序为桩基—系梁—墩柱—盖梁—箱梁—端部横梁—横向湿接缝—桥面铺装—桥面线。利用BIM技术对施工工艺复杂的部位进行施工进度模拟（在BIM模型中加入时间线），可检查设计施工工序的合理性，优化资源配置。

4 结语

该文研究了BIM技术在桥梁设计中的应用优势、实施框架及具体工程应用，研究成果表明：

（1）将BIM技术应用于公路桥梁设计中可很好地实现可视化、参数化、协同性，提高设计质量。

（2）在实际项目中可基于CBIMS标准开展桥梁设计，并结合设计进度来选择BIM模型深度等级。