■ 劉杰 馬潤(rùn)平 胥潤(rùn)東

BIM技術(shù)在摩洛哥布里格里格河谷斜拉橋中的應(yīng)用

■ 劉杰 馬潤(rùn)平 胥潤(rùn)東

布里格里格河谷斜拉橋位于摩洛哥王國(guó)境內(nèi)拉巴特繞城高速路上，主橋?yàn)?83 m+376 m+183 m疊合梁斜拉橋。由中鐵大橋院和法國(guó)EGIS公司聯(lián)合設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完全遵循法國(guó)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和施工習(xí)慣。在設(shè)計(jì)過程中，采用BIM技術(shù)建立了全橋的三維數(shù)字模型，解決了復(fù)雜造型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鋼筋圖設(shè)計(jì)和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中遇到的難題，滿足了摩洛哥業(yè)主的精細(xì)化施工的要求。邁出了中鐵大橋院學(xué)習(xí)、實(shí)踐BIM技術(shù)的第一步，為BIM技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用進(jìn)行了有益的探索。

BIM；全橋三維模型；復(fù)雜造型；精細(xì)化施工

1 工程概況及BIM使用背景

布里格里格河谷斜拉橋位于摩洛哥境內(nèi)拉巴特繞城高速公路上，位于首都拉巴特市區(qū)以東30 km，主橋?yàn)?83 m+376 m+183 m疊合梁斜拉橋（見圖1）。大橋跨越布里格里格河谷，橋位上游1 km處為大壩庫區(qū)。項(xiàng)目業(yè)主為摩洛哥國(guó)營(yíng)高速公路公司（ADM），于2010年初進(jìn)行國(guó)際公開招標(biāo)，來自中國(guó)的中海外-大橋局聯(lián)合體中標(biāo)，承擔(dān)該項(xiàng)目的施工及詳細(xì)設(shè)計(jì)；大橋院（中國(guó)，武漢）-艾吉斯（EGIS，法國(guó)）設(shè)計(jì)聯(lián)合體作為總承包商的設(shè)計(jì)分包，承擔(dān)施工圖設(shè)計(jì)工作[1]。

中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)公司（簡(jiǎn)稱中鐵大橋院）在2008年前后開始接觸建筑信息化模型（BIM）概念，隨后幾年時(shí)間里對(duì)BIM技術(shù)進(jìn)行跟蹤和學(xué)習(xí)。通過摩洛哥布里格里格河谷斜拉橋設(shè)計(jì)，在與法國(guó)EGIS公司的合作過程中，向EGIS公司學(xué)到了很多BIM工作的經(jīng)驗(yàn)，使BIM技術(shù)在中鐵大橋院得以順利起步。開展BIM工作首先是建立合適的三維模型，其次是將三維模型用好，體現(xiàn)模型價(jià)值，通過開展這個(gè)項(xiàng)目學(xué)習(xí)到一些國(guó)外這方面的經(jīng)驗(yàn)。

摩洛哥在歷史上和法國(guó)有著千絲萬縷的聯(lián)系。在橋梁工程方面，摩洛哥完全遵循法國(guó)的工程習(xí)慣，從設(shè)計(jì)、審核到施工、監(jiān)理均按照法國(guó)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。項(xiàng)目業(yè)主對(duì)于結(jié)構(gòu)的美觀造型以及施工的精細(xì)化要求遠(yuǎn)高于我國(guó)業(yè)主，這提高了設(shè)計(jì)的精細(xì)化要求。在設(shè)計(jì)過程中，如果仍采用傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)將很難滿足施工方和業(yè)主需求，而BIM技術(shù)的應(yīng)用解決了傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)遇到的難題，大橋院和EGIS的設(shè)計(jì)成果很好地滿足了施工方和業(yè)主的需求，保證了工程的順利進(jìn)行。

2 BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 橋塔造型設(shè)計(jì)

圖1 摩洛哥布里格里格斜拉橋

此項(xiàng)目的初步設(shè)計(jì)方案由法國(guó)建筑師為主導(dǎo)而確定，建筑師為使橋塔在山谷中產(chǎn)生挺拔、雄偉的建筑效果，采用空間雙曲面的混凝土橋塔，在立面上呈梭形。塔柱在順橋向和橫橋向均分離，分為4肢，各肢柱在下塔柱通過混凝土裙板連在一起，塔柱中部設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁，使塔柱與橋面板在該部位固結(jié)（見圖2）。橋塔截面從塔底到塔頂一直都在不停地變化（見圖3）。

由于此橋的橋塔為4肢空間曲線模型，如果采用傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)，不易將結(jié)構(gòu)表達(dá)清楚，也很容易出現(xiàn)尺寸錯(cuò)誤。因此，中鐵大橋院和EGIS公司合作，決定采用BIM技術(shù)設(shè)計(jì)橋塔。BIM軟件選用Autodesk公司的Inventor Professional軟件， EGIS公司已經(jīng)應(yīng)用此軟件超過一年，有一定的使用經(jīng)驗(yàn)，而且和AutoCAD軟件的互交性有著先天優(yōu)勢(shì)（同屬于Autodesk公司）；硬件方面，BIM軟件對(duì)于電腦的顯卡和內(nèi)存要求較高，中鐵大橋院為摩洛哥項(xiàng)目組配置了惠普Z800專業(yè)圖形工作站以保證工作順利開展。

圖2 P2橋塔BIM模型

在項(xiàng)目初期，EGIS公司和中鐵大橋院均投入大量人力建立全橋和橋址處地形地貌的三維模型，而且此三維模型并非僅僅為了二維出圖，而是直接應(yīng)用于混凝土澆筑模板設(shè)計(jì)。摒棄傳統(tǒng)的“頭腦中的三維”→“二維圖紙”→“施工的三維”設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)了“頭腦中的三維” →“數(shù)字三維模型”→“施工的三維”的直接轉(zhuǎn)化。制作混凝土模板的公司（奧地利Doka公司）直接根據(jù)橋塔的三維模型制作模板，保證了模板制作精度及橋塔線性美觀。

2.2 BIM模型二維出圖

雖然在混凝土模板制作過程中實(shí)現(xiàn)了“數(shù)字三維”→“施工三維”的直接轉(zhuǎn)化，但在設(shè)計(jì)過程中，仍有“二維圖紙”存在，其作用只是用于圖紙的審核和校對(duì)，并不對(duì)施工和設(shè)計(jì)產(chǎn)生直接影響。并且大部分二維結(jié)構(gòu)圖直接由Inventor軟件中的工程圖模塊繪制，使二維結(jié)構(gòu)圖和三維模型實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)。在設(shè)計(jì)過程中，只需對(duì)設(shè)計(jì)表中的參數(shù)進(jìn)行修改，二維工程圖也可隨之自動(dòng)修改。而且在二維工程圖中增加陰影的渲染以及二維圖的可讀性和識(shí)別性（見圖4）。

2.3 混凝土工程量的精確統(tǒng)計(jì)由于橋塔的造型復(fù)雜，且為空間曲線，如果采用傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)，混凝土工程量的統(tǒng)計(jì)將會(huì)比較困難，但在三維BIM模型中這個(gè)問題迎刃而解。通過對(duì)BIM軟件的BOM表功能對(duì)模型屬性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以很方便得出橋塔每個(gè)節(jié)段和整個(gè)橋塔的混凝土工程量（見圖5）。

2.4 主梁斜拉索錨塊和錨槽的設(shè)計(jì)

斜拉索在主梁上的錨固采用挖槽錨固，索導(dǎo)管處又有錨固塊（見圖6），由于斜拉索在順橋向和橫橋向與水平面的夾角不斷變化，因此每一個(gè)錨槽和錨塊的尺寸都不相同，如果通過傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)要通過復(fù)雜的幾何計(jì)算才能得到，而通過BIM技術(shù)，在三維建模時(shí)通過參數(shù)化建模，很容易得到所有錨槽和錨塊的尺寸。

2.5 挖方填方的精確計(jì)算

圖3 橋塔截面

圖4 橋塔的二維工程圖

由于橋塔采用明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)，在施工過程中會(huì)產(chǎn)生很大的挖方和填方量，在傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)中，精確計(jì)算土石方量是一項(xiàng)較為繁瑣的工作，但通過BIM技術(shù)能精確得到現(xiàn)場(chǎng)的土石方量。橋塔明挖基礎(chǔ)見圖7。

3 BIM技術(shù)在鋼筋工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 構(gòu)件設(shè)計(jì)輕巧，配筋率高

摩洛哥布里格里格河谷斜拉橋的設(shè)計(jì)方案是由建筑師主導(dǎo)，為了方案的美學(xué)效果，構(gòu)件尺寸十分輕巧，塔高將近200 m（P1高197.45 m；P2高185.05 m），而大部分塔肢的壁厚僅為65 cm，因此，橋塔的配筋率較高，且大量采用屈服強(qiáng)度為500 MPa、φ40的高強(qiáng)度鋼筋，大部分塔肢的配筋率在300 kg/m3左右，在塔肢分叉的L5節(jié)段配筋率更是高達(dá)400.49 kg/m3，且橫橋向還有預(yù)應(yīng)力管道。因此，鋼筋之間的碰撞，鋼筋和預(yù)應(yīng)力管道的碰撞問題十分突出。

圖6 主梁斜拉索

圖7 橋塔明挖基礎(chǔ)

3.2 鋼筋工程的精細(xì)化設(shè)計(jì)，工廠化制造

鋼筋加工按照業(yè)主要求，遵循法國(guó)的工程習(xí)慣，采用大直徑鋼筋，所有鋼筋均采用工廠預(yù)制（見圖8），現(xiàn)場(chǎng)拼裝。施工現(xiàn)場(chǎng)不允許進(jìn)行鋼筋切割和彎折，所有鋼筋的連接均采用綁扎搭接方式連接，這些因素都要在設(shè)計(jì)階段充分考慮，設(shè)計(jì)重心前移，設(shè)計(jì)院的工作量大大增加。

中鐵大橋院在鋼筋圖設(shè)計(jì)過程中需要考慮以下因素：施工節(jié)段長(zhǎng)度（橋塔4 m一個(gè)節(jié)段進(jìn)行分段澆筑）、鋼筋定尺長(zhǎng)度（鋼筋出廠長(zhǎng)度不超過12 m）、鋼筋搭接長(zhǎng)度、搭接交錯(cuò)（接頭率滿足規(guī)范要求）、箍筋交錯(cuò)配置、鋼筋安裝順序，工人操作空間，混凝土能否順利澆筑等。（注：在我國(guó)工程中以上因素屬于施工組織內(nèi)容，主要由施工單位負(fù)責(zé)）

3.3 利用BIM技術(shù)進(jìn)行鋼筋三維碰撞檢查

在鋼筋圖的設(shè)計(jì)中，中鐵大橋院采用由Inventor繪制精確的結(jié)構(gòu)圖，導(dǎo)入AutoCAD中進(jìn)行二維鋼筋圖繪制，鋼筋長(zhǎng)度、直徑、彎曲半徑、彎鉤形式、彎鉤長(zhǎng)度等均按照真實(shí)尺寸繪制，需要避免鋼筋碰撞問題。對(duì)大部分構(gòu)件，二維設(shè)計(jì)能夠滿足業(yè)主要求，但在某些復(fù)雜部位二維已經(jīng)不能解決問題，要借助三維工具。中鐵大橋院自主開發(fā)了生成三維鋼筋籠的插件，通過繪制好的二維鋼筋圖來生成三維鋼筋籠，用于檢查鋼筋碰撞問題（見圖9）。通過檢查及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工中可能發(fā)生的碰撞，調(diào)整鋼筋的形式和位置，提高施工效率。

4 BIM技術(shù)在鋼錨箱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

斜拉索作為斜拉橋的主要受力構(gòu)件，其錨固點(diǎn)定位的精確性對(duì)全橋的受力十分重要，為提高錨固點(diǎn)定位的精確性，橋塔錨固區(qū)的方案從初步設(shè)計(jì)的環(huán)向預(yù)應(yīng)力方案改為最終的鋼錨箱方案。該項(xiàng)目每個(gè)橋塔有20對(duì)斜拉索，全都錨固在塔頂錨固區(qū)大約24 m高度的范圍內(nèi)，使斜拉索的間距較小，斜拉索最小中心間距達(dá)到935 mm，扣除斜拉索索導(dǎo)管直徑后，斜拉索的凈間距僅為390 mm。因此，鋼結(jié)構(gòu)加工制造時(shí)，焊槍的操作空間十分有限。

圖8 鋼筋工廠化制造

圖9 橋塔某節(jié)段的三維鋼筋籠

為了保證鋼結(jié)構(gòu)加工制造精度，設(shè)計(jì)方建立了鋼錨箱的三維BIM模型（見圖10），利用BIM模型直接出圖，且工程圖中二維圖視和三維圖視相結(jié)合，使鋼結(jié)構(gòu)制造單位能更合理地安排鋼結(jié)構(gòu)的安裝順序和焊接順序，提高了制造加工的效率。

5 結(jié)論與展望

（1）布里格里格河谷斜拉橋的設(shè)計(jì)工作是中鐵大橋院第一次完全按照法國(guó)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和施工習(xí)慣進(jìn)行設(shè)計(jì)的橋梁，BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)過程中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，滿足了業(yè)主和施工方的要求，保證了工程的順利進(jìn)行，也邁出了大橋院在BIM應(yīng)用道路上的第一步，為BIM技術(shù)在橋梁工程上的推廣打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖10 鋼錨箱BIM模型及二維工程圖

（2）在設(shè)計(jì)過程中，中鐵大橋院和法國(guó)EGIS公司合作，應(yīng)用BIM技術(shù)完成了復(fù)雜造型設(shè)計(jì)、二維出圖、工程量統(tǒng)計(jì)、碰撞檢查等工作，解決了設(shè)計(jì)和施工中遇到的難題。加快了BIM技術(shù)在大橋院的起步速度，節(jié)約了學(xué)習(xí)和摸索的時(shí)間。

（3）BIM技術(shù)是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程，此次設(shè)計(jì)過程中主要偏重于BIM中的M（Modeling）應(yīng)用，對(duì)于BIM中的I（Information）應(yīng)用較少。在今后的BIM應(yīng)用中，對(duì)強(qiáng)信息以及信息傳遞的應(yīng)用要逐步加強(qiáng)。

（4）BIM技術(shù)的應(yīng)用能進(jìn)一步深化橋梁設(shè)計(jì)，對(duì)橋梁施工起到更好的指導(dǎo)作用。通過橋梁信息化推動(dòng)施工預(yù)制化和工廠化，提高橋梁的施工精細(xì)化水平，提高工程質(zhì)量。反過來，施工制造的信息化、工廠化也可有力促進(jìn)BIM技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

（5）BIM技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)逐步推廣，使設(shè)計(jì)師轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)思路，在方案設(shè)計(jì)階段直接從三維設(shè)計(jì)入手，使BIM思想貫穿設(shè)計(jì)始終。

[1] 廖慕杰，劉小林. 摩洛哥布里格里格合股斜拉橋設(shè)計(jì)與技術(shù)特點(diǎn)[J]. 世界橋梁，2012，40(4).

劉杰：中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)公司，工程師，湖北武漢，430056

馬潤(rùn)平：中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)公司，教授級(jí)高級(jí)工程師，湖北 武漢，430056

胥潤(rùn)東：中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)公司，高級(jí)工程師，湖北 武漢，430056

責(zé)任編輯陳曉云

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1672-061X（2014）02-0088-05