宋福春， 謝利斌， 李孟臣， 劉鑒霆， 張國強

(沈陽建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院， 沈陽 110168)

路橋工程線長面廣，作為城市建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施工程，是城市建設(shè)的重要組成部分，不僅影響到城市居民的日常生活和交通出行，而且在很大程度上反映了城市的文化和經(jīng)濟發(fā)展水平，作為橋梁的建設(shè)與城市其他建設(shè)相輔相成，成為了城市發(fā)展的一個重要標志[1].

基礎(chǔ)建設(shè)具有獨特的多樣性，特別是在橋梁工程中，所包含的工程項目較多，多專業(yè)共同協(xié)作完成一項工程，但在工程管理上存在一定難度[2].本文研究了BIM技術(shù)對橋梁工程建設(shè)的影響，因立交橋結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、受力分析要求高、異形構(gòu)件多等因素，運用二維設(shè)計方法不能全方位概括到[3].因此，運用三維建筑信息模型可以解決立交橋中特殊的異形構(gòu)件建模[4]，讓其各專業(yè)在一個平臺上溝通，減少交叉作業(yè)的錯誤率[5].本文對BIM技術(shù)在復(fù)雜立交橋設(shè)計中研究了一套實際應(yīng)用的方法，進一步讓BIM技術(shù)在橋梁工程中落地，為后續(xù)研究BIM技術(shù)的工程技術(shù)人員提供參考[6].

1 工程背景

沈陽市南北快速路修建緩解了交通壓力，保證了沈陽市中心城區(qū)交通暢通，使具有一定規(guī)模的中長距離交通能與短距離交通進行有效分離，同時讓城市內(nèi)部道路與環(huán)路之間能有一個合理的過渡與銜接.

南北快速路南端需要與青年大街快速路和二環(huán)無信號城市環(huán)路進行連接，其立交結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，共23個匝道，占地面積約33萬m2.立交工程匝道編號按照英文字母從A至Z編排.其中，A、B橫斷面設(shè)計為0.5 m(防撞墻、護欄)+8 m(機動車道)+0.5 m(防撞墻、護欄)；C、J、W橫截面設(shè)計為0.5 m(防撞墻、護欄)+9 m(機動車道)+0.5 m(防撞墻、護欄)；E、F、H、Q、L橫斷面設(shè)計為1 m(土路肩)+9 m(機動車道)+1 m(土路肩)等.五愛立交橋上部結(jié)構(gòu)分預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁、普通混凝土連續(xù)箱梁和鋼箱梁三種結(jié)構(gòu)形式.其中，匝道AO預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)橋橋?qū)挿譃?、9、16 m三種，局部跨徑箱梁變寬過渡；鋼箱梁橋?qū)挿謩e為7、9、10、12.5、16、17.5 m六種，S線框構(gòu)橋箱寬25.6 m，橫向分兩箱，箱長51.61 m，頂?shù)装搴?.8 m，側(cè)墻厚0.8 m，中墻厚0.6 m，箱高7.0 m.框構(gòu)橋主體采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，由西向東采用頂推施工.

2 模型建立

軟件的應(yīng)用是BIM技術(shù)的基礎(chǔ)，BIM主流設(shè)計類軟件有四個系列[7].首先是Autodesk-Revit系列軟件便于操作，操作界面簡單，且具備海量對象庫(object libraries)，該對象庫能夠由第三方來開發(fā)、擴充與完善；具備在各個視圖下與三維模型雙向關(guān)聯(lián)的功能，模型數(shù)據(jù)能夠進行全局實時更新，建模的準確性極高，可避開重復(fù)作業(yè)；Revit建立的模型能夠根據(jù)路徑實現(xiàn)三維漫游作業(yè)，從而解決了項目各參與方的交流與協(xié)調(diào)問題，便于溝通與協(xié)作.其次是Bentley-Bentley Architecture系列、Gra Phisoft/Nemetschek AG-Ar-chi CAD系列和Tekla Corp系列軟件，在建立BIM模型方面都具有很強大的功能，在設(shè)計方面的應(yīng)用也非常廣泛.但是，對這三個系列的軟件進行熟練掌握卻很難，并且與Revit系列軟件相比，這三個系列軟件對象庫的數(shù)量不夠豐富，且與其他軟件不太容易實現(xiàn)互導(dǎo)，在建立復(fù)雜形體時，降低了建模效率[8].

綜上所述，本文采用Revit系列軟件進行建模，再結(jié)合Civil 3D能夠在實際地形文件上建立路線模型，Dynamo軟件能夠建立參數(shù)化異形模型，適用于復(fù)雜特殊結(jié)構(gòu)的模型建立，從而滿足對于沈陽五愛立交橋建模的需要.

族的優(yōu)點是在建模過程中可以直接調(diào)取，利用族庫事先建好的參數(shù)化構(gòu)件模型直接建模，只需調(diào)整構(gòu)件模型在整體模型中的位置即可.這樣能夠大大縮短建模的時間，提高建模的效率和準確性，而且可以將建立好的構(gòu)件族保存到族庫當中，方便以后調(diào)用，極大地減少了重復(fù)性工作[9].

2.1 族的建立

在Revit正常運用中，將其構(gòu)件稱為單元族，現(xiàn)階段軟件已經(jīng)自帶大量的族，絕大多數(shù)都是建筑結(jié)構(gòu)系列族，對橋梁構(gòu)件這種異形體還未成體系[10].

因此，本文運用Revit Structure給出了拉伸、融合、旋轉(zhuǎn)、放樣、放樣融合五種方法，對橋梁橋墩、橋臺、上部結(jié)構(gòu)、排水裝置、欄桿、防撞墻和交通標志等其他附屬設(shè)施進行建立.在Revit中創(chuàng)建的構(gòu)件都是參數(shù)化模型，根據(jù)二維圖紙給定的數(shù)據(jù)，運用專門的族模板建立橋梁族.

Revit中族庫模塊功能的強大就在于在設(shè)計過程中需要相應(yīng)的構(gòu)件直接調(diào)取族庫事先建好的參數(shù)化族，可以對橋梁異形構(gòu)件長、寬、高進行相應(yīng)修改，避免重復(fù)建立，加大工作量，僅需要在導(dǎo)入后對其位置進行適當調(diào)整，可以提高建模的效率和質(zhì)量.

2.2 族庫的建立

BIM核心建模軟件推出三種建模樣板，分別是Revit Structure(結(jié)構(gòu))、Revit Architecture(建筑)和Revit MEP(機電)，它們具有建立族的功能.本文采用Revit Structure(結(jié)構(gòu))創(chuàng)建結(jié)構(gòu)模型，建立的立交橋族庫構(gòu)架圖如圖1所示.

2.2.1 基礎(chǔ)族的建立

五愛立交橋的基礎(chǔ)采用鉆孔樁基礎(chǔ)，采用Revit族樣板文件建立基礎(chǔ)族庫，并對五愛立交橋每個標段承臺基礎(chǔ)的尺寸和標高等參數(shù)進行修改.將墩臺材質(zhì)設(shè)置成現(xiàn)澆混凝土，并且將每立方的價位輸入，得到的四樁承臺三維視圖如圖2所示.

圖1 立交橋族庫構(gòu)架圖Fig.1 Architecture diagram of library family of overpass

圖2 四樁承臺Fig.2 Four pile cap

2.2.2 橋墩族的建立

橋墩根據(jù)上部結(jié)構(gòu)寬度不同，采用不同類型的橋墩，上部結(jié)構(gòu)寬7、9、10、12.5、16 m的橋墩橫橋向呈Y型，呈花瓶式形狀.上寬下窄，在Revit自帶族庫中，橋梁異形構(gòu)件幾乎為零，運用Revit自帶的結(jié)構(gòu)柱樣板會給建模參數(shù)帶來弊端，因此，本文運用Revit中常規(guī)模型樣板來建立上部結(jié)構(gòu)不同的橋墩模塊，在建立過程中將橋墩分為三部分，支座、有弧度Y型上半部分以及Y型下半部分.支座建立相對其他部位容易些.運用軟件的拉伸命令對其進行長、寬、高的設(shè)置，建立完成后再經(jīng)過對稱處理，橋墩的支座全部建成，結(jié)果如圖3所示.之后通過拉伸和空心命令進行橋墩下部建立，結(jié)果如圖4所示.

圖3 橋梁支座制作Fig.3 Production of bridge bearing

最后運用軟件的放樣、融合以及拉伸命令進行橋墩上部結(jié)構(gòu)建立，結(jié)果如圖5所示.將所有建立后的構(gòu)件拼合，并將其每個連接部位鎖定，以免影響在項目中改動參數(shù)出現(xiàn)錯誤.建立后將橋墩導(dǎo)入項目中，就會得出橋墩長、寬、高以及體積相關(guān)參數(shù)，可以根據(jù)橋梁設(shè)計大小進行改動.

圖4 橋墩下部結(jié)構(gòu)建立Fig.4 Building of bottom part of bridge pier

圖5 橋墩上部結(jié)構(gòu)建立Fig.5 Building of upper part of bridge pier

2.2.3 預(yù)制梁的建立

五愛立交橋預(yù)制梁是空心結(jié)構(gòu)，采用同截面鋼筋混凝土箱梁.在鋼箱梁中配筋比較復(fù)雜，在建模過程中要注意定位準確，以及在設(shè)計過程中對預(yù)制梁的坡度以及轉(zhuǎn)彎要詳細處理.

在Revit中建模，通過對尺寸進行把控，運用拉伸和放樣命令建立，對實體按照設(shè)計圖紙要求進行拆改，尤其在異形部位進行細節(jié)優(yōu)化，需要進行連接融合顯示其空心效果，結(jié)果如圖6所示.

圖6 預(yù)制梁創(chuàng)建Fig.6 Creation of precast beam

預(yù)制梁族庫全部建成后導(dǎo)入到項目中進行相關(guān)參數(shù)的調(diào)試，對每一段梁設(shè)計其大小，在相關(guān)參數(shù)設(shè)置后進行拼裝，組建立交橋.在搭建完成后，將每一個接口鎖定，包括混凝土預(yù)制梁、橋墩和其他附屬設(shè)施(防撞墻、路燈、排水設(shè)施等).

2.2.4 其他附屬設(shè)施的建立

在Revit中運用公制常規(guī)模型對其護欄、防撞墻以及路燈族進行建立.護欄可以運用Revit自帶欄桿和路燈族進行相應(yīng)優(yōu)化，對設(shè)計要求部位逐步改動后即可利用，不需要太復(fù)雜程序，節(jié)省了大量時間.對于防撞墻Revit中沒有相關(guān)異形族，需要設(shè)計者進行族庫建立，運用拉伸命令設(shè)計直線防撞墻，運用放樣命令設(shè)計彎曲防撞墻，最后將其導(dǎo)入項目中，與項目進行拼接.

2.3 Revit全橋模型的建立

構(gòu)件族完成之后建立一個結(jié)構(gòu)項目文件，根據(jù)實際地形、地質(zhì)條件適當展開，分別將建立好的地形、基礎(chǔ)、橋墩、主梁導(dǎo)入到項目文件中，調(diào)整構(gòu)件在項目中的位置，將立交橋的直線段拼接.對于轉(zhuǎn)彎較小的匝道，利用Dynamo進行編程建立模塊.調(diào)整各個構(gòu)件在項目中的位置即可得到完整的項目模型，整體立交結(jié)構(gòu)如圖7所示.

圖7 整體立交結(jié)構(gòu)Fig.7 Whole overpass

3 立交橋線型設(shè)計

由于城市立交橋地方狹窄，現(xiàn)場實際規(guī)劃很難落地，以及多大的道路凈空造成工程浪費，尤其是多層立交復(fù)雜的道路關(guān)系讓還未引進BIM的傳統(tǒng)設(shè)計方法在控制凈空時變得異常繁雜[11].

利用Civil 3D軟件功能將五愛立交橋高程區(qū)域?qū)?，使用三角網(wǎng)體積曲面直觀顯示復(fù)雜立交橋的選線，按照地形曲面的創(chuàng)建思路，利用等高線、特征線和邊界線創(chuàng)建設(shè)計曲面.

4 匝道參數(shù)化建立

Dynamo作為一個編程軟件，將復(fù)雜的異形構(gòu)件經(jīng)過參數(shù)化的整合，對于匝道尤其在彎曲部位，運用Revit創(chuàng)建加大設(shè)計難度，并且準確度較低.利用Dynamo進行參數(shù)編程，較好地處理了這一問題，讓部分橋梁構(gòu)件接口達到優(yōu)化處理.

將Revit與Dynamo進行參數(shù)聯(lián)動，避免了Revit對異形體建立的弊端，相互交換使模型更加完善，達到建筑信息模型全生命周期的管理.運用Dynamo中Bridge節(jié)點包快速建立橋梁模塊，在AutoCAD中畫出預(yù)制梁平面圖，導(dǎo)入Revit中作為底圖，根據(jù)相應(yīng)比例在Revit中翻模，最后在軟件Revit附加功能中啟動Dynamo，在Dynamo中進行放樣，整合結(jié)果如圖8所示(單位：cm).將Dynamo編程結(jié)束的匝道導(dǎo)入Revit軟件中進行連接，通過BIM三大核心軟件將復(fù)雜立交橋進行完整設(shè)計，達到最初預(yù)期效果.

圖8 Dynamo異形構(gòu)件整合Fig.8 Integration of Dynamo heteromorphic components

5 結(jié) 論

本文通過分析得出以下結(jié)論：

1) 利用三個軟件建立信息化的參數(shù)模型，其中涵蓋與整個項目相關(guān)的大量信息服務(wù)于建設(shè)項目的設(shè)計和整體運營等整個生命周期，為提高生產(chǎn)效率、保證生產(chǎn)質(zhì)量、節(jié)約成本、縮短總工期等發(fā)揮出巨大的優(yōu)勢作用.

2) 對于復(fù)雜異形構(gòu)件，通過運用軟件Dynamo建立橋梁匝道族庫，并且把族庫共享化，之后讓更多BIM橋梁工程師加以參考，在此基礎(chǔ)上不斷地更新與完善這個族庫，使其BIM技術(shù)在橋梁工程設(shè)計中的應(yīng)用具有極大地幫助作用.

3) 在BIM設(shè)計圖紙時，每個構(gòu)件信息已成參數(shù)化，圖紙具有聯(lián)動性，在施工過程中，有設(shè)計圖紙問題，只需修改圖紙的局部，包括工程量在內(nèi)的其他部分可以自動進行修改，從而解決了人工修改圖紙容易遺漏、出錯的問題，極大地提高了出圖效率.

4) 經(jīng)過三大軟件的協(xié)同配合，對結(jié)構(gòu)進行可視化，模擬施工人員施工，對所設(shè)計的橋梁結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，能夠使設(shè)計出來的橋梁結(jié)構(gòu)不僅符合結(jié)構(gòu)要求，而且能夠便于施工，減少錯誤發(fā)生的概率.