■ 張洪偉 龐維福

0 引言

BIM技術(shù)正在全球范圍內(nèi)推動(dòng)傳統(tǒng)建筑行業(yè)產(chǎn)生重大變革[1]，在新加坡、韓國(guó)、美國(guó)、英國(guó)等國(guó)家逐漸成為主流。在我國(guó)，2015年《中國(guó)BIM應(yīng)用價(jià)值研究報(bào)告》顯示，我國(guó)已躋身全球前五大BIM應(yīng)用增長(zhǎng)速度最快地區(qū)之列[2]。在房屋建筑、地鐵領(lǐng)域，BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)、施工階段應(yīng)用案例較多，建模軟件與應(yīng)用方案也較為成熟，但在橋梁工程設(shè)計(jì)、施工中的應(yīng)用案例和文獻(xiàn)尚少[2]，并且BIM應(yīng)用推廣的軟件方面還存在建模困難、應(yīng)用軟件不配套、IFC數(shù)據(jù)共享與交換過程中仍出現(xiàn)信息丟失等問題[1]。因此，探索一種能精確建模且IFC數(shù)據(jù)交換信息無丟失的橋梁BIM建模方案具有重要意義。

近年來，中國(guó)鐵路總公司等大型企業(yè)不斷推行BIM技術(shù)應(yīng)用，引起橋梁建設(shè)者對(duì)BIM的重視，也積累了一些在大型橋梁項(xiàng)目中實(shí)踐應(yīng)用BIM的寶貴經(jīng)驗(yàn)。周華[3]采用Tekla軟件建立了滬通長(zhǎng)江大橋橫港沙淺水區(qū)112 m簡(jiǎn)支鋼桁梁橋的模型；閆振海[4]闡述了采用Tekla軟件建立虎門二橋2座世界級(jí)超大懸索橋主橋的鋼箱梁模型；張為和[5]闡述了采用Catia軟件建立夜郎河雙線特大橋的地質(zhì)地形、勁性鋼骨架、勁性鋼骨架基礎(chǔ)鋼筋、勁性骨架外包混凝土、纜索吊等模型；楊京鵬[6]介紹了采用Catia軟件建立我國(guó)第一座雙層縱移開啟式全焊鋼橋——寧波梅山春曉大橋模型；劉彥明等[7-8]闡述了采用Bentley軟件構(gòu)建橋梁BIM模型的一般步驟。朱奕蓓[2]詳細(xì)闡述了采用Revit軟件構(gòu)建鋼桁架加勁PC連續(xù)箱梁橋模型的過程；劉孟[9]采用Revit軟件建立了黃河特大橋預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁與鋼棧橋BIM模型。

以上研究成果表明，在橋梁工程中常用的BIM建模軟件為Tekla、Bentley、Catia、Revit。這4種建模軟件各有所長(zhǎng)。其中，Tekla擅長(zhǎng)處理鋼結(jié)構(gòu)的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的二維出圖和鋼筋數(shù)量統(tǒng)計(jì)方面很有優(yōu)勢(shì)，但這種優(yōu)勢(shì)僅局限于橋梁工程中的鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)，對(duì)于有復(fù)雜造型的橋梁或長(zhǎng)大橋梁適應(yīng)性差[10]。Bentley的Openroads Designer與Openbridge Modeler軟件組合使用建立橋梁模型的優(yōu)點(diǎn)是可按照專業(yè)要求與習(xí)慣，即基于大地坐標(biāo)、里程樁號(hào)、高程等要素進(jìn)行模型的建立與組裝，且鋼筋模型占用計(jì)算機(jī)內(nèi)存小[8]；缺點(diǎn)是墩臺(tái)模型庫樣式較少，參數(shù)化功能又較弱，不利于批量化應(yīng)用，且縱向預(yù)應(yīng)力管道的建立也較為繁瑣。Catia源于機(jī)械航空領(lǐng)域，因此非常適用有復(fù)雜造型要求的工程結(jié)構(gòu)，并且其服務(wù)器工作模式能夠適應(yīng)橋梁工程的龐大數(shù)據(jù)量，但該軟件在鋼筋建模方面尚有待加強(qiáng)[10]。Revit操作較為簡(jiǎn)單，是學(xué)習(xí)BIM的入門軟件，普及率較高且可與3D Max等軟件無縫對(duì)接，但建立橋梁模型也存在鋼筋建模效率低、空間曲線構(gòu)件建模不易等難點(diǎn)[11]。

因此，基于鄭阜高鐵沈界1號(hào)大跨連續(xù)梁-鋼桁組合橋（簡(jiǎn)稱鄭阜大橋）項(xiàng)目，嘗試采用普及率高、適用性強(qiáng)的Revit軟件建模，并克服鋼筋建模效率低等難點(diǎn)，為橋梁BIM建模探索一種可行方案。

1 工程概況與BIM軟件

1.1 工程概況

鄭阜大橋中心里程為DK193+594，全長(zhǎng)345．80 m，采用（86+172+86）m連續(xù)梁-曲弦鋼桁組合結(jié)構(gòu)，主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，按直線梁設(shè)計(jì)，在中跨160．55 m范圍內(nèi)安裝加勁鋼桁，并采用“先梁后桁”法施工。

梁體箱梁為單箱雙室、變高度、箱形截面，三向預(yù)應(yīng)力體系，主梁采用掛籃懸臂澆筑施工。中支點(diǎn)處梁高11 m，中跨跨中及邊支點(diǎn)處梁高為5 m，梁底下緣按二次拋物線變化，底寬11．3 m，底板厚度0．4～1．7 m。全聯(lián)在端支點(diǎn)、中支點(diǎn)及鋼桁-混凝土梁結(jié)合節(jié)點(diǎn)處共設(shè)17道橫隔板，橫隔板設(shè)有孔洞，供檢查人員通過。

鋼桁采用再分式桁架，桁高14 m，節(jié)間距16 m。在中支點(diǎn)位置采用曲弦方式和混凝土梁相連接。鋼桁結(jié)構(gòu)上弦桿采用箱形截面，尺寸為0．8 m×0．8 m，板厚為24～48 m。腹桿采用工字形截面，高0．8 m，翼緣板寬0．8 m、厚度24～28 mm，腹板厚度20～28 mm。再分腹桿采用工字形截面，高0．8 m，翼緣板寬0．4 m、厚16 mm，腹板厚度16 mm。上平聯(lián)采用X形構(gòu)造，工字形截面，兩端平聯(lián)高0．47 m，翼緣板寬0．60 m，板厚20 mm；其余平聯(lián)高0．47 m，翼緣板寬0．50 m，板厚16 mm。全橋?qū)ΨQ設(shè)置4道橫聯(lián)。鋼桁下弦點(diǎn)采用PBL剪刀鍵與混凝土梁相連，在節(jié)點(diǎn)板范圍內(nèi)設(shè)置凸臺(tái)，外包鋼板，內(nèi)灌混凝土。鄭阜大橋BIM模型渲染見圖1。

1.2 BIM建模軟件

圖1 鄭阜大橋BIM模型渲染圖

基于Revit建模的成功案例，鄭阜大橋的混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋采用Revit建模，并采用魯班鋼筋Civil提升鋼筋建模效率；基于Catia在鋼結(jié)構(gòu)橋建模方面的成功案例與優(yōu)勢(shì)，鋼桁架采用Catia進(jìn)行建模；基于Dynamo參數(shù)化、自動(dòng)化建模的優(yōu)勢(shì)，豎向預(yù)應(yīng)力管模型采用Dynamo輔助建立；基于Inventor精確建立曲線構(gòu)件的優(yōu)勢(shì)，縱向預(yù)應(yīng)力管模型采用Inventor建立；3D Max通過導(dǎo)入的Revit BIM模型制作施工動(dòng)畫視頻，用于工人進(jìn)行三維施工交底，具體見表1。

2 橋梁土建模型的建立

2.1 混凝土模型

鄭阜大橋主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，采用掛籃法施工，共有82個(gè)梁段，BIM模型建立的難點(diǎn)在于：在橋DK193+600處設(shè)計(jì)了變坡點(diǎn)（見圖2），一邊坡度為5．8‰，一邊坡度為-6．5‰，不僅如此，每個(gè)梁段還有橫向坡度要求，即82個(gè)梁段每段都不同，每個(gè)梁段尺寸都必須精確控制以保證坡度要求。主梁模型采用Revit族命令將梁段繪制完成后，插入到新建項(xiàng)目文件中進(jìn)行拼裝得到。

2.2 縱向預(yù)應(yīng)力管模型

鄭阜大橋主梁底板的預(yù)應(yīng)力管道不僅要與主梁底板底面平行，而且還要平彎，這是Revit建模的一個(gè)難點(diǎn)。為解決該問題，采用Inventor生成預(yù)應(yīng)力管道，然后導(dǎo)出Revit能打開的BIM交換文件，實(shí)踐證明可實(shí)現(xiàn)無損失互導(dǎo)。具體操作步驟如下：

表1 BIM建模軟件

圖2 鄭阜大橋縱向坡度圖

（1）打開Inventor軟件，基于設(shè)計(jì)圖紙繪制預(yù)應(yīng)力管束平彎、豎彎草圖；

（2）相交法得到預(yù)應(yīng)力管束空間中心曲線，并放樣生成管束（見圖3）；

（3）通過Inventor軟件的BIM轉(zhuǎn)換按鈕，導(dǎo)出Autodesk交換文件（．ADSK格式）（見圖4）；

（4）Revit打開Autodesk交換文件（．ADSK格式），得到Revit族文件，最后插入到土建模型的相應(yīng)位置。

2.3 豎向預(yù)應(yīng)力管模型

鄭阜大橋有豎向預(yù)應(yīng)力管7 492根，且每根預(yù)應(yīng)力管底距曲面梁底均為6 cm。位于0號(hào)塊兩側(cè)的主梁底面曲面不相同，因此每根豎向預(yù)應(yīng)力管長(zhǎng)度均不同。手動(dòng)精確建模十分麻煩，因此考慮采用Dynamo進(jìn)行批量生成。Dynamo是內(nèi)嵌于Revit的可視化編程平臺(tái)，可通過節(jié)點(diǎn)相互連接來取代程序代碼編程的方式與Revit數(shù)據(jù)庫聯(lián)動(dòng)，獲取、分析與編輯數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)BIM模型的自動(dòng)化創(chuàng)建與調(diào)整。

圖3 D6預(yù)應(yīng)力管平彎與豎彎面相交得到空間曲線

圖4 Inventor軟件建立的預(yù)應(yīng)力管模型導(dǎo)入Revit

Dynamo節(jié)點(diǎn)編輯思路為：在Revit中創(chuàng)建縱向預(yù)應(yīng)力管模型，需要有底部與頂部標(biāo)高、放置點(diǎn)與族類型等參數(shù)。在Dynamo中對(duì)應(yīng)著“point”“l(fā)evel”與“familytype”3種信息?！發(fā)evel”可由Revit視圖獲取，放置點(diǎn)與族類型需對(duì)導(dǎo)入Revit的CAD底圖進(jìn)行幾何分析。所以先將二維豎向預(yù)應(yīng)力管邊緣線篩選并分組，然后分析預(yù)應(yīng)力管截面中心點(diǎn)與尺寸，最后轉(zhuǎn)化至對(duì)應(yīng)的族類型，具體見圖5。

2.4 鋼筋模型

據(jù)統(tǒng)計(jì)，鄭阜大橋有鋼筋30．3萬根，質(zhì)量2 417．8 t，因此鋼筋建模工作量巨大。為提高效率，采用Revit的一款插件——魯班鋼筋Civil來輔助建模。用魯班鋼筋Civil制作箱梁平行面鋼筋時(shí)，可直接根據(jù)土建模型及圖紙要求快速生成對(duì)應(yīng)配筋信息，指定平行邊、終止邊，延伸端點(diǎn)后的模型線，即可直接生成鋼筋（見圖6），避免了用Revit繪制各種工作平面、繪制對(duì)應(yīng)的鋼筋形狀、調(diào)整鋼筋尺寸等工作。因此，采用該軟件進(jìn)行建模，大幅提高了建模效率。

3 橋梁鋼桁架模型的建立

鄭阜大橋鋼桁架BIM模型采用Catia建立，Catia建模的優(yōu)勢(shì)在于實(shí)現(xiàn)鋼桁架構(gòu)件空間位置的精確控制與拼裝，同時(shí)實(shí)現(xiàn)螺栓孔陣列的準(zhǔn)確參數(shù)化控制。Catia的建模方法為骨架驅(qū)動(dòng)加文檔模板。骨架為定位需要的點(diǎn)、線、面基本元素，模板為需要參數(shù)化控制的鋼桁架構(gòu)件[12]。

圖5 豎向預(yù)應(yīng)力管生成Dynamo節(jié)點(diǎn)圖

圖6 魯班鋼筋Civil布置鋼筋圖

鋼桁架建模步驟為：首先通過Catia知識(shí)工程參數(shù)化模塊導(dǎo)入Excel表中的坐標(biāo)點(diǎn)信息，根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)信息在Catia中生成空間點(diǎn)模型（見圖7），依據(jù)這些空間點(diǎn)繪制鋼桁架骨架線；然后根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙繪制鋼桁架構(gòu)件；最后將這些構(gòu)件基于骨架線進(jìn)行精細(xì)拼裝，得到整體鋼桁架模型（見圖8）。

4 施工工藝動(dòng)畫

圖7 Catia知識(shí)工程參數(shù)化獲取坐標(biāo)點(diǎn)信息繪制空間點(diǎn)

圖8 鋼桁架構(gòu)件Catia模型

3D Max是Autodesk公司出品的一款優(yōu)秀的三維動(dòng)畫制作和渲染軟件，以其強(qiáng)大的三維制作功能被廣泛應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)、可視化仿真、施工工藝動(dòng)畫制作等領(lǐng)域[13]。該項(xiàng)目橋梁施工工藝動(dòng)畫的制作，通常首先采用3D Max的拉伸、分割、旋轉(zhuǎn)、對(duì)齊及布爾運(yùn)算等命令進(jìn)行三維建模，然后進(jìn)行動(dòng)畫制作。

嘗試將Revit模型文件導(dǎo)入3D Max軟件，制作E0下弦節(jié)點(diǎn)定位、連續(xù)梁節(jié)段施工、鋼桁梁拼裝等施工工藝動(dòng)畫視頻，避免3D Max的重復(fù)建模，提高了工作效率，具體步驟如下：

（1）打開Revit模型點(diǎn)擊“導(dǎo)出”按鈕，選擇CAD格式下的DWG選項(xiàng)，然后點(diǎn)擊“修改導(dǎo)出設(shè)置”按鈕下的“實(shí)體”選項(xiàng)，再選擇“ACIS實(shí)體”按鈕；

（2）導(dǎo)出文件名字與導(dǎo)出路徑均為英文；

（3）打開3D Max軟件，選擇“參考”按鈕下的“文件鏈接管理器”按鈕；

（4）在出現(xiàn)的文本框中點(diǎn)擊“附加”下的“文件”按鈕，打開剛保存的DWG文件，在“預(yù)設(shè)”中選擇“DWG File Exported from Revit”，然后點(diǎn)擊“附加該文件”；

（5）導(dǎo)入完成后，關(guān)閉窗口即可。

5 結(jié)論

基于連續(xù)梁-鋼桁組合橋項(xiàng)目與BIM建模軟件特點(diǎn)，探索采用Revit、Catia、Inventor等軟件構(gòu)建連續(xù)梁-鋼桁組合橋精確BIM模型的新方法。這種建模方法可取得如下有益效果：

（1）采用魯班鋼筋Civil輔助Revit建模，可大幅提高鋼筋BIM建模效率；

（2）通過Dynamo的可視化編程，實(shí)現(xiàn)了豎向預(yù)應(yīng)力管的自動(dòng)化創(chuàng)建，節(jié)約了人力，提高了模型精度；

（3）借助Inventor精確建立曲線構(gòu)件的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了縱向預(yù)應(yīng)力管模型的精確、快速建立，提高了工作效率；

（4）Revit模型可與3D Max通過DWG文件實(shí)現(xiàn)互導(dǎo)，從而避免3D Max的重復(fù)建模，提高施工動(dòng)畫的制作效率。