孫建誠,蔣浩鵬,楊文偉,朱雙晗,王 坤
(1. 河北工業(yè)大學 土木與交通學院,天津 300400; 2. 河北省交通規(guī)劃設計研究院,河北 石家莊 050000)
隨著建筑信息模型(building information modeling,BIM)在建筑領域中不斷開拓和應用,在公路橋梁及水運行業(yè)發(fā)展BIM技術已迫在眉睫。BIM技術以三維數(shù)字為基礎,不僅包括工程項目各種信息的數(shù)字化模型,同時也包括項目各階段與各參與方的信息共享[1]。隨著BIM技術的發(fā)展,某些橋梁建設項目中已經應用到了BIM技術,例如:張忻[2]通過對環(huán)線高架工作現(xiàn)狀進行分析,以BIM建模為手段,引入GPS和GIS實現(xiàn)了道路橋梁設施管養(yǎng)的信息化。在橋梁病害處理方面,李成濤等[3]基于Revit軟件開發(fā)了WebGL的三維可視化軟件,完成了對橋梁裂縫和其他局部病害、構件損傷程度的三維可視化展示,并實現(xiàn)了對圖文信息位置實時查詢,提高了橋梁后期養(yǎng)護的效率。
以上應用中的工程數(shù)據(jù)文件交互十分困難,這就不僅要求各個軟件之間相互協(xié)同,同時模型數(shù)據(jù)信息和應用更需要標準去規(guī)范操作并進行明確界定。目前,BIM技術應用于橋梁方面主要是結構建模和碰撞檢查等方面,并不注重如何傳遞模型信息和減少信息丟失量等。
筆者立足于BIM特點和標準,研究了BIM標準之間的關系,同時探索并構建了基于BIM橋梁設計和施工管理標準化技術路線,利用IFC標準規(guī)范了BIM橋梁設計具體思路,為三維BIM橋梁模型建立提供了理論依據(jù)和基礎。同時利用Revit軟件規(guī)范了三維橋梁結構設計模式,最終得到了整體BIM模型,并通過深化設計得到了主梁工程數(shù)量表。研究結果表明:橋梁BIM模型方便了工程人員查閱構件信息,運用標準化技術路線可有效提高結構設計效率,可減少重復設計工作量,相比傳統(tǒng)設計手段更加方便與準確。
BIM技術是以三維動態(tài)顯示為基礎,包含了諸多信息的模型,其中包括項目設計、施工、運維信息等。BIM技術具有可視化、協(xié)同性、模擬性、優(yōu)化性、出圖性等基本特點[4]。
可視化程度高代表了可更直觀使用整體模型,作為專注于三維設計橋梁模型的BridgeMaster、Midas與實際設計方案之間還存著相當大差距,不僅包括構件尺寸,其信息處理方面也不完美。目前橋梁形式多樣,結構較為復雜,傳統(tǒng)設計手段已不能滿足工程人員需要,BIM通過技術和方式的提升真正實現(xiàn)了設計階段的“眼見為實”。不僅對外形結構可以三維了解,對橋梁各構件信息也可實時掌握,例如:使用混凝土體積、混凝土生產日期、使用鋼筋數(shù)量等。
協(xié)同性是BIM技術改變整個橋梁工程建設行業(yè)的關鍵[5-6]。對傳統(tǒng)橋梁設計方案而言,設計階段后期施工圖修改往往費時費力,但通過建筑信息模型可允許跨專業(yè)添加、傳遞、修改、保存結構等信息,這就保持了原有模型信息的實時更新,改善了以往松散的管理體系,并利用數(shù)字模型將各方協(xié)同到同一平臺,這樣不僅減少信息流失和錯漏,也可在施工階段之前找到模型問題所在。
優(yōu)化模擬性是BIM技術最重要的組成部分[7]。BIM模型信息之所以能夠相互應用和傳遞,是因為其強大的三維模擬性,可通過gbXMI標準模擬光照時間和陽光位置,并進行可持續(xù)設計。同時對施工進度和施工組織方案也可規(guī)劃4D時間表,之后對于5D造價管理能準確快速的計算出時間和經濟成本,生成對應的工程概預算,從而提高工程效率,縮短工期。
對于BIM標準,國際上將其分為3類:IFC、IDM、IFD。作為 BIM 技術主流數(shù)據(jù)交換標準IFC(industry foundation class)提供了一個不依賴于任何具體信息管理系統(tǒng)、適合于計算機處理的建筑數(shù)據(jù)表示和交換標準[8]。而IDM(information delivery manual)標準即為信息交付手冊標準[9]。此外,IFD(international framework for dictionaries)為國際字典框架標準。這3種標準關系如圖1。
圖1 BIM標準關系Fig. 1 BIM standard relationship
其中:IFC作為最主要的BIM標準在建筑領域總共分為4個層面,分別為資源層、核心層、共享層和領域層。橋梁工程項目類型雖不同于公路工程,但其構件類型相對較多,例如墩臺數(shù)據(jù)、上部梁板尺寸數(shù)據(jù)、護欄、標線等都需要信息處理;而IFC標準強大的數(shù)據(jù)交換和兼容能力可極大程度解決橋梁構件信息數(shù)據(jù)交換和共享問題,方便工程人員更直觀查看三維橋梁模型和橋梁構件信息。
IDM描述的是項目指定時間和地點基于特定目的的信息集合,對于橋梁工程項目而言,例如施工開始時間和預估結束時間,施工地點精確位置等信息都可以通過IDM標準進行制定。IDM旨在將IFC所定義橋梁構件信息自動整理并標準化處理后交給領導層人員或工程項目人員使用,這樣不僅減少時間成本提高了效率,同時減少了傳遞過程中信息缺少、丟失的可能性。
IFD采用GUID(global unique identifier)的方式可進一步降低全球語言差異帶來的編碼問題。IFC與IDM只是給技術人員提供了信息交互方式,但缺少信息編碼標準。在設計過程中,國內橋梁構件的建造編號與國外可能大不一樣,在此利用IFD可保證國內外工程數(shù)據(jù)互相共享,且構件編碼統(tǒng)一方便工程的順利進行。
對于我國橋梁工程傳統(tǒng)設計項目,可分為下部結構設計、上部結構設計和交通附屬物設計。下部分為橋墩、橋臺、承臺、蓋梁等,上部分為支座、梁板、上部鋪裝層等。交通附屬物包括標線、路燈等。傳統(tǒng)設計步驟簡練,符合工程人員設計思路和習慣,但往往設計過程之中會出現(xiàn)尺寸標注錯誤、橋梁位置誤差、鋼筋數(shù)量計算等問題。
目前,我國已嘗試將BIM技術應用到橋梁建設項目中,也已取得了相當豐富的成果[10-12],而目前正朝著交通與水運行業(yè)發(fā)展。但BIM設計軟件類型較多,設計方式也不盡相同,這就導致了設計文件并不能統(tǒng)一和共享。且這些設計路線并沒有完全與BIM標準融合在一起,導致設計成果五花八門,進而降低了效率、拖延了工期,故有必要在構建橋梁設計路線中結合BIM標準。為此,筆者通過結合IFC標準領域層思路,建立了基于BIM的橋梁設計標準化技術模型,如圖2。
圖2 BIM橋梁設計標準化技術模型Fig. 2 The technical model of BIM bridge standardization design
目前橋梁施工和運營問題還是相當嚴重,由于管理不當或施工方案不合適等原因經常會導致工期反復進行進而延誤工期。將IFC標準理念與施工組織相結合可有效提高工程信息傳遞效率,降低信息傳輸風險。BIM在橋梁施工時主要應用包括:三維可視化施工、物料實時管理、施工圖及統(tǒng)計報表的輸出等。為此,筆者在BIM橋梁設計標準化技術路線的基礎之上繼續(xù)構建了BIM橋梁施工管理標準化技術模型,如圖3。
圖3 BIM橋梁施工管理標準化技術模型Fig. 3 The technical model of BIM bridge standardizationconstruction and management
BIM橋梁構件模型較多且其種類、位置等都存在差異,故采用傳統(tǒng)BIM軟件并不能參數(shù)化建立模型,還可能產生較多錯誤和誤差。在建立BIM模型過程中,不僅要考慮可行的設計方案,同時要為各個構件添加工程信息,在工程運維階段中也要考慮后期的養(yǎng)護和車輛通行等問題。筆者通過綜合對比BIM軟件,選擇Autodesk公司系列軟件作為核心技術支持與主要設計手段。
Autodesk Civil 3D:主要應用于公路或鐵路工程項目建模,其可建立三維地形圖,并在此基礎上進行選線、平曲線、縱斷面及橫斷面等主體設計。
Autodesk Revit 2014:主要功能為結構性建模,其可以通過拉伸、融合、放樣融合等功能對橋梁結構進行建模,同時內置的Dynamo插件對于異形結構也可精細化建模。
Autodesk Navisworks 360:主要功能為橋梁結構、公路及鐵路項目的深化設計,其可對工程的全生命周期進行模擬,例如施工圖設計、概預算設計和三維施工模擬等。Autodesk Infraworks360:可將三維地形圖與三維路線、橋梁和交通附屬設施整合到一個文件中,且其信息處理功能非常強大。
該項目為我國延崇高速公路赤城南互通式立交中紅河大橋建設工程。該大橋全長282 m,荷載等級為公路-Ⅰ級,橋面凈寬為16.5 m,全橋共3聯(lián),分別為(4×25 m)+(4×25 m)+(3×25 m)。上部結構設計為第1、2聯(lián)采用預應力砼小箱梁結構,第3聯(lián)采用預應力砼現(xiàn)澆箱梁結構。下部結構設計總共為10墩,橋臺采用肋板臺,橋臺采用柱式墩,墩臺采用樁基礎。
不同于傳統(tǒng)設計思路,為建模更方便和準確,筆者采用由下部結構向上設計,具體如下:
對下部結構設計流程是先設計墩高、系梁,故而設計柱和蓋梁;對橋臺也可先設計墩、承臺、肋板,進而設計蓋梁。
橋梁樁、承臺和蓋梁等構件都是直接通過Revit軟件的“族”功能。首先在文件中設置好參照標高線和參照平面,以方便繪制橋臺和橋墩平面尺寸,通過拉伸和融合操作創(chuàng)建出橋臺和橋墩三維實體模型,最終在模型基礎之上添加工程參數(shù)和材質信息。
該橋梁整體造型設計并不復雜,但需注意的是箱梁高度會隨著高程的改變而改變,且三聯(lián)箱梁縱坡坡度也各不相同,故在上部結構建模時需將三聯(lián)箱梁分開建模以保證兩邊橋臺位置更加精確。
對上部結構構件具體設計時可先設計箱梁結構,由于本項目為3聯(lián),且分屬不同形式,故可分開設計,其后設計上部鋪裝層、護欄及標線和其他交通附屬設施。
筆者以Revit 2014為主要設計軟件,其分為兩個設計文件:族文件與項目文件。在設計過程中,具體橋梁構件會以族文件形式展現(xiàn),將下部與上部結構設計完成后載入到項目文件中進行拼裝,載入族文件的過程中需要注意單位變換,族文件和項目文件中的單位默認為mm。
Revit是面向建筑結構所制作的BIM軟件,其本身攜帶的構件族庫較少,無法滿足橋梁建模需要。特別是墩臺構件,由于墩臺數(shù)量較多,逐個建模定會效率低下,故筆者采用參數(shù)化建模方式對下部結構進行建模。在使用族庫創(chuàng)建下部結構模型過程中,Revit可先將大橋平面圖以Cad格式導入,可在項目文件中按照橋墩、橋臺位置擺放即可,如圖4。
圖4 BIM下部結構布置Fig. 4 BIM substructure layout
在族文件中建立上部結構過程中,需考慮第2、3聯(lián)箱梁之間結構形式的不同,且梁板縱坡分別為2.8%和2.95%。經過與該大橋平面位置校核,構建了預應力砼小箱梁結構與現(xiàn)澆箱梁結構,并將兩個結合進行組合拼裝,如圖5。當在族文件中分別對上部結構和下部墩臺模型建立完成之后,可先導入護欄標準圖對左右護欄和中央分隔帶進行建模,按照標線標準圖將標線位置導入到鋪裝層上,最后將族庫中所有模型文件整合到結構項目文件中,但需要注意的是大橋兩側橋臺高程位置不容錯誤,在項目文件整合之中可先按照1、11號橋臺的高程位置設置結構平面。整合之后的橋梁整體參數(shù)化模型如圖6。
圖5 現(xiàn)澆箱梁與預應力砼小箱梁結構對比Fig. 5 The comparison of cast-in-place box girder and prestressed concrete box girder structure
圖6 BIM參數(shù)化橋梁整體模型Fig. 6 Overall model of BIM parameterized bridge
筆者在建模過程之中對橋面鋪裝和標線信息進行了附加,通過提取項目文件可了解到橋梁各個構件信息。例如在“參數(shù)和材質”對話框中添加橋面鋪裝層參數(shù),材質定義為瀝青,同樣標線也添加了參數(shù)以方便查看,在墩臺設計和箱梁設計中選擇了將鋼筋附著到主體之中,更直觀表達了橋梁整體模型的結構形式。
在工程量統(tǒng)計方面,筆者按照構件數(shù)量利用Navisworks自定義了材料數(shù)據(jù)文件格式,并自動輸出不同格式的材料文件,更加提高了設計效率和準確率,同時方便了工程人員查看材料數(shù)量,如表1。在與路線對接方面,筆者利用Revit所建立的橋梁三維模型成功導出FBX格式文件,將其導入到Infraworks360之中與三維路線進行對接,得到了集道路橋梁于一體的BIM模型。
表1 主梁部分預應力材料及鋼筋數(shù)量Table 1 Partial prestressed material of girder and the number of reinforcing bars
隨著橋梁設計手段不斷革新,以BIM技術為主體的設計方式逐漸增多。其中BIM在國外應用方式較為成熟,基本上形成了設計、施工、運維集一體的管理模式;相對于我國而言,BIM技術僅還在發(fā)展階段。筆者以IFC標準為基礎,構建了BIM橋梁設計及施工管理標準化技術路線,為三維模型建立提供了理論基礎,也為今后BIM技術在橋梁建設中應用提供了一條可靠的技術路線。同時以河北延崇高速公路紅河大橋為例,成功將BIM應用到了該橋梁設計當中,證明了BIM技術優(yōu)勢所在,為BIM在我國橋梁設計中應用積累了實踐經驗。
隨著橋梁結構的復雜程度以及BIM軟件的局限性,BIM橋梁設計及施工管理標準化技術路線需進一步改善,且BIM技術的優(yōu)勢并未完全體現(xiàn),例如出圖模式需更符合我國工程人員設計習慣等。總體而言,BIM技術能極大提高效率,降低工程時間和經濟成本,提高橋梁建設項目管理和運營水平。