史國(guó)剛 元宇 周強(qiáng) 劉震豪

（1.江蘇省交通運(yùn)輸廳公路事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 南京 210004；2.中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014）

力學(xué)分析數(shù)據(jù)作為評(píng)判橋梁工程結(jié)構(gòu)安全最為重要的依據(jù)，在確保結(jié)構(gòu)安全、確定施工方案、分析橋梁病害中都將起到關(guān)鍵性作用。然而在項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，力學(xué)數(shù)據(jù)難以無(wú)損傳遞，項(xiàng)目建設(shè)完成后力學(xué)分析數(shù)據(jù)無(wú)法追溯，導(dǎo)致后續(xù)結(jié)構(gòu)安全驗(yàn)算難以獲取設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)過(guò)程中的歷史數(shù)據(jù)，只能依靠工程人員的經(jīng)驗(yàn)選取各材料參數(shù)，造成橋梁力學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)的不連續(xù)性。本文結(jié)合BIM技術(shù)，借鑒BIM構(gòu)件分類(lèi)思想，探索基于BIM的混凝土橋梁力學(xué)信息分類(lèi)方法，通過(guò)BIM模型實(shí)現(xiàn)力學(xué)信息全生命期流轉(zhuǎn)，為橋梁工程結(jié)構(gòu)安全評(píng)判提供全面準(zhǔn)確的原始數(shù)據(jù)。

一、力學(xué)信息分類(lèi)原則和方法

（一）分類(lèi)的基本原則

通過(guò)分析橋梁BIM構(gòu)件和力學(xué)計(jì)算的特點(diǎn)，力學(xué)計(jì)算信息是針對(duì)橋梁主要受力構(gòu)件的數(shù)字描述，兩者描述事物的顆粒度是相同的，且存在著映射的關(guān)系。力學(xué)信息按照構(gòu)件的形式進(jìn)行細(xì)分，能確保數(shù)據(jù)的完整、無(wú)缺失。同時(shí)，為保障力學(xué)信息能隨著B(niǎo)IM模型進(jìn)行全生命期傳遞，用在細(xì)分的表格中設(shè)置與構(gòu)件編碼相同的表頭編碼（ID）的方法，實(shí)現(xiàn)兩者的關(guān)聯(lián)。

根據(jù)上述原則，不僅可以明確信息與模型的關(guān)聯(lián)性，而且可以避免信息重復(fù)，確保信息的唯一性，保障后續(xù)建立力學(xué)信息數(shù)據(jù)庫(kù)的準(zhǔn)確性。

（二）力學(xué)信息的細(xì)分方法

橋梁力學(xué)信息包含的層次較廣，宏觀的涉及橋梁的等級(jí)，微觀的涉及支座的變形。為保證力學(xué)信息劃分邏輯清晰，按照力學(xué)分析過(guò)程，將混凝土橋梁力學(xué)信息分為三類(lèi)：力學(xué)屬性信息、力學(xué)過(guò)程信息和力學(xué)結(jié)果信息，如圖1所示。力學(xué)屬性信息屬于常規(guī)信息，用于展現(xiàn)滿(mǎn)足構(gòu)件材料力學(xué)屬性參數(shù)；過(guò)程信息用于分析橋梁現(xiàn)有載荷下的內(nèi)力信息；而力學(xué)結(jié)果信息主要用于判定結(jié)構(gòu)是否安全。

圖1 橋梁力學(xué)分析總體過(guò)程

橋梁的力學(xué)信息是以BIM構(gòu)件為載體，因此力學(xué)信息應(yīng)符合構(gòu)件編碼的原則。按照江蘇省地標(biāo)《公路工程信息模型構(gòu)件分類(lèi)與編碼規(guī)則》（DB32/T3503-2019），對(duì)橋梁的每一個(gè)構(gòu)件進(jìn)行編碼，如圖2所示。其中，部位代碼采用4層7位數(shù)字型代碼，用以表征單項(xiàng)工程、專(zhuān)業(yè)段、區(qū)段及左右幅；分類(lèi)代碼采用4層8位數(shù)字型代碼，不同構(gòu)件的專(zhuān)業(yè)代碼，如橋梁→上部結(jié)構(gòu)→承重結(jié)構(gòu)→梁逐層遞進(jìn)；實(shí)例代碼采用2層4位或1層4位數(shù)字型代碼，用以區(qū)分每一個(gè)具體構(gòu)件順序號(hào)。

圖2 BIM構(gòu)件編碼組成

按照上述編碼的原則對(duì)構(gòu)件進(jìn)行逐級(jí)排列，形成了橋梁BIM特征樹(shù)，如圖3所示。而根據(jù)橋梁構(gòu)件的承重特性，將橋梁構(gòu)件分為主要受力實(shí)體構(gòu)件、非主要受力實(shí)體構(gòu)件和非實(shí)體構(gòu)件三類(lèi)，其中主要受力的實(shí)體構(gòu)件（如：梁）會(huì)隨著外力的作用產(chǎn)生不同的力學(xué)響應(yīng)，包含了力學(xué)屬性信息、力學(xué)過(guò)程信息和力學(xué)結(jié)果信息等三種屬性，而在非實(shí)體構(gòu)件（如：上部結(jié)構(gòu)）上不體現(xiàn)力學(xué)響應(yīng)，只包含通用型的力學(xué)屬性信息。

圖3 橋梁BIM特征樹(shù)組成

二、力學(xué)信息分解

由于橋梁的主要受力構(gòu)件包含了力學(xué)屬性信息、力學(xué)過(guò)程信息和力學(xué)結(jié)果信息等三類(lèi)，故選取橋梁上部結(jié)構(gòu)中的單片梁構(gòu)件作為對(duì)象，對(duì)力學(xué)信息展開(kāi)細(xì)致的分解。

圖4 橋梁按照構(gòu)件進(jìn)行力學(xué)信息分解

（一）力學(xué)屬性信息分類(lèi)

按照《公路工程信息模型構(gòu)件分類(lèi)與編碼規(guī)則》（DB32/T3503-2019）對(duì)橋梁的主要受力構(gòu)件進(jìn)行細(xì)分，將力學(xué)的固有屬性劃入力學(xué)屬性信息類(lèi)，包含一般非幾何信息和材料拓展非幾何信息兩類(lèi)。其中一般非幾何信息包含材料類(lèi)型和材料型號(hào)等；而材料拓展非幾何信息則可分為物理性能指標(biāo)、設(shè)計(jì)強(qiáng)度指標(biāo)等，即力學(xué)屬性信息。

表2 力學(xué)屬性信息分類(lèi)一覽表

（二）力學(xué)過(guò)程信息分類(lèi)

在工程設(shè)計(jì)完成后，混凝土橋梁的形式和長(zhǎng)度等重要指標(biāo)都不會(huì)發(fā)生較大的變化，將已有固定的結(jié)構(gòu)特性和計(jì)算結(jié)果信息，以構(gòu)件的特點(diǎn)進(jìn)行分解和存儲(chǔ)，并通過(guò)編碼規(guī)則，建立力學(xué)過(guò)程信息與橋梁構(gòu)件映射關(guān)系。力學(xué)過(guò)程信息劃分為輸入信息和輸出信息兩種類(lèi)型，輸入信息是對(duì)橋梁工程中荷載類(lèi)別的表述，如表3所示；輸出信息則是反映構(gòu)件效應(yīng)值的數(shù)據(jù)，如表4所示。

表3 力學(xué)過(guò)程輸入信息一覽表

表4 力學(xué)過(guò)程輸出信息一覽表

（三）力學(xué)結(jié)果信息的分類(lèi)

與力學(xué)屬性信息的分類(lèi)方式相似，根據(jù)每個(gè)構(gòu)件的驗(yàn)算結(jié)果，將構(gòu)件的受力結(jié)果信息分為承載力極限狀態(tài)、持久狀況、短暫狀況及正常使用極限狀況，如表5所示。

表5 力學(xué)結(jié)果信息分類(lèi)一覽表

三、應(yīng)用實(shí)例

為方便表述，選取實(shí)際工程的空心板、小箱梁和懸澆梁三種類(lèi)型的橋梁，將工程力學(xué)信息進(jìn)行梳理分解，建立項(xiàng)目工程力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，驗(yàn)證基于BIM的橋梁力學(xué)基礎(chǔ)信息分類(lèi)方法的可行性。

空心板橋橋跨采用3m×16m，橋?qū)?8.25m；小箱梁橋橋跨采用2m×30m+42m+2m×29.5m，橋?qū)?0m；懸澆梁橋橋跨采用83m+145m+83m，橋?qū)?9.5m，橋梁屬性如表6所示。

三座橋梁項(xiàng)目的部分力學(xué)基礎(chǔ)信息分類(lèi)數(shù)據(jù)內(nèi)容如表7和表8所示。表中的ID與《公路工程信息模型構(gòu)件分類(lèi)與編碼規(guī)則》中的構(gòu)件分類(lèi)編碼一致，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件和信息的關(guān)聯(lián)，非實(shí)體構(gòu)件，如上部結(jié)構(gòu)，包含了力學(xué)過(guò)程信息中荷載的輸入信息；而對(duì)于實(shí)體構(gòu)件，如梁，則包含了材料信息、輸出效應(yīng)和截面抗力在內(nèi)的三種力學(xué)信息。

表6 橋梁工程（19-04.00.00.00）

表7 上部結(jié)構(gòu)（19-04.01.00.00）

表8 梁構(gòu)件（19-04.01.01.02）

在設(shè)計(jì)階段將力學(xué)信息進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，形成上述的力學(xué)信息屬性表，每個(gè)屬性表格均設(shè)置有唯一的表頭ID編碼，如空心板橋中梁構(gòu)件的編碼為0032010-04010102-0102，通過(guò)檢索力學(xué)信息屬性表格中相同的表頭ID，使幾何構(gòu)件與力學(xué)信息屬性表一一對(duì)應(yīng)。在施工、養(yǎng)護(hù)階段，通過(guò)BIM模型與力學(xué)信息的關(guān)聯(lián)，在保證信息可追溯性的同時(shí)，也可與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，為橋梁結(jié)構(gòu)安全服務(wù)。

四、總結(jié)與展望

（1）本文基于BIM信息可共享的優(yōu)勢(shì)，將橋梁力學(xué)基礎(chǔ)信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)化細(xì)分，使原有的設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的信息，并可以隨著B(niǎo)IM模型進(jìn)行傳遞，實(shí)現(xiàn)了全生命期的數(shù)字化存儲(chǔ)，在后續(xù)的施工、養(yǎng)護(hù)等階段可以調(diào)用力學(xué)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)力學(xué)數(shù)據(jù)的可溯源；

（2）針對(duì)橋梁工程計(jì)算文件和BIM模型的特點(diǎn)，提出了依據(jù)工程主要受力構(gòu)件的顆粒度，將構(gòu)件的力學(xué)信息劃分為力學(xué)屬性信息、力學(xué)過(guò)程信息和力學(xué)結(jié)果信息三種類(lèi)型，在確保力學(xué)信息滿(mǎn)足傳遞需求的同時(shí)，避免出現(xiàn)大量的重復(fù)表述；

（3）本文基于BIM的理念，針對(duì)橋梁工程力學(xué)信息分類(lèi)進(jìn)行了數(shù)字化探索，并分別選取空心板、小箱梁和懸澆梁等混凝土橋梁工程實(shí)例，驗(yàn)證了力學(xué)信息分類(lèi)方法的合理性。