文哲思 龍紹海 黃曉虹 楊燎原 黃惠娟

（1.廣州市道路工程研究中心，廣東廣州 510000；2.廣州市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，廣東廣州 510000；3.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東廣州 510000）

裝配式橋梁技術(shù)具有減少交通阻斷、提高施工區(qū)域安全、減少環(huán)境影響、降低全壽命周期的造價等優(yōu)勢[1-2]，迅速發(fā)展。在城市中小跨徑橋梁建設(shè)中，與裝配式混凝土橋梁相對比，裝配式鋼-混組合梁橋容易裝配施工，造型輕盈美觀。

21世紀(jì)以來，我國裝配式橋梁得到大力推廣應(yīng)用，裝配化程度不斷提高，向全預(yù)制裝配、裝配式上下部結(jié)構(gòu)方向發(fā)展[3-7]。2020年通車的南京江心洲長江大橋與洪鶴大橋磨刀門水道引橋均采用節(jié)段預(yù)制裝配施工。

為了提高可施工性及安全性，建筑行業(yè)積極地將信息化技術(shù)與工業(yè)化建設(shè)融合。Eastman[8]提出，BIM技術(shù)是建筑設(shè)施的智能數(shù)字化表達(dá)，貫穿項目的全壽命周期，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，BIM技術(shù)成為工程信息化的主要技術(shù)。橋梁構(gòu)件具有特異性，在BIM軟件中開發(fā)難以兼顧多種橋型及相應(yīng)構(gòu)件的參數(shù)化建模[9-17]，仍需要對軟件進(jìn)行二次開發(fā)深化橋梁建模功能。

將BIM技術(shù)應(yīng)用在裝配式橋梁中，可以極大地提高橋梁建設(shè)效率及安全性。目前國內(nèi)裝配式鋼-混組合梁橋BIM技術(shù)應(yīng)用研究非常少，組合梁BIM族庫嚴(yán)重不足，橋梁BIM模型與族構(gòu)件參數(shù)化程度低，參數(shù)設(shè)置方法不完善，參數(shù)缺乏層次劃分。

文章針對現(xiàn)有研究的不足與當(dāng)前城市橋梁建設(shè)的需要，對裝配式橋梁的BIM建模進(jìn)行研究，提出參數(shù)劃分原則、快速建模思路及方法，并在工程實例中應(yīng)用。

1 橋梁BIM建模參數(shù)設(shè)置及劃分原則

參數(shù)化建模是BIM技術(shù)的特殊優(yōu)勢，橋梁BIM建模中的參數(shù)可分為幾何參數(shù)、定位參數(shù)、材料參數(shù)以及自適應(yīng)參數(shù)。

（1）幾何參數(shù)是在建立BIM模型時用于驅(qū)動幾何尺寸的參數(shù)，包括長度參數(shù)、角度參數(shù)與徑參數(shù)。

（2）定位參數(shù)是用于控制構(gòu)件的位置變化的參數(shù)。

（3）材質(zhì)參數(shù)在項目中的作用體現(xiàn)在兩方面，可以使構(gòu)件具有與材質(zhì)相對應(yīng)的外觀，后者使構(gòu)件具有與材質(zhì)一致的物理參數(shù)。

（4）自適應(yīng)參數(shù)有助于構(gòu)件的數(shù)量、間距與位置隨著參數(shù)變化進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，起到滿足模型變化需求的效果。如鋼箱梁橫隔板的排布隨鋼箱梁長度與橫隔板間距兩個參數(shù)的設(shè)置自適應(yīng)變化。

各類參數(shù)使用的優(yōu)先層次與應(yīng)用層級存在差異，將許多參數(shù)一同列出容易導(dǎo)致參數(shù)查找與使用困難，導(dǎo)致參數(shù)修改邏輯的混亂。

為了確保族構(gòu)件與BIM模型的重復(fù)應(yīng)用時的正確性與高效性，需要為族構(gòu)件的參數(shù)制定層次劃分原則。

將修改模型時經(jīng)常應(yīng)用的或?qū)τ谀Ｐ统叽缙饹Q定性作用的參數(shù)劃分為常用參數(shù)。在不同項目中基本不會變化、較少進(jìn)行修改的參數(shù)，劃分為非常用參數(shù)。此外，載入族中的非常用參數(shù)，不在參數(shù)列表中體現(xiàn)，需要時進(jìn)入編輯載入族界面進(jìn)行參數(shù)修改。

自適應(yīng)橫隔板設(shè)置效果圖如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)橫隔板設(shè)置效果圖

部分參數(shù)之間具有聯(lián)動關(guān)系，部分?jǐn)?shù)值由其他參數(shù)決定，可以由其他類型的參數(shù)推算；對參數(shù)進(jìn)行錯誤改動可能引起約束的連鎖沖突，導(dǎo)致整體模型失效。采用公式對其數(shù)值進(jìn)行限制，輸入其他種類參數(shù)后將參數(shù)數(shù)值進(jìn)行自行計算填充。

關(guān)聯(lián)參數(shù)列于參數(shù)列表最下端的分區(qū)，在族構(gòu)件的應(yīng)用過程中不建議對其進(jìn)行修改。

2 裝配式鋼-混組合梁橋參數(shù)化建模思路

參考國際主流分類體系ISO 12006-2分類與OmniClass分類體系及我國標(biāo)準(zhǔn)對BIM模型單元分類的規(guī)定，建立適用于裝配式鋼-混組合梁橋的BIM模型單元分類體系，各分類層級可以按分類層次或組合層次進(jìn)行擴(kuò)充。

BIM模型單元分類體系如圖2所示。

圖2 BIM模型單元分類體系

鋼箱梁是組合鋼箱梁橋中承受荷載的主要結(jié)構(gòu)，以建立參數(shù)化鋼箱梁族模型為例進(jìn)行介紹思路。對組合鋼箱梁橋各層次族構(gòu)件進(jìn)行建模，其基本構(gòu)件單元包含頂板、底板、腹板、底板橫肋、底板縱肋、腹板縱肋、支承加勁肋、隔板、封板、隔板補(bǔ)強(qiáng)肋、支座墊板、檢修孔。

各構(gòu)件單元的參數(shù)設(shè)置如無特殊說明，均需要設(shè)置相應(yīng)的材質(zhì)參數(shù)。

頂板、底板、腹板及各類加勁肋族構(gòu)件所設(shè)置的參數(shù)基本相同，分別為長度、寬度與厚度參數(shù)。

將已建立的各個鋼箱梁組成構(gòu)件單元的族模型載入鋼箱梁族，設(shè)置參數(shù)并設(shè)定約束。

參數(shù)設(shè)置步驟：設(shè)置常用參數(shù)→載入族的參數(shù)關(guān)聯(lián)→設(shè)置自適應(yīng)參數(shù)。

以腹板為例，腹板族參數(shù)如圖3所示。

圖3 腹板族參數(shù)

每一個載入的組成構(gòu)件單元族均具有自身參數(shù)，應(yīng)在鋼箱梁族中設(shè)置相同的參數(shù)，將兩者設(shè)置為相互關(guān)聯(lián)，利用鋼箱梁族中的參數(shù)驅(qū)動載入族的參數(shù)。

部分參數(shù)可以直接與常用參數(shù)關(guān)聯(lián)，組成構(gòu)件單元族中的其他參數(shù)一般設(shè)置為非常用參數(shù)或關(guān)聯(lián)參數(shù)。鋼箱梁族中腹板豎肋以及隔板的數(shù)量需要隨箱梁長度改變而自適應(yīng)變化，應(yīng)設(shè)置為自適應(yīng)參數(shù)。

鋼箱梁族如圖4所示。

圖4 鋼箱梁族

以鋼箱梁層次為例，為鋼箱梁建立完備的組成構(gòu)件單元族，如圖5所示。

圖5 鋼箱梁構(gòu)件單元管理示意圖

按照此方法建立組合鋼箱梁族庫中的橫聯(lián)族、懸臂族、橋面鋪裝族以及栓釘族模型。

3 裝配式鋼-混組合梁橋快捷化建模方法

根據(jù)工程項目需求，確定裝配式鋼-混組合梁橋上部結(jié)構(gòu)的形式，選取相應(yīng)形式的參數(shù)化BIM族構(gòu)件，建立相應(yīng)節(jié)段BIM上部模型。

實際橋梁工程中存在彎橋的情況，建立彎橋的參數(shù)化BIM模型。為了與上部結(jié)構(gòu)形成配套，建立裝配式鋼-混組合梁橋下部結(jié)構(gòu)的參數(shù)化BIM模型。

（1）從已建立的組合鋼箱梁族庫中選取族構(gòu)件并載入，包括鋼箱梁族、橫聯(lián)族、懸臂族、橋面鋪裝族以及栓釘族等。

（2）進(jìn)行常用參數(shù)設(shè)置，涉及的族構(gòu)件與參數(shù)較多，需要對參數(shù)進(jìn)行類型劃分，驅(qū)動上部結(jié)構(gòu)整體幾何效果的參數(shù)歸為基本參數(shù)；其他參數(shù)根據(jù)其具體驅(qū)動的族構(gòu)件進(jìn)行分類，并與相應(yīng)的族構(gòu)件參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。組合鋼箱梁上部結(jié)構(gòu)由多種不同材質(zhì)的構(gòu)件組成，應(yīng)分別設(shè)置材質(zhì)參數(shù)，包括鋼箱梁材質(zhì)、橋面鋪裝材質(zhì)與栓釘材質(zhì)。

對于裝配式鋼-混組合梁彎橋情況，需要對族構(gòu)件設(shè)置轉(zhuǎn)彎半徑參數(shù)。

組合鋼箱梁橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)置的常用參數(shù)如表1所示。

表1 組合鋼箱梁橋上部結(jié)構(gòu)常用參數(shù)

組成鋼箱梁的腹板族、底板族、頂板族與底板縱肋族需要依據(jù)轉(zhuǎn)彎半徑的需要重新建模，補(bǔ)充轉(zhuǎn)彎半徑參數(shù)。組成鋼箱梁的其余構(gòu)件單元族可從現(xiàn)有的鋼箱梁族庫中直接調(diào)用，需要依據(jù)轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行自適應(yīng)布置。為了適應(yīng)梁端部局部加高的需要，為裝配式鋼-混組合梁彎橋建立梁端局部加高構(gòu)件組，設(shè)置轉(zhuǎn)彎半徑參數(shù)。

梁端部加高構(gòu)件組如圖6所示。

圖6 裝配式鋼-混組合梁彎橋的梁端部加高構(gòu)件組

完成裝配式鋼-混組合梁彎橋的族構(gòu)件補(bǔ)充后，從已建立的裝配式鋼-混組合梁橋族庫中調(diào)用其他族構(gòu)件，如橫聯(lián)族、懸臂族、栓釘族，并將其依照轉(zhuǎn)彎半徑自適應(yīng)排布。設(shè)置參數(shù)并構(gòu)造約束，除了需要增設(shè)轉(zhuǎn)彎半徑參數(shù)，其他常用參數(shù)的設(shè)置與一般裝配式鋼-混組合梁橋相同。

最終組合形成裝配式鋼-混組合梁彎橋上部結(jié)構(gòu)的參數(shù)化BIM模型。

城市橋梁建設(shè)中適用范圍較廣的下部結(jié)構(gòu)類型包括板式花瓶墩與蓋梁雙柱墩，兼具美觀與施工便捷的特點。對板式花瓶墩與蓋梁雙柱墩進(jìn)行參數(shù)化BIM建模。

參數(shù)化板式花瓶墩BIM模型由樁基礎(chǔ)族、承臺族、板式花瓶墩身族與支座族組成。

承臺族需要設(shè)置兩種材質(zhì)參數(shù)，承臺下部采用封底混凝土，承臺上部采用一般承臺混凝土。板式花瓶墩身族前后側(cè)需要設(shè)置通長的墩身凹槽，左右側(cè)需要設(shè)置漸變段圓弧；墩身需要設(shè)置內(nèi)部空心，墩身上、中、下部各設(shè)置一個通風(fēng)孔，使內(nèi)部空心與外部聯(lián)通。

參數(shù)化蓋梁雙柱墩由支座墊石族、蓋梁族、橋墩族、承臺族以及樁基礎(chǔ)族構(gòu)成。

彎橋上部結(jié)構(gòu)參數(shù)化BIM模型如圖7所示。

圖7 裝配式鋼-混組合梁彎橋上部結(jié)構(gòu)參數(shù)化BIM模型

彎橋下部結(jié)構(gòu)參數(shù)化BIM模型如圖8所示。

圖8 彎橋下部結(jié)構(gòu)參數(shù)化BIM模型

（3）族構(gòu)件的建模與參數(shù)的設(shè)置說明。

①蓋梁相對橋梁前進(jìn)方向的前側(cè)與后側(cè)分別設(shè)置一行支座墊石，除支座中心距參數(shù)外，兩行支座墊石其他幾何參數(shù)與定位參數(shù)存在區(qū)別。對前側(cè)與后側(cè)的支座墊石分別進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，添加后綴1、2進(jìn)行區(qū)分。

②蓋梁族需要設(shè)置橫坡參數(shù)，支座墊石族底部需要設(shè)置反向的橫坡，使支座墊石的上緣在蓋梁橫坡變化時能夠保持水平。

③蓋梁除了在頂部需要設(shè)置橫坡，還需要在兩側(cè)設(shè)置擋塊與翼緣，在底部設(shè)置底坡。

④在橋墩族的上部與下部，設(shè)置與蓋梁和承臺之間的砂漿墊層。

⑤承臺族上部分為承臺臺身，承臺族下部設(shè)置混凝土墊層，分別進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

（4）提出裝配式鋼-混組合梁橋快捷化BIM建模方法。

①依據(jù)工程項目需求，確定裝配式鋼-混組合梁橋上、下部結(jié)構(gòu)的形式，選取相應(yīng)形式的參數(shù)化BIM族構(gòu)件。

②擬定裝配式鋼-混組合梁橋上、下部結(jié)構(gòu)各組成構(gòu)件的初步設(shè)計參數(shù)。

③依據(jù)參數(shù)化BIM模型中參數(shù)的類別，輸入各構(gòu)件的設(shè)計參數(shù)，生成項目的初步BIM模型。

④根據(jù)生成的BIM模型對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行驗證，調(diào)整設(shè)計參數(shù)并重新輸入，直至生成滿足項目需求的BIM模型。

⑤依據(jù)項目需求，使用構(gòu)件組對生成的BIM模型進(jìn)行端部加高或栓釘種類替換，得到項目最終BIM模型。

為實現(xiàn)裝配式鋼-混組合梁橋快捷化BIM建模方法的界面化，對Revit進(jìn)行二次開發(fā)，編寫裝配式鋼-混組合梁橋快速BIM建模程序。實現(xiàn)裝配式鋼-混組合梁橋BIM模型建立的方便易行與高效性，進(jìn)一步提高BIM建模速度。生成裝配式鋼-混組合梁橋上部結(jié)構(gòu)BIM模型所需的常用參數(shù)均列于程序界面中。

程序界面如圖9所示。

圖9 裝配式鋼-混組合梁橋上部結(jié)構(gòu)快速BIM建模程序界面

（5）程序的功能內(nèi)容。

①添加車道數(shù)與箱梁長度選項卡，依據(jù)箱梁長度的選項判斷屬性。

②依據(jù)選項內(nèi)容打開相應(yīng)參數(shù)化BIM模型，作為樣板BIM模型。

③輸入其余常用參數(shù)值，依據(jù)輸入值修改樣板BIM模型的參數(shù)。④生成裝配式鋼-混組合梁橋BIM模型，載入項目中。⑤生成Revit外部菜單中的程序調(diào)用按鈕。

4 橋梁工程建模實例

東新高架橋上部結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計如表2所示。

表2 東新高架橋第0～1號軸上部結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計值

將快捷化BIM建模方法應(yīng)用于東新高架橋BIM建模，驗證該方法的可行性。

東新高架橋位于廣州市荔灣區(qū)西部，是連接鶴洞大橋與東新高速的城市主干道高架橋。

以東新高架橋第0～1號軸上部結(jié)構(gòu)為例，采用40 m標(biāo)準(zhǔn)跨徑。

將各項參數(shù)設(shè)計值輸入裝配式鋼-混組合梁橋快速BIM建模程序，成功生成東新高架橋第0～1號軸上部結(jié)構(gòu)BIM模型，導(dǎo)入項目。其他標(biāo)準(zhǔn)跨徑節(jié)段均可以采用本文提出的快捷化BIM建模方法建立相應(yīng)的模型。

上部結(jié)構(gòu)的BIM模型如圖10所示。

圖10 東新高架橋第0～1號軸上部結(jié)構(gòu)BIM模型

東新高架橋第4～9號軸采用42.2 m跨徑，不是標(biāo)準(zhǔn)跨徑，在快速BIM建模程序的箱梁長度選項卡中需要選擇自定義箱梁長度，在對話框中輸入其跨徑數(shù)值。

以第8～9號軸上部結(jié)構(gòu)為例，將各項參數(shù)的設(shè)計值輸入程序界面。

9號軸采用橋面連續(xù)，需要設(shè)置梁端部加高，對9號軸處的剪力釘形式與端部形式進(jìn)行調(diào)整。程序生成BIM模型后，將9號軸原有端部一鍵替換為端部加高構(gòu)件組，將普通栓釘一鍵替換為抗拔不抗剪栓釘，生成東新高架橋第8～9號軸上部結(jié)構(gòu)BIM模型。

BIM模型如圖11所示。

圖11 東新高架橋第8～9號軸上部結(jié)構(gòu)BIM模型

建立東新高架橋下部結(jié)構(gòu)模型，可利用建立的蓋梁雙柱墩參數(shù)化BIM模型，分別將其中設(shè)置的參數(shù)賦為東新高架橋各橋墩的設(shè)計值，生成相應(yīng)橋墩模型。

東新高架橋各橋墩的設(shè)計指標(biāo)中，僅有支座墊石標(biāo)高、墩頂標(biāo)高、承臺頂標(biāo)高與樁頂標(biāo)高等參數(shù)的設(shè)計值存在一定差異。

在實際進(jìn)行參數(shù)賦值時，只需要對以上參數(shù)進(jìn)行修改，其余參數(shù)無須重復(fù)改動。

分別對蓋梁雙柱墩參數(shù)化BIM模型相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行賦值，生成1號墩與2號墩的BIM模型。1號墩、2號墩與第0～1號軸上部結(jié)構(gòu)BIM模型組合形成東新高架橋第0～1號軸整體BIM模型。

以東新高架橋1號墩與2號墩為例，需要進(jìn)行修改的參數(shù)及設(shè)計值如表3所示。

表3 1號墩與2號墩參數(shù)設(shè)計值 單位：mm

東新高架橋第1～2號軸整體BIM模型如圖12所示。

圖12 東新高架橋第1～2號軸整體BIM模型

建立參數(shù)化的BIM模型可以極大地提升建模效率，建立的BIM模型可達(dá)到G4精度等級。各方協(xié)調(diào)方案時，東新高架橋BIM模型的建立能夠在可視化的狀態(tài)下進(jìn)行，結(jié)合檢測手段，實時更新橋梁模型的狀況，為運(yùn)維階段提供定位損傷位置提供了平臺基礎(chǔ)。

模型的精細(xì)化級別足夠高，可以及時出圖，提供完備的工程信息。

5 結(jié)語

針對當(dāng)前城市橋梁建設(shè)的需要，本文提出橋梁BIM模型參數(shù)設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)化方法與多層次參數(shù)的劃分原則，建立裝配式鋼-混組合梁橋的系統(tǒng)性BIM族庫。為城市橋梁建設(shè)中常用標(biāo)準(zhǔn)跨徑與車道數(shù)組合下裝配式鋼-混組合梁橋建立參數(shù)化上、下部結(jié)構(gòu)的BIM模型，并將此方法應(yīng)用在東新高架橋，提高橋梁BIM建模的效率?？梢詾榻⒀b配式鋼-混組合梁橋BIM模型、應(yīng)用BIM技術(shù)開拓新思路。