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引言

經(jīng)過二十多年的發(fā)展和論證，全國各地均認可BIM的技術(shù)優(yōu)勢，BIM作為基于可視化建筑信息模型的信息集成和管理技術(shù)，先天具有可視化、模擬性、協(xié)同性、優(yōu)化性、節(jié)約成本、共建共享等優(yōu)勢[1]。隨著我國綜合國力的提升，正在建設(shè)更多大型復雜的橋梁、建筑結(jié)構(gòu)，對BIM技術(shù)的需求已迫在眉睫，其應用的推廣趨勢已不可阻擋。

本文介紹了李家沱長江復線橋的BIM應用，采用自主探索的“R+GH+R”正向設(shè)計路線，充分融合各軟件的強大功能，在已有類似橋梁BIM技術(shù)應用的基礎(chǔ)上，針對本項目進行深入分析和拓展應用，極大提升了設(shè)計品質(zhì)與設(shè)計效率。

1 項目概況

1.1 項目簡介

李家沱長江復線橋工程北起九龍坡區(qū)九龍半島，南至巴南區(qū)李家沱，復線橋位于現(xiàn)狀李家沱長江大橋上游側(cè)約52m處平行跨越長江，大橋主橋為路軌兩用橋，橋面為路軌同層非對稱布置，一側(cè)為市政道路(四縱線)單向4車道，另一側(cè)為雙線軌道交通(18號線)。

大橋全長1 306m，其中主橋長986.7m，主跨跨徑454m，是國內(nèi)首座路軌同層非對稱布置兩用斜拉橋，橋?qū)?3.95m[2]。本橋總體布置見圖1，總體透視效果見圖2。

1.2 項目特點

跨江主橋采用跨徑布置為(68.4+150.8+454+161.3+102.2+50)m的雙塔雙索面斜拉橋，與老橋及周邊的地理環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一。主梁采用流線型扁平鋼箱梁，斜拉索布置采用扇形空間索面。為與老橋形式匹配，橋塔采用鉆石型的H型橋塔結(jié)構(gòu)。受控于總體線路技術(shù)、景觀、站點、總投資等綜合因素影響，本橋橋面為路軌同層非對稱布置，橋面上游側(cè)為單向4車道，下游側(cè)為雙線軌道，尚屬于國內(nèi)首例。該橋各重要組成結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點詳見表1。

圖1 總體布置圖(單位：cm)

圖2 總體透視效果

表1 李家沱長江復線設(shè)計特點

李家沱長江復線橋涉及專業(yè)多，涵蓋道路、橋梁、軌道、線路、限界、接觸網(wǎng)、信號、疏散平臺、聲屏障、結(jié)構(gòu)、排水、交通、景觀、電照等數(shù)十個專業(yè)，并具有結(jié)構(gòu)構(gòu)造復雜、施工工序繁多的特點，設(shè)計過程中的協(xié)調(diào)和相互配合工作量大，需要借助BIM正向協(xié)同設(shè)計手段以確保設(shè)計產(chǎn)品質(zhì)量。因此，項目從方案設(shè)計階段開始運用BIM技術(shù)進行三維正向設(shè)計，并積極引入方案智能適配、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、3D打印技術(shù)、虛擬建造及移動交互體驗等新技術(shù)，以直觀高效地表達設(shè)計意圖，實現(xiàn)對BIM模型的賦能增值。

2 BIM技術(shù)應用概況

2.1 BIM應用目標

在總結(jié)以往橋梁BIM技術(shù)應用[3]的基礎(chǔ)上，本項目進一步深化和拓展了BIM技術(shù)應用點，明確了李家沱長江復線橋BIM應用總體目標，借助BIM技術(shù)在設(shè)計全階段實現(xiàn)直接在三維軟件環(huán)境中設(shè)計，以三維模型為出發(fā)點和數(shù)據(jù)源，完成從方案設(shè)計到施工圖設(shè)計的全過程工作，所形成的三維模型能夠準確地反映設(shè)計意圖和體現(xiàn)設(shè)計細節(jié)，并能夠利用三維模型及其參數(shù)信息，自動生成所需要的圖紙及文檔，完成各專業(yè)的協(xié)同設(shè)計[4]。

為進一步拓展設(shè)計服務(wù)的產(chǎn)業(yè)鏈，自主研發(fā)了方案智能適配系統(tǒng)、BIM模型管理系統(tǒng)及數(shù)智運維云平臺，并引入云計算、沉浸式全景漫游、施工仿真技術(shù)及移動端交互式體驗等技術(shù)，提升設(shè)計質(zhì)量，保障設(shè)計進度，發(fā)揮BIM模型的附加值。

圖3 “R+GH+R”橋梁BIM技術(shù)路線

2.2 R+GH+R協(xié)同設(shè)計平臺

為滿足上述項目應用目標，在進行協(xié)同設(shè)計平臺選擇時，應具備優(yōu)勢互補、數(shù)據(jù)共享、高效協(xié)同、信息無損傳遞，以便打造智慧設(shè)計、實現(xiàn)精細化設(shè)計[5]。為避免BIM模型在不同軟件間信息傳遞過程中的丟失，本項目采用基于“R+GH+R”進行全階段的BIM協(xié)同設(shè)計平臺。該平臺集成了具有強大建模功能的三維造型軟件Rhinoceros(以下簡稱R)、參數(shù)化設(shè)計創(chuàng)新領(lǐng)域的設(shè)計插件Grasshopper(以下簡稱GH)、族庫存儲及信息化集成軟件Revit(以下簡稱R)的綜合優(yōu)勢。該協(xié)同平臺充分發(fā)揮了Rhino的造型優(yōu)勢，并在此基礎(chǔ)上借助GH插件進行可視化編程，打通了傳統(tǒng)軟件間數(shù)據(jù)難以互通的技術(shù)壁壘[6]； 同時可高效地進行定制化二次開發(fā)，確保數(shù)據(jù)信息的高效流通； 最后，借助Revit模型進行信息編輯和集成，以.rvt格式進行BIM數(shù)據(jù)交付。故該平臺具備造型能力強、易于定制化二次開發(fā)、參數(shù)化程度高、模型輕量化且協(xié)作效率高等綜合性優(yōu)勢?！癛+GH+R”橋梁BIM技術(shù)路線如圖3所示。

2.3 硬件環(huán)境

在企業(yè)數(shù)智化部門及平臺管理技術(shù)人員等多方支持下，配備公用服務(wù)器、云計算平臺、高配臺式電腦、3D打印設(shè)備、輕型VR設(shè)備等搭建協(xié)同設(shè)計硬件環(huán)境。本項目中的硬件環(huán)境如表2所示。

表2 硬件環(huán)境

圖4 正向設(shè)計流程

3 BIM正向設(shè)計與分析

3.1 BIM正向設(shè)計流程

由于本橋技術(shù)難度大，結(jié)構(gòu)復雜，在設(shè)計之初確定了本項目BIM應用目標和建模原則，一方面需進一步實現(xiàn)和提高BIM正向設(shè)計的工作效率與協(xié)同，另一方面將正向設(shè)計成果應用于運維階段，實現(xiàn)設(shè)計與運維的融合應用。

為保證各專業(yè)間的協(xié)同效率，規(guī)范各專業(yè)的正向設(shè)計行為，借助制定的正向設(shè)計作業(yè)流程與定制的作業(yè)模板，保證BIM模型的信息實時交互與共享，將制模標準集成至正向設(shè)計模板族中，進行統(tǒng)一的構(gòu)件族庫及信息管理。另外，將正向設(shè)計模板文件加入到正向設(shè)計流程管理中，有效地保證了專業(yè)間的設(shè)計高效協(xié)同。本項目正向設(shè)計過程中應用到的模板庫如圖4所示。

3.2 BIM模型構(gòu)建

在正向設(shè)計初期，對BIM模型按照“總體到局部”的原則進行模型拆分，如圖5所示。應用上述三維正向設(shè)計模板進行各設(shè)計階段的正向設(shè)計，有效規(guī)范正向設(shè)計的成果，提升效率。

正向設(shè)計具體操作流程如下：

1)結(jié)合本項目特點實際情況，制定正向設(shè)計基本原則[7]；

圖5 結(jié)構(gòu)拆分原則

2)借助自主研發(fā)的三維地形地質(zhì)環(huán)境模型生成模塊，基于地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)，快速生成場地范圍內(nèi)的地形地質(zhì)模型；

3)借助自主研發(fā)的橋梁方案智能適配系統(tǒng)，快速匹配與場地環(huán)境相適應的橋梁方案，為方案的確定提高效率；

4)借助參數(shù)化設(shè)計手段，針對不同設(shè)計階段，逐步深化參數(shù)化骨架模型，并借助定制化的二次開發(fā)批量導出骨架模型數(shù)據(jù)信息，快速進行計算信息和二維圖紙信息交互；

5)對于常規(guī)族構(gòu)件，建立豐富可調(diào)的參數(shù)化常規(guī)構(gòu)件族庫[8]，本項目新增入庫零件563個，其中參數(shù)化族庫新增125個；

6)對于復雜構(gòu)件，借助企業(yè)日益完善的參數(shù)化構(gòu)件族庫，高效、精準地完成復雜構(gòu)件的三維正向設(shè)計；

7)利用骨架模型獲取構(gòu)件及組件系統(tǒng)的定位信息，按照下部、上部、附屬的順序進行構(gòu)件及組件系統(tǒng)的組拼[6]；

8)借助定制的數(shù)據(jù)接口將Rhino模型批量交互至Revit中，并據(jù)此拓展構(gòu)件屬性，信息深度達到施工圖設(shè)計要求，并可有效拓展運維信息；

9)將各專業(yè)模型鏈接至中心地質(zhì)地形模型文件，實現(xiàn)模型信息的分類權(quán)限管理和實時共享，以滿足BIM正向設(shè)計協(xié)同要求。

3.3 BIM設(shè)計應用

本項目結(jié)合GIS地理信息系統(tǒng)，借助自主研發(fā)地形地質(zhì)環(huán)境生成系統(tǒng)，快速搭建場地模型，同時借助自主研發(fā)的方案智能生成系統(tǒng)，將場地模型與橋梁BIM模型相融合，在場地環(huán)境中對橋型方案進行優(yōu)化比選，最終確定項目實施方案。

由于本橋結(jié)構(gòu)龐大復雜，計算比選及三維表現(xiàn)工作量大，為更好地進行前期方案溝通，借助云計算革新傳統(tǒng)設(shè)計流程，節(jié)省了計算和渲染時間70%以上。復雜多樣的密集型數(shù)據(jù)處理亟需云計算技術(shù)，其計算容量大、支持種類多且更新迭代速度快，一方面可以大大提升日常工作效率，另一方面也可為未來的大數(shù)據(jù)信息處理提供一個安全性高、容納大的數(shù)據(jù)處理平臺[9]。

在設(shè)計過程中交流互動和專家評審時，利用720和VR技術(shù)進行沉浸式全景漫游、三維動態(tài)瀏覽及互動性展示，實現(xiàn)了大橋全視角、真實景、高清晰的在線體驗，極大提升溝通效率。

針對橋塔、主梁等結(jié)構(gòu)進行可視化比選，對景觀造型及力學性能進行分析，優(yōu)化構(gòu)造細節(jié)，為準確把控項目建成后的效果，借助3D打印技術(shù)進行感官性能分析與比選，幫助參建方充分理解設(shè)計意圖。

針對拉索及錨固構(gòu)造等特殊空間結(jié)構(gòu)，開發(fā)了一序列智能提效工具，用于快速地進行空間定位及三維出圖，并實時進行結(jié)構(gòu)碰撞檢查，以減少錯、漏、碰、缺。

設(shè)計出圖方面，利用“三維+二維+智慧圖紙”相結(jié)合的方式，圖紙表達更加清晰直觀。本項目正向設(shè)計出圖率達70%?；贐IM+AR技術(shù)研發(fā)“橋梁智慧圖紙”，可實現(xiàn)掃碼后直接呈現(xiàn)構(gòu)件的BIM模型，使參建各方能夠快速、準確地了解復雜構(gòu)造。

結(jié)構(gòu)計算方面，利用參數(shù)化技術(shù)快速交互結(jié)構(gòu)計算信息，進行全橋有限元計算分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。同時，開發(fā)了與有限元分析軟件的無縫接口，實現(xiàn)了BIM模型與FEM分析軟件數(shù)據(jù)模型的無損傳遞、實時更新。

通過引入BIM正向設(shè)計技術(shù)，借助定制化的二次開發(fā)，本項目在工作效率、設(shè)計品質(zhì)、溝通表現(xiàn)、計算交互和正向出圖等方面均取得了良好的應用效果?；谌S的BIM正向設(shè)計，有效地提升設(shè)計溝通效率，并提升了設(shè)計品質(zhì)，具體應用效果如表3所示。

表3 BIM應用效果

4 BIM創(chuàng)新應用

4.1 智慧設(shè)計

自主研發(fā)并搭建“方案快速生成系統(tǒng)”，建立可維護的開放型橋梁設(shè)計知識庫，基于項目實踐不斷擴充橋梁方案資源庫。該系統(tǒng)由智能檢索、信息維護與共享、用戶權(quán)限管理、方案適配系統(tǒng)等功能組成，大大提升了前期方案創(chuàng)作的效率。方案快速生成系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 方案快速生成系統(tǒng)

基于定制化的二次開發(fā)和知識沉淀，研發(fā)“BIM模型管理系統(tǒng)”，集成企業(yè)三維設(shè)計知識庫，進行三維模型構(gòu)件的信息管理，可快速實現(xiàn)模型轉(zhuǎn)換、預覽、集成及共享，大幅提升設(shè)計溝通效率。BIM模型管理系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 BIM模型管理系統(tǒng)

4.2 虛擬建造

利用BIM施工仿真技術(shù)避免施工過程中的碰撞問題，并實現(xiàn)施工組織優(yōu)化。鑒于本橋施工工法的特殊性和復雜性，采用4D動態(tài)模擬平臺進行施工全過程的三維可視化施工模擬[10]。其中基礎(chǔ)采用鋼圍堰施工； 橋塔及墩柱均采用爬模施工； 主橋中跨鋼箱梁節(jié)段船運就位后，采用懸臂拼裝施工； 通過特制吊裝系統(tǒng)，實現(xiàn)起梁、旋轉(zhuǎn)、梁上運梁等作業(yè)。為避免對既有交通運營的影響，兩側(cè)邊跨主梁采用步履式頂推工藝。關(guān)鍵施工過程如圖8所示。

圖8 關(guān)鍵施工過程

4.3 數(shù)智運維

為進一步拓展設(shè)計階段BIM模型的應用價值，本項目已成功接入自主研發(fā)的數(shù)智運維云平臺，實現(xiàn)了運維管理的可視化、信息化、智能化。平臺由感知層、傳輸層和應用層組成，賦能軌道橋梁數(shù)智升級。

考慮本項目全生命周期信息傳遞的有效性，平臺集成BIM模型并建立三維檔案庫，實現(xiàn)大橋全景展示與信息互聯(lián)，提升了溝通效率。

本橋跨度大、結(jié)構(gòu)形式復雜，需采用多維度數(shù)據(jù)支撐運維管理?；谥悄鼙O(jiān)測與人工檢查相結(jié)合的方式，大幅提升索力、應力、變形等信息的采集效率，并構(gòu)建了全方位的評價體系，實現(xiàn)評價自動化與預警智能化。

通過制定數(shù)據(jù)對接規(guī)范，提升了Web、APP與云端互聯(lián)互通的安全性，利用自診斷分析保障數(shù)據(jù)完整性與可靠性，基于移動智能終端驅(qū)動信息傳遞，實現(xiàn)了全過程評判智能化、檔案管理信息化。數(shù)智運維云平臺如圖9所示。

圖9 數(shù)智運維云平臺

5 結(jié)論

本文介紹了李家沱長江復線橋正向設(shè)計與數(shù)智運維內(nèi)容，基于正向設(shè)計和數(shù)智運維云平臺，集成BIM模型的可視化、參數(shù)化、信息化和一模多用的特點，打造基于“正向設(shè)計+數(shù)智運維”的創(chuàng)新服務(wù)模式。自主研發(fā)橋梁方案快速生成系統(tǒng)和BIM模型管理系統(tǒng)，集成企業(yè)設(shè)計知識庫，大幅提升方案創(chuàng)作和正向設(shè)計效率，助力智慧橋梁的發(fā)展。引入云計算技術(shù)提升設(shè)計效率，并借助定制的三維出圖標準，高效地實現(xiàn)了橋梁智慧圖紙的表達，整合多種沉浸式漫游技術(shù)，為BIM模型賦能增值。依托數(shù)智運維云平臺，集成應用GIS、BIM、智能傳感、監(jiān)測評估等前沿技術(shù)，打通設(shè)計到運維信息傳遞鏈條，實現(xiàn)了橋梁信息化管理和科學維護。