蔣浩鵬，姜諳男

(大連海事大學(xué) 道路與橋梁工程研究所，遼寧 大連 116026)

0 引 言

隨著我國在橋梁工程建設(shè)中不斷應(yīng)用BIM技術(shù)，學(xué)界對BIM模型、BIM標(biāo)準(zhǔn)問題的探索也在不斷深入[1]。BIM技術(shù)為項(xiàng)目各個(gè)參與方提供了互相交流、信息互換平臺(tái)，不僅是一款信息傳遞工具，更是一項(xiàng)將工程項(xiàng)目與信息技術(shù)結(jié)合的技術(shù)[2-4]。

目前學(xué)界對BIM研究方興未艾。例如：周游[5]基于BIM對立交工程開展分析；李成濤等[6]完成了對橋梁病害模型的三維可視化展示。由此發(fā)現(xiàn)，我國橋梁建設(shè)僅僅在基礎(chǔ)建模階段應(yīng)用到了BIM技術(shù)[7-8]，且并沒有合適的技術(shù)模型去規(guī)范BIM橋梁設(shè)計(jì)、施工流程。

基于此，筆者以BIM技術(shù)中的IFC傳輸標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，優(yōu)化了基于BIM的橋梁設(shè)計(jì)及施工管理技術(shù)模型，為建模提供理論依據(jù)；利用Revit軟件規(guī)范了橋梁BIM模型的設(shè)計(jì)模式及步驟，從而提高了模型的設(shè)計(jì)效率；根據(jù)建筑信息模型分類標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建了橋梁BIM模型信息數(shù)據(jù)編碼規(guī)則，填補(bǔ)了我國BIM橋梁編碼理論的空白；為我國在橋梁建設(shè)應(yīng)用BIM技術(shù)提供理論支持和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

1 IFC傳輸標(biāo)準(zhǔn)及編碼方式

1.1 IFC傳輸標(biāo)準(zhǔn)概述

IFC(industry foundation class)標(biāo)準(zhǔn)即工業(yè)基礎(chǔ)類標(biāo)準(zhǔn)[9]。IFC提供了建筑工程實(shí)施過程所處理的各種信息描述及定義規(guī)范，其可以是一個(gè)構(gòu)件實(shí)體也可用于抽象概念。IFC標(biāo)準(zhǔn)總共由4個(gè)層次構(gòu)建，分為資源層、核心層、共享層和領(lǐng)域?qū)覽3,10-12]。因道路橋梁等建設(shè)涉及的項(xiàng)目較多，同時(shí)運(yùn)行多個(gè)軟件或程序可能會(huì)存在數(shù)據(jù)無法完全兼容，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不能交換等問題，而IFC標(biāo)準(zhǔn)極大程度上解決了數(shù)據(jù)交換和共享問題，節(jié)約了時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。橋梁工程涉及項(xiàng)目類型種類繁多，如墩臺(tái)數(shù)據(jù)、上部梁板尺寸數(shù)據(jù)、護(hù)欄、標(biāo)線等都需要信息處理，而IFC標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)交換和兼容能力能極大程度上解決橋梁構(gòu)件信息數(shù)據(jù)的交換和共享問題。

1.2 模型數(shù)據(jù)編碼規(guī)則

對BIM橋梁建設(shè)項(xiàng)目而言，構(gòu)件模型數(shù)量種類較多，如墩臺(tái)數(shù)據(jù)，梁板尺寸等，在實(shí)現(xiàn)信息交互等問題上依舊還不能進(jìn)行有效溝通[13]，更無法在運(yùn)營階段發(fā)揮效用，建設(shè)工程各方仍是獨(dú)立建立自己所需的信息模型。故針對該問題，筆者建立了基于BIM的模型數(shù)據(jù)編碼規(guī)則。

為保持BIM設(shè)計(jì)總體流程與各階段BIM設(shè)計(jì)詳細(xì)流程信息交換內(nèi)容的統(tǒng)一性和一致性，在各階段設(shè)計(jì)過程中，橋梁、道路等專業(yè)信息交換需求用模型和信息表示，因此需要通過一定命名規(guī)則對流程中涉及的交換信息進(jìn)行編碼。編碼ID用“x.n.m”表示，以橋梁工程為例，如表1。

表1 橋梁工程信息交換ID編碼規(guī)則Table 1 ID coding rules for bridge engineering information exchange

其信息交換ID編碼規(guī)則可設(shè)置如下：① “x”表示階段，“1”表示工可階段，“2”表示初步設(shè)計(jì)階段，“3”表示施工圖階段；② “n”表示專業(yè)，“1”表示道路專業(yè)，“2”表示橋梁專業(yè)，“3”表示給水排水專業(yè)，“4”表示電氣專業(yè)。由表1可知：n還有如下定義：“01”表示項(xiàng)目設(shè)計(jì)模型信息；“02”表示現(xiàn)狀設(shè)計(jì)模型信息；“03”表示規(guī)劃設(shè)計(jì)模型信息。即兩位數(shù)代表設(shè)計(jì)模型信息，一位數(shù)代表專業(yè)；③ “m”表示專業(yè)子內(nèi)容，在設(shè)計(jì)過程中確定編碼。針對橋梁專業(yè)而言，“1”表示梁式橋，“2”表示拱式橋，“3”表示斜拉橋，“4”表示懸索橋，“5”表示其他形式橋梁。

根據(jù)BIM橋梁模型信息交換編碼規(guī)則，具體到構(gòu)件級的編碼問題，將編碼結(jié)構(gòu)分為表代碼(i)、大類代碼(j)、中類代碼(k)和細(xì)類代碼(l)這4部分，表達(dá)形式為i-j.k.l。通過考慮工程實(shí)際，筆者首先考慮二位數(shù)編碼，如表2～4。其中：① 表代碼代表道路部分及橋梁部分，“01”為道路部分，“02”為橋梁部分；② 橋梁部分，大類代碼“01”代表主梁、“02”為縱橫向聯(lián)系、“03”為橋墩、“04”為橋臺(tái)、“05”為基礎(chǔ)、“06”為橋梁附屬結(jié)構(gòu)。中類代碼則是大類代碼的細(xì)分也稱子系統(tǒng)，以主梁為例，則分混凝土梁、鋼梁、鋼混組合梁，對應(yīng)的中類代碼分別為01～03，其余中類代碼見表3；③ 細(xì)類代碼更加細(xì)化了構(gòu)件種類，也代表了各模型單元，并可按照其組成部分進(jìn)行擴(kuò)展，具有可擴(kuò)延性、兼容性和綜合適用性原則。以中類代碼的混凝土梁為例，分為T梁、小箱梁、空心板梁、實(shí)心板梁和箱梁，對應(yīng)的細(xì)類代碼分別為01～05，其余細(xì)類代碼見表4。

表2 橋梁部分上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件模型信息編碼Table 2 Model information encoding of some superstructurecomponents of bridge

表3 橋梁部分下部結(jié)構(gòu)構(gòu)件模型信息編碼Table 3 Model information encoding of substructure components ofbridge

2 BIM橋梁設(shè)計(jì)及施工模型

目前，我國在公路橋梁設(shè)計(jì)、施工領(lǐng)域已逐漸應(yīng)用了BIM技術(shù)。但仍存在諸多問題，例如：① 目前并沒有一款適合我國橋梁建設(shè)領(lǐng)域的BIM技術(shù)模型；② BIM注重工程信息傳遞，但我國在橋梁設(shè)計(jì)、施工管理等階段大多只關(guān)注于模型是否符合工程要求， 往往忽略了構(gòu)件模型信息的綜合運(yùn)用；③ 目前橋梁建設(shè)技術(shù)路線雖然較為齊全，但與BIM結(jié)合時(shí)也需與其IFC信息傳遞標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，否則在各軟件中模型信息無法傳遞?；谏鲜?類問題，筆者基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的BIM信息傳遞規(guī)則，同時(shí)改進(jìn)了文獻(xiàn)[9]中基于BIM的橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)模型，得到了較為適合我國橋梁設(shè)計(jì)基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的BIM橋梁設(shè)計(jì)技術(shù)模型，如圖1。

表4 橋梁部分附屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件模型信息編碼Table 4 Encoding of model information of bridge parts

圖1 BIM橋梁設(shè)計(jì)技術(shù)模型Fig. 1 BIM bridge design technology model

不僅BIM橋梁設(shè)計(jì)會(huì)出現(xiàn)上述問題，BIM橋梁施工管理也會(huì)出現(xiàn)信息傳輸不規(guī)則、信息傳輸丟失等一系列問題。BIM橋梁施工管理內(nèi)容不同于公路施工內(nèi)容，其后期綜合工程構(gòu)件信息處理能力更需要一個(gè)合適的模型去規(guī)范施工管理流程。基于此，筆者同樣依據(jù)IFC標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建模式，改進(jìn)了BIM橋梁施工管理技術(shù)模型，如圖2。

圖2 BIM橋梁施工管理技術(shù)模型Fig. 2 BIM bridge construction management technology model

3 基于BIM的橋梁模型設(shè)計(jì)實(shí)踐

橋梁設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)維階段應(yīng)用BIM技術(shù)需要各自對應(yīng)的技術(shù)路線進(jìn)行支撐以更準(zhǔn)確建立三維模型和后期工程信息管理；且在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域中，橋梁設(shè)計(jì)需要考慮更多的可能性。橋梁設(shè)計(jì)不僅應(yīng)考慮設(shè)計(jì)的具體影響因素，更應(yīng)嘗試用不同軟件來建立橋梁模型。目前，傳統(tǒng)橋梁設(shè)計(jì)中有很多軟件，例如：橋梁博士、邁達(dá)斯、DICAD、緯地(Hint CAD)等。

隨著BIM技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工上的應(yīng)用越來越廣泛，傳統(tǒng)2D設(shè)計(jì)手段已逐漸乏力。現(xiàn)階段，橋梁設(shè)計(jì)不僅要求各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)形式、利用和控制其資源成本，同時(shí)模型數(shù)據(jù)信息共享和傳遞更需要標(biāo)準(zhǔn)去規(guī)范，并明確其界定。基于此，筆者選用Revit軟件對橋梁設(shè)計(jì)階段進(jìn)行過程實(shí)踐，并通過借鑒IFC標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸格式，基于實(shí)際項(xiàng)目構(gòu)建了BIM橋梁模型信息編碼體系，對其進(jìn)行實(shí)踐和階段說明。

3.1 項(xiàng)目概況

以赤城南互通AK0+984.16A匝道紅河大橋施工圖設(shè)計(jì)實(shí)際項(xiàng)目為例。該橋位于赤城南互通內(nèi)，橋梁中心樁號(hào)為AK0+984.16，該橋平面分別位于直線(起始樁號(hào)：K0+843.16，終止樁號(hào)：K1+028.489)和緩和曲線(起始樁號(hào)：K1+028.489，終止樁號(hào)：K1+125.16，參數(shù)A：110，右偏)上，縱斷面位于R=1 600 m的豎曲線上；且墩臺(tái)徑向布置。

3.2 總體設(shè)計(jì)

該橋依次上跨主線，全橋共3聯(lián)：(4×25 m)+(4×25 m)+(3×25 m)；上部結(jié)構(gòu)第1、2聯(lián)采用預(yù)應(yīng)力砼(后張)小箱梁，先簡支后連續(xù)；第3聯(lián)采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁；下部結(jié)構(gòu)橋臺(tái)采用肋板臺(tái)，橋墩采用柱式墩，墩臺(tái)采用樁基礎(chǔ)。

第1、2聯(lián)裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)小箱梁采用多梁單獨(dú)預(yù)制、簡支安裝、現(xiàn)澆連續(xù)接頭的先簡支后連續(xù)結(jié)構(gòu)體系。橋面由6片小箱梁組成，25 m跨徑梁高1.4 m，梁間距2.7 m。為便于模板制作和外形美觀，主梁沿縱向外輪廓尺寸保持不變。第3聯(lián)現(xiàn)澆箱梁，采用單箱3室截面，箱梁底寬13.5 m，懸臂1.5 m，箱梁兩側(cè)腹板采用相同高度，橋面橫坡由箱梁頂?shù)装迤叫懈拱鍫恐毙纬伞?/p>

該橋平面位于曲線上跨徑，采用折線布孔，墩頂濕接頭及邊跨封錨長度為定值，用預(yù)制梁長來調(diào)整。故應(yīng)注意根據(jù)不同梁長調(diào)整正彎矩鋼束長度(在跨中直線部分調(diào)整)，保證滿足工作段張拉長度；普通鋼筋也應(yīng)根據(jù)梁長進(jìn)行調(diào)整。

3.2.1 橋梁模型創(chuàng)建

該橋梁整體造型設(shè)計(jì)并不復(fù)雜，但需注意的是：箱梁高度會(huì)隨著高程改變而變化，且3聯(lián)箱梁的縱坡坡度也各不相同，故在上部結(jié)構(gòu)建模時(shí)需將3聯(lián)箱梁分開建模，以保證兩邊橋臺(tái)位置更加精確。

不同于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，為建模更方便和準(zhǔn)確，本項(xiàng)目采用由下部結(jié)構(gòu)向上建模，具體如下：對下部結(jié)構(gòu)先建立橋墩和系梁模型，進(jìn)而是蓋梁；同樣對橋臺(tái)也可采用相同方式；對上部結(jié)構(gòu)可先設(shè)計(jì)箱梁結(jié)構(gòu)，由于本項(xiàng)目為3聯(lián)，且分屬不同形式，故可分開設(shè)計(jì)，其后設(shè)計(jì)上部鋪裝層、護(hù)欄、標(biāo)線及其他交通附屬設(shè)施。

建模過程中，要注意橋梁縱坡和變寬等問題。本項(xiàng)目以Revit 2014為主要設(shè)計(jì)軟件，其分為兩個(gè)設(shè)計(jì)文件：族文件與項(xiàng)目文件。在設(shè)計(jì)過程中，具體的橋梁構(gòu)件會(huì)以族文件形式展現(xiàn)，將下部和上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后載入到項(xiàng)目文件中進(jìn)行拼裝，載入族文件過程中需要注意單位變換，族文件和項(xiàng)目文件中的單位默認(rèn)為mm。

橋梁樁、承臺(tái)和蓋梁等構(gòu)件都是直接通過Revit軟件的“族”功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先在族文件中設(shè)置好參照標(biāo)高線和參照平面，以方便繪制橋臺(tái)和橋墩平面尺寸，通過拉伸和融合操作創(chuàng)建出橋臺(tái)和橋墩的3D實(shí)體模型，最終在模型基礎(chǔ)之上添加工程參數(shù)和材質(zhì)信息。圖3分別為0號(hào)橋臺(tái)的右立面和整體模型。

圖3 0號(hào)橋臺(tái)“族”右立面和整體模型Fig. 3 Right elevation and overall model of abutment 0“family”

在紅河大橋上部結(jié)構(gòu)實(shí)際建模過程中，不僅需要考慮梁板縱坡問題，更需注意梁尺寸和形狀。通過Revit軟件放樣融合功能，按照紅河大橋平面位置，繪制出梁板路徑和前后輪廓，得到最終上部梁板整體結(jié)構(gòu)；同理，按照放樣融合和選擇路徑可繼續(xù)實(shí)現(xiàn)上部鋪裝層、兩側(cè)護(hù)欄的模型建立，最終得到上部結(jié)構(gòu)整體模型，如圖4。

圖4 上部結(jié)構(gòu)整體模型Fig. 4 Overall model of superstructure

Revit項(xiàng)目文件是統(tǒng)一的整體，其不僅能將“族”文件中所錄入工程信息進(jìn)行添加和整理，更可對整體模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析[14]。對模型拼裝和制作完成之后，可通過Revit導(dǎo)出到FBX三維格式文件和IFC格式文件。由于Autodesk公司各BIM軟件可通過其互通，故將FBX文件導(dǎo)入到Navisworks中進(jìn)行下一步深化設(shè)計(jì)。

通過Revit中“族”功能將上部結(jié)構(gòu)建模完成之后，可將上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)模型合并到一個(gè)統(tǒng)一的項(xiàng)目文件中進(jìn)行修改、管理。但在項(xiàng)目文件導(dǎo)入“族”時(shí)需注意的是結(jié)構(gòu)平面高程選擇，由于0號(hào)與11號(hào)橋臺(tái)高程并不相同，故在項(xiàng)目文件合并模型時(shí)需在結(jié)構(gòu)平面上預(yù)先設(shè)置完成。通過橋梁平面圖將橋墩、橋臺(tái)放入到指定位置上，最終得到橋梁整體模型，如圖5。

圖5 橋梁整體模型Fig. 5 Overall bridge model

3.2.2 深化設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中，Revit可生成構(gòu)件信息庫，能實(shí)時(shí)更新工程構(gòu)件的相關(guān)信息，如加工狀態(tài)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)等。各部門、工程人員都可從中隨時(shí)調(diào)取信息以供項(xiàng)目后期管理和運(yùn)營，又能將更新信息反饋到庫中，從而實(shí)現(xiàn)了工程信息不間斷傳遞和高度實(shí)時(shí)共享。

紅河大橋設(shè)計(jì)中，在創(chuàng)建構(gòu)件過程中可實(shí)現(xiàn)將工程信息錄入到“族”類型中，如圖6。該技術(shù)克服了信息丟失、傳輸困難等問題，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)效率提高，打破傳統(tǒng)構(gòu)件生產(chǎn)水平限制，不僅保障了質(zhì)量問題，也能保證整個(gè)主線橋的順利建設(shè)、按時(shí)完成。

圖6 BIM設(shè)計(jì)信息化設(shè)置界面Fig. 6 BIM design information setting interface

模型構(gòu)件是承載各類幾何和非幾何信息的常用模型單元[15]。故其中的信息處理及提取等步驟也至關(guān)重要。在工程建設(shè)之前將所有構(gòu)件信息進(jìn)行提取后分門別類處理存儲(chǔ)，而基于Revit的提取構(gòu)件信息及結(jié)構(gòu)安全信息二次開發(fā)插件可保證信息有效傳遞，防止缺失；最重要的是該插件輸出文件形式為文本文檔格式，能使信息充分共享，并快速提取，如圖7。

圖7 BIM模型參數(shù)提取示例Fig. 7 BIM model parameter extraction example

3.3 模型信息編碼

根據(jù)BIM模型數(shù)據(jù)編碼規(guī)則，將紅河大橋設(shè)計(jì)步驟分為3階段：項(xiàng)目工可階段、初步設(shè)計(jì)階段和施工圖設(shè)計(jì)階段。

項(xiàng)目工可階段具體包括：① 提供前期資料，明確工程工可階段范圍和內(nèi)容；② 進(jìn)行橋梁方案設(shè)計(jì)，確定梁式大橋工可模型和設(shè)計(jì)信息；③ 進(jìn)行方案可行性分析，通過工可模型確定最優(yōu)方案；④ 將橋梁初步工可模型上傳到協(xié)同共享平臺(tái)，為其他專業(yè)進(jìn)行工可階段模型設(shè)計(jì)提供協(xié)同參照。

初步設(shè)計(jì)階段具體包括：① 在工可設(shè)計(jì)成果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加深方案模型，并簡述施工方案為施工圖設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備；② 完善總體設(shè)計(jì)信息，包括跨徑、橋梁總長及橫斷面布置，確定橋面標(biāo)高及坡度等總體初設(shè)信息；③ 完成橋梁初步設(shè)計(jì)內(nèi)容后，提交橋梁專業(yè)負(fù)責(zé)人進(jìn)行初設(shè)專業(yè)校審；④ 將橋梁初步的初設(shè)模型上傳到協(xié)同共享平臺(tái)以提供協(xié)同參照。

施工圖階段是橋梁工程設(shè)計(jì)最后階段，具體包括：① 在初步設(shè)計(jì)階段的橋梁模型基礎(chǔ)上加以具體和加深，深化主要構(gòu)造和細(xì)部設(shè)計(jì)；② 注明施工過程中的注意要點(diǎn)等信息，使得各種技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求；③ 完成施工圖設(shè)計(jì)后，將模型提交至橋梁專業(yè)負(fù)責(zé)人進(jìn)行校審；④ 將模型上傳到協(xié)同共享平臺(tái)提供協(xié)同參照。

按表1，紅河大橋模型信息編碼見表5。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件模型信息編碼(表2～表4)，得到紅河大橋中各個(gè)構(gòu)件模型信息代碼，如表6。

表5 紅河大橋模型信息交換編碼Table 5 Model information exchange encoding of Honghe Bridge

表6 紅河大橋模型構(gòu)件信息編碼Table 6 Model component information encoding of Honghe Bridge

將上述工程編碼信息按照相對應(yīng)的橋梁工程設(shè)計(jì)技術(shù)路線依次以資源層、核心層、共享層及領(lǐng)域?qū)禹樞蛳蛳逻M(jìn)行傳遞。這樣可避免信息疏漏，全面、有效及準(zhǔn)確的將工程信息交付給建設(shè)單位和運(yùn)營部門。待效益、環(huán)保等部門審核合格后項(xiàng)目可正式運(yùn)營。

4 結(jié) 語

隨著BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)領(lǐng)域地位的不斷提高，應(yīng)用方式也逐漸成熟；但對我國而言，BIM技術(shù)大多僅停留在建模階段。筆者首先以BIM技術(shù)中的IFC標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，優(yōu)化了基于BIM的橋梁設(shè)計(jì)及施工管理技術(shù)模型；同時(shí)以紅河大橋施工圖設(shè)計(jì)實(shí)際項(xiàng)目為例，利用Revit軟件規(guī)范了橋梁BIM模型的設(shè)計(jì)模式及步驟，提高了模型設(shè)計(jì)效率；最后根據(jù)建筑信息模型分類標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建了橋梁BIM模型信息數(shù)據(jù)編碼規(guī)則，填補(bǔ)了我國BIM橋梁編碼理論空白，為BIM技術(shù)應(yīng)用于橋梁建設(shè)提供了理論支持和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

隨著橋梁形式逐漸增多，基于BIM的橋梁模型設(shè)計(jì)方式和BIM橋梁編碼理論也應(yīng)進(jìn)一步完善，但BIM技術(shù)的優(yōu)勢尚未完全體現(xiàn)。故筆者下階段研究重點(diǎn)是：如何將模型信息代碼應(yīng)用到BIM各軟件的數(shù)據(jù)交換。相對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式及信息處理而言，BIM技術(shù)能顯著提高設(shè)計(jì)效率，縮短項(xiàng)目建設(shè)周期。