劉文 LIU Wen
(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司,長(zhǎng)沙 410200)
BIM 技術(shù)作為一種新型設(shè)計(jì)手段,在公路、鐵路等交通基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域逐漸普及,橋梁工程作為交通基礎(chǔ)設(shè)施重要組成,近年來(lái)在BIM 技術(shù)應(yīng)用方面取得了一定的進(jìn)展。然而結(jié)合實(shí)踐情況分析,不少橋梁工程依舊停留在BIM翻模設(shè)計(jì)層面,究其原因在于橋梁設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)方式、設(shè)計(jì)成果交付方式均未實(shí)現(xiàn)信息化,各階段信息未準(zhǔn)確有效傳遞。由此,BIM 正向設(shè)計(jì)概念被提出,希望使BIM 應(yīng)用從設(shè)計(jì)階段向下兼容,實(shí)現(xiàn)信息自上而下的流通,最終達(dá)到成果信息化、標(biāo)準(zhǔn)化交付的目標(biāo),本文主要從BIM 正向設(shè)計(jì)的角度出發(fā)展開(kāi)詳細(xì)分析。
橋梁作為公路交通領(lǐng)域不可或缺的一部分,承擔(dān)著重要的交通作用。近年來(lái)我國(guó)公路橋梁數(shù)量和里程逐年增長(zhǎng),根據(jù)交通運(yùn)輸部數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),2020 年中國(guó)公路橋梁數(shù)量達(dá)到91.28 萬(wàn)座,較2019 年增加3.45 萬(wàn)座,數(shù)據(jù)表明未來(lái)我國(guó)橋梁建設(shè)依然有巨大的發(fā)展空間。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及技術(shù)水平的提高,人們對(duì)橋梁建設(shè)的質(zhì)量、壽命都有了更高要求。然而橋梁工程存在設(shè)計(jì)效率低下、施工管理難度大等問(wèn)題,設(shè)計(jì)作為整個(gè)項(xiàng)目的初始階段,通常要經(jīng)過(guò)概念設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)前期、初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié),傳統(tǒng)橋梁設(shè)計(jì)以CAD 圖形為基礎(chǔ),不利于自動(dòng)化設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)化分析和信息化管理,對(duì)于精細(xì)化的設(shè)計(jì)質(zhì)量難以把控,重復(fù)化的工作難以簡(jiǎn)化,進(jìn)而設(shè)計(jì)質(zhì)量有缺陷,生產(chǎn)效率不高。因此對(duì)于我國(guó)橋梁工程建設(shè),為朝向信息化、數(shù)字化的目標(biāo)發(fā)展,為解決傳統(tǒng)橋梁設(shè)計(jì)流程中存在的問(wèn)題,優(yōu)化和改善橋梁設(shè)計(jì)流程,運(yùn)用BIM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、信息化的設(shè)計(jì)體系,從而提升設(shè)計(jì)產(chǎn)品的質(zhì)量,減少設(shè)計(jì)出錯(cuò),提高生產(chǎn)效率,縮小設(shè)計(jì)誤差。
BIM 技術(shù)代表了更加智能化、信息化的一種生產(chǎn)方式,在橋梁工程中的應(yīng)用價(jià)值值得深入探討。與房屋建筑相比,橋梁異形構(gòu)件更多,即使是簡(jiǎn)支梁橋、空心板梁橋此類簡(jiǎn)單橋型,依舊存在道路線型、橫縱坡設(shè)置等變化,因此在實(shí)現(xiàn)批量式生產(chǎn)、裝配式建造時(shí)面對(duì)更多的問(wèn)題。此外,目前國(guó)內(nèi)缺少專業(yè)的三維設(shè)計(jì)軟件,橋梁異形構(gòu)件多,軟件內(nèi)無(wú)法包含主梁梁體、橋墩等全部構(gòu)件庫(kù),且橋梁工程多屬于道路工程、鐵路工程中的一項(xiàng),整個(gè)項(xiàng)目里程長(zhǎng)、體量大,建立BIM 模型的軟件無(wú)法同時(shí)保證建模精度與體量。2021 年,交通部推出了最新的交通行業(yè)BIM 標(biāo)準(zhǔn),如:《公路工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(JTG/T2420-2021)、《公路工程設(shè)計(jì)信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》(JTG/T2421-2021)、《公路工程施工信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》(JTG/T2422-2021)等,為橋梁信息模型實(shí)現(xiàn)數(shù)字化交付提供了參考。BIM 的應(yīng)用在橋梁工程中的應(yīng)用逐漸從施工階段延伸至上游設(shè)計(jì)階段,并隨著對(duì)設(shè)計(jì)效率要求的提高,BIM 參數(shù)化建模也逐漸發(fā)展,目前行業(yè)內(nèi)強(qiáng)調(diào)正向設(shè)計(jì)與BIM 結(jié)合,此種設(shè)計(jì)方式簡(jiǎn)化了橋梁設(shè)計(jì)流程,直接提供指導(dǎo)施工的圖紙,且對(duì)全套橋梁圖紙輸出做出標(biāo)準(zhǔn)化示范,一定程度上提高了設(shè)計(jì)效率,本文著重圍繞此展開(kāi)詳細(xì)分析。
BIM 技術(shù)應(yīng)用于橋梁工程中優(yōu)勢(shì)在于改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式下的成果交付,提高了設(shè)計(jì)效率,深化了設(shè)計(jì)質(zhì)量;同時(shí)應(yīng)用BIM 技術(shù)改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),可達(dá)到更加有效的數(shù)據(jù)化和信息化管理,信息儲(chǔ)存更加安全長(zhǎng)久,信息交互范圍更加廣泛,信息利用程度更加充分,BIM 技術(shù)在橋梁工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)總結(jié)如下。
BIM 技術(shù)應(yīng)用于橋梁工程項(xiàng)目中設(shè)計(jì)成果包含三維可視化信息模型及由該模型衍生出的數(shù)據(jù)化成果如:三維可視化模擬動(dòng)畫(huà)、三維仿真模型、二維工程圖紙、工程量數(shù)據(jù)等等。模型從概念設(shè)計(jì)階段到方案設(shè)計(jì)階段其精度不斷加深滿足不同需求,各設(shè)計(jì)成果之間數(shù)據(jù)信息聯(lián)系緊密,聯(lián)動(dòng)變化及時(shí)。三維可視化成果的展示效果更加利于同非專業(yè)人士進(jìn)行溝通和理解,提高決策的可靠性。
BIM 技術(shù)設(shè)計(jì)模式采用模型參數(shù)化、模塊化設(shè)計(jì),將具體的橋梁構(gòu)件按功能和屬性進(jìn)行模塊劃分,同時(shí)對(duì)于同類構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)定,用戶后期可按參數(shù)改變尺寸適用于不同環(huán)境項(xiàng)目需要。BIM 設(shè)計(jì)模式將不局限于傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)中點(diǎn)、線的繪制,深化到對(duì)于適用性和適配度極高的模型設(shè)計(jì)中,模型適配度越高、模型庫(kù)越豐富,這將方便后期各類用戶直接使用,極大縮減了重復(fù)性繪圖工作,提高了生產(chǎn)效率。參數(shù)化設(shè)計(jì)便于設(shè)計(jì)人員綜合考慮力學(xué)需求、經(jīng)濟(jì)性需求、美學(xué)需求等等,不斷改變參數(shù)值以模擬得到最佳適配方案,同時(shí)不會(huì)加大設(shè)計(jì)人員制圖的工作量。三維可視化設(shè)計(jì)則利于對(duì)復(fù)雜三維空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行把握,對(duì)三維空間結(jié)構(gòu)可利用多角度視圖、剖面圖等視角進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)和理解,大大降低了空間想象的難度,也增加了對(duì)空間交叉關(guān)系的精確把握。協(xié)同設(shè)計(jì)也將便于同專業(yè)不同設(shè)計(jì)人員、不同專業(yè)的設(shè)計(jì)人員就同一項(xiàng)目設(shè)計(jì)模型進(jìn)行交互,保障了數(shù)據(jù)傳遞的完整性、及時(shí)性、統(tǒng)一性。
BIM 技術(shù)設(shè)計(jì)模式將有助于提高結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)質(zhì)量,結(jié)構(gòu)體在傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)模式中可能存在空間交叉關(guān)系的錯(cuò)誤難以從二維圖紙中發(fā)現(xiàn),而B(niǎo)IM 技術(shù)可直觀化發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體隱藏的幾何問(wèn)題,利用碰撞檢查功能還可以發(fā)現(xiàn)特定的軟、硬碰撞問(wèn)題,及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題從而修改,在施工過(guò)程中避免了因設(shè)計(jì)缺陷造成的變更和返工,設(shè)計(jì)質(zhì)量得到有效保障。BIM 技術(shù)可直觀化表達(dá)結(jié)構(gòu)體復(fù)雜的空間幾何關(guān)系,信息化模型可提供設(shè)計(jì)人員以多種用途的分析,例如:仿真模擬分析其受力性能保障結(jié)構(gòu)體受力良好、施工模擬以提供施工單位以建設(shè)指導(dǎo)方案等等,基于信息化模型的分析皆具有詳細(xì)數(shù)據(jù)支持,提高了決策的科學(xué)性,提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。
BIM 設(shè)計(jì)模式將數(shù)據(jù)以集成數(shù)據(jù)庫(kù)形式儲(chǔ)存,項(xiàng)目相關(guān)的所有信息皆儲(chǔ)存于模型之中,例如:橋梁構(gòu)件幾何信息、材料信息、力學(xué)信息等,信息的寫(xiě)入和調(diào)用皆基于模型數(shù)據(jù)庫(kù),數(shù)據(jù)完整且查找快捷,各數(shù)據(jù)信息之間存在邏輯和約束上的聯(lián)動(dòng)變化,保證數(shù)據(jù)信息的可靠性。由BIM 模型為基礎(chǔ)可提供其他需求分析以輸出相關(guān)中間資料及設(shè)計(jì)成果,信息儲(chǔ)存在BIM 技術(shù)模式下將高度集成,統(tǒng)一管理和調(diào)用。
基于BIM 技術(shù)模式進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)化交互,目前可通過(guò)IFC 標(biāo)準(zhǔn)或二次開(kāi)發(fā)特定需求功能等實(shí)現(xiàn),例如BIM模型導(dǎo)入仿真模擬軟件中進(jìn)行仿真分析,免去重復(fù)建模過(guò)程,該模式下信息交互能有效降低出錯(cuò)概率,減少工作量,提高工作效率。
BIM 技術(shù)模式下信息集成化程度高,對(duì)于不同階段不同需求的信息利用皆有很好的支持,信息傳遞過(guò)程基本完整且高效。數(shù)據(jù)化和信息化是未來(lái)發(fā)展的方向,對(duì)于信息的利用將會(huì)在運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段與健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)等發(fā)揮更大作用,保障結(jié)構(gòu)體安全運(yùn)營(yíng),為未來(lái)綠色可持續(xù)工程提供數(shù)據(jù)支持。
本項(xiàng)目為某市政工程,項(xiàng)目全長(zhǎng)約8.95km,為城市快速路,設(shè)計(jì)速度80km/h,道路紅線寬28~80m,采用主輔路布置,主路雙向6 車(chē)道,輔路雙向4 車(chē)道。全線設(shè)立交3座,隧道3 座,橋梁5 座,總投資約42.5 億元。
3.2.1 BIM 設(shè)計(jì)方案
本項(xiàng)目是典型的復(fù)雜市政快速路項(xiàng)目,線路里程長(zhǎng),涵蓋專業(yè)多,周邊環(huán)境復(fù)雜,線路與多條主供水管、油氣能源管道、多檔高壓電線共走廊,且沿線密布基本農(nóng)田、村莊建筑、河流水系、墓地等,路線受限因素繁多,選線難度大。此外涉及與中石油、中石化、燃?xì)?、供電、水?wù)、高速、地鐵、交通等專項(xiàng)協(xié)調(diào),專項(xiàng)數(shù)量多,協(xié)調(diào)難度大;工程實(shí)施面臨沿線重大管線保護(hù)、高壓鐵塔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、橋梁施工安全、施工期高速公路保通等諸多復(fù)雜問(wèn)題,實(shí)施難度大。為切實(shí)保障路線總體方案的合理性,確保施工與運(yùn)營(yíng)期間結(jié)構(gòu)與交通安全,提升設(shè)計(jì)過(guò)程中的內(nèi)部協(xié)同與外部協(xié)調(diào)效率,提升設(shè)計(jì)成果質(zhì)量,項(xiàng)目從方案設(shè)計(jì)初期便開(kāi)始使用BIM技術(shù)進(jìn)行三維正向設(shè)計(jì),并引入BIM+GIS 技術(shù)、虛擬建造技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)云交互技術(shù)等,以直觀高效地展示設(shè)計(jì)意圖,實(shí)現(xiàn)BIM 模型的賦能增值。
3.2.2 BIM 設(shè)計(jì)目標(biāo)
結(jié)合本項(xiàng)目線路長(zhǎng)、專業(yè)多、邊界條件復(fù)雜、協(xié)調(diào)溝通多的特點(diǎn),確定了依托項(xiàng)目開(kāi)展BIM 正向設(shè)計(jì)的目標(biāo),即在三維設(shè)計(jì)環(huán)境中開(kāi)展設(shè)計(jì)工作,以三維BIM 模型為中心,開(kāi)展方案研究、性能分析、碰撞檢查、工程量統(tǒng)計(jì)及圖紙輸出等,實(shí)現(xiàn)多專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)。同時(shí),為延伸拓展BIM 模型的價(jià)值,通過(guò)引入了BIM+GIS 技術(shù)、施工仿真技術(shù)、移動(dòng)端交互技術(shù),以有效提升設(shè)計(jì)溝通效率,促進(jìn)科學(xué)決策,實(shí)現(xiàn)BIM 模型的附加值。
3.3.1 正向設(shè)計(jì)流程
項(xiàng)目在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)基本流程上,結(jié)合行業(yè)、地方、企業(yè)正向設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)協(xié)同機(jī)制,制定了以模型為中心的三維正向設(shè)計(jì)流程,如圖1 所示。
圖1 正向設(shè)計(jì)流程
3.3.2 軟件平臺(tái)及協(xié)同機(jī)制
項(xiàng)目針對(duì)道路、橋梁、隧道、管網(wǎng)等主體專業(yè),確定了相應(yīng)的三維設(shè)計(jì)協(xié)同機(jī)制及對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的軟件平臺(tái)。
3.3.3 BIM 正向設(shè)計(jì)
①環(huán)境模型構(gòu)建。項(xiàng)目利用無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)采集沿線現(xiàn)場(chǎng)地形及影像數(shù)據(jù),處理形成全線三維傾斜攝影模型。依托現(xiàn)場(chǎng)仿真模型,進(jìn)行虛擬踏勘,以便高效、精確地掌控項(xiàng)目沿線邊界條件。提取與處理地質(zhì)鉆探數(shù)據(jù),構(gòu)建地質(zhì)數(shù)字模型,為路基處理、結(jié)構(gòu)、橋梁下部、隧道精細(xì)化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)條件。
②總體方案比選。結(jié)合項(xiàng)目沿線控制條件,初擬路線總體方案,快速建立各方案BIM 模型,基于模型開(kāi)展總體路線方案及立交節(jié)點(diǎn)方案的綜合比選;采用BIM+GIS 技術(shù)整合BIM 模型與GIS 模型,進(jìn)行方案的可視化評(píng)審。
③橋梁深化設(shè)計(jì)。橋梁采用R+GH+R 技術(shù)(三維造型軟件Rhinoceros(簡(jiǎn)稱R)、參數(shù)化設(shè)計(jì)創(chuàng)新領(lǐng)域的設(shè)計(jì)插件Grasshopper(簡(jiǎn)稱GH)、族庫(kù)存儲(chǔ)及信息化集成軟件Revit(簡(jiǎn)稱R))開(kāi)展參數(shù)化設(shè)計(jì)快速精確完成橋梁結(jié)構(gòu)模型;針對(duì)特殊節(jié)點(diǎn)或節(jié)段開(kāi)展精細(xì)化設(shè)計(jì)、碰撞檢查;結(jié)構(gòu)計(jì)算方面,自主開(kāi)發(fā)有限元分析軟件數(shù)據(jù)接口,實(shí)現(xiàn)BIM 模型與計(jì)算分析軟件間的無(wú)損數(shù)據(jù)傳遞及交互;通過(guò)定制開(kāi)發(fā)參數(shù)模塊,一鍵式精確高效統(tǒng)計(jì)工程數(shù)量。
3.3.4 BIM 拓展應(yīng)用
①景觀藝術(shù)審查。為形象清晰地表達(dá)景觀設(shè)計(jì)方案,采用BIM+GIS+景觀布置的方式進(jìn)行景觀方案設(shè)計(jì),并輸出游線動(dòng)畫(huà)供景觀方案審查。②交通導(dǎo)改模擬?;谠O(shè)計(jì)模型,運(yùn)用Fuzor 對(duì)疏解方案各階段施工內(nèi)容進(jìn)行模擬,以確定最佳施工期間導(dǎo)改與建設(shè)方案。③移動(dòng)端交互。項(xiàng)目在設(shè)計(jì)成果的表達(dá)上,利用“三維+二維”相結(jié)合的方式,使設(shè)計(jì)成果表達(dá)更加清晰直觀。通過(guò)掃碼直接在手機(jī)呈現(xiàn)構(gòu)件的BIM 模型,使參建各方能夠快速、準(zhǔn)確地了解復(fù)雜構(gòu)造,如圖2 所示。
圖2 移動(dòng)端圖模交付
本項(xiàng)目橋梁工程設(shè)計(jì)中,采用了BIM+GIS 技術(shù)、虛擬施工技術(shù)、云物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等,形成了以模型為中心的正向設(shè)計(jì)技術(shù)路線,探索了多專業(yè)的三維協(xié)同設(shè)計(jì),進(jìn)一步外延了BIM 模型的附加價(jià)值,達(dá)成了項(xiàng)目的應(yīng)用目標(biāo)。
綜上所述,與建筑工程項(xiàng)目相比,橋梁工程設(shè)計(jì)BIM 技術(shù)應(yīng)用存在一定的滯后情況,這既有行業(yè)特點(diǎn)本身因素,又有傳統(tǒng)觀念束縛。隨著B(niǎo)IM 正向設(shè)計(jì)方法的推廣運(yùn)用,可將BIM 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)深入到設(shè)計(jì)階段的各部分實(shí)踐中,本工程實(shí)踐中通過(guò)BIM 正向設(shè)計(jì)有效攻克了工程中所遇到的復(fù)雜問(wèn)題,并能輕松靈活地將二維設(shè)計(jì)成果無(wú)法詳細(xì)表達(dá)的內(nèi)容通過(guò)自身三維的優(yōu)勢(shì)清晰直觀地準(zhǔn)確展示,全面提高了項(xiàng)目設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量。本項(xiàng)目的成功實(shí)踐可為類似項(xiàng)目提供有益的參考,且隨著行業(yè)對(duì)BIM 理念理解的加深,BIM 技術(shù)進(jìn)一步成熟,相信BIM 技術(shù)會(huì)給橋梁工程設(shè)計(jì)帶來(lái)更為深遠(yuǎn)的價(jià)值和影響。