謝俊明

（貴州高速公路集團有限公司,貴州 貴陽 550003）

0 引言

信息化建筑模型（BIM）作為我國綠色化建筑發(fā)展的重要信息技術手段，能夠采取智能化、三維可視化等方式實現(xiàn)工程項目設計施工階段的輔助優(yōu)化。相對于以往傳統(tǒng)的項目管理模式，BIM技術能夠極大程度地縮減建設成本，優(yōu)化項目建設速率。BIM技術在不同工程行業(yè)中得到了大范圍應用及認可，技術儲備較為豐富成熟，但是BIM技術在橋梁工程中對于復雜構件的設計施工研究相對較少，該文主要對BIM技術橋梁模型優(yōu)化設計及施工應用進行探討，以此為橋梁工程建設提供必要支撐。

1 工程概況

貴州省某跨河大橋是銜接省市及周圍區(qū)縣的重要交通設施，承擔地鐵交通、物流車輛運輸?shù)年P鍵作用，設計大橋主要為3跨連續(xù)鋼桁架結構，上部結構采取剛性懸索加勁，跨徑（140+260+140）m，全長540 m；上部結構中上層則設計為城市主干路，雙向六車道，設計車速80 km/h，斷面設計寬度32 m，其中“人行道（2 m）+桁架立柱（2 m）+車行道（11 m）+中央分隔帶（2 m）+車行道（11 m）+桁架立柱（2 m）+人行道（2 m）”。下層則設計為軌道交通通道，雙向軌道設計，軌道結構為浮置板式道床構造，設計寬度28 m。橋型斷面布置如圖1（a）所示，場景應用效果圖如圖1（b）所示[1]。該橋梁上部設計有雙層鋼桁架結構，其主桁由2片桁架構成，鋼桁架斷面為26 m×12.5 m矩形設計，桁架上弦距離懸索最大距離為25 m。該項目設計施工存在較大的復雜程度，主要表現(xiàn)為該橋型建設位置偏向于居住區(qū)，周圍存在數(shù)量較多、分布密度較大的新老建筑物，且地下系統(tǒng)管線分布較為繁雜，現(xiàn)場施工組織及協(xié)調(diào)難度極高。

圖1 斷面設計示意圖

2 BIM精細化模型構建

2.1 附屬設施

該大橋項目BIM模型構建中需要考慮多個不同構建種類，如大橋附屬設施、鋼桁架主桁、異形橋墩等。其中，大橋附屬設施主要包括地面標線、交通安全設施、標志牌、排水系統(tǒng)、照明設施、行人系統(tǒng)等。項目為簡化附屬設施精細化設計過程，擬采取Micro Station軟件進行附屬設施構件單元庫創(chuàng)立，依據(jù)不同構件的分布空間進行布置。對于同一類別的交通設施構件則需要設置成DGN文件，這有助于避免設計提及量過多導致的布置空間交叉錯亂缺點。該大橋項目BIM設計主要包括150個相關構件，且多數(shù)構件都可以進行尺寸參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化。附屬設施單元如圖2所示[2]。

圖2 附屬設施示意圖

2.2 鋼桁架主桁

依據(jù)項目建設施工實際環(huán)境，主要將橋梁結構分為上部鋼桁架、下部異形橋墩及基礎三個部分。上部結構表現(xiàn)為雙層鋼桁架構造，施工對于構件的精度要求較高，且結構布置相對復雜，上部鋼桁架結構BIM建模主要以編程形式開展；橋梁下部結構則采取多曲面異形空間薄壁空箱設計，弧形外觀控制相對較難。項目組擬采取Dynamo進行鋼桁架模型構建。上部鋼桁架結構中的主桁包含2片桁架，桁架中心橫向距為26.5 m，節(jié)間長度12.5 m，中心桁架高度達到了12.8 m，豎桿三角桁架布設在立面。橋梁上部鋼結構Dynamo精細化參數(shù)模型分析中，桁架截面、U型橫肋、正交異性橋面板等不同尺寸參數(shù)可進行動態(tài)變化，以滿足不同要求[3]。

2.3 異形橋墩

下部結構中橋墩表現(xiàn)為多曲面異形薄壁空間構造，內(nèi)部輪廓收空，外觀結構較為復雜，曲面控制精度要求極高。因此，項目組主要采取Dynamo進行橋墩模型設計，效果如圖3所示。同時，也可以利用軟件相應可視化技術，對橋墩、基礎等構件進行對角度觀察，橋墩尺寸（墩身橢圓半徑）、橋臺高度、基礎尺寸等參數(shù)都可以根據(jù)需求進行動態(tài)變化。

圖3 橋墩及基礎斷面示意圖

3 基于BIM的大橋優(yōu)化控制

3.1 設計優(yōu)化

3.1.1 地形模擬

該大橋項目設計區(qū)域的地形高程變化幅度較大，且地形情況較為復雜，采取傳統(tǒng)的二維地形平面圖難以充分體現(xiàn)出實際建設環(huán)境，項目組主要采取BIM技術構建大橋設計地形的三維模型。地形模型構建主要采取Power Civil創(chuàng)建，通過對二維地形等高線、高程點等信息數(shù)據(jù)進行軟件篩選提取，利用三角網(wǎng)構建地形模型。該三維模型能夠充分反映現(xiàn)場情況，為后續(xù)平面、縱向線形設計及土方回填開挖等階段提供必要數(shù)據(jù)支撐[4]。

3.1.2 平縱設計

在3D地形BIM模型構建之后，設計人員同樣可以采取BIM技術開展平縱線形設計，平面線形設計則主要對跨河橋梁布設方向、技術經(jīng)濟指標進行比選，采取OPD軟件的直線功能進行設計，橋梁曲線線形則可以采取緩和曲線、圓曲線功能開展設計。平縱線形則可以通過軟件多次優(yōu)化調(diào)整，確保線形的流暢、平順，實現(xiàn)與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)。

3.2 施工優(yōu)化

3.2.1 施工布置

大橋施工現(xiàn)場布置BIM技術模擬，則可以依照以下階段開展，即場地施工設計、場地方案設計模擬、場地調(diào)整。BIM設計中，需要依據(jù)實際情況開展二維場地平面設置，對施工區(qū)域、生產(chǎn)區(qū)、生活區(qū)、消防區(qū)等進行合理安排，待二維平面設計之后，首先可以開展施工場地建模工作，對場地關聯(lián)設備、儀器等進行空間布置、模型屬性賦予工作。其次需要開展BIM場地方案模擬，模擬時間變量則需要事先設置，全過程模擬的開展有助于分析施工場地及施工組織的不恰當處。之后，則需要依據(jù)場地模擬情況對場地方案進行一定優(yōu)化調(diào)整，施工組織及場地布置經(jīng)一定改善之后，則重復開展運行模擬工作，以便獲取最終方案，同時將該方案轉(zhuǎn)變成場地施工布置三維圖[5]。該大橋項目通過上述過程，獲取場地布置效果如圖4所示。

圖4 場地布置效果圖

3.2.2 施工流程

針對施工方案的BIM模擬主要依照以下流程開展：首先，創(chuàng)建大橋項目關聯(lián)臨時設備、機械設備的BIM模型，如施工桁架吊裝機械、塔吊、臨時支架等；其次，構建現(xiàn)場鋼桁架BIM模型，并且進行鋼桁架參數(shù)的相關賦予，虛擬軟件中需要對BIM模型進行施工鋼桁架吊裝過程模擬，依據(jù)不同模擬結果開展施工過程的改善，調(diào)整施工方案不合理處，同時開展施工動畫制作，演示主觀動態(tài)設計效果。為確保大橋施工方案合理性，項目組主要將施工場地布置在大橋兩側(cè)，首先開展樁基礎、橋墩的施工，之后則在橋墩兩側(cè)布設臨時墩、托架來形成安裝鋼桁架的平臺結構。平臺結構布設完成之后，則需要開展鋼桁架梁起始節(jié)段的安裝，此時需要在起始節(jié)段鋼桁架梁處安裝吊機設備，繼而依次由橋墩邊跨至跨中開展鋼桁架片的吊裝，最后實現(xiàn)主梁合攏。局部施工工序開展BIM模擬效果如圖5所示[6]。

圖5 鋼桁架梁施工過程BIM模擬

3.2.3 碰撞檢查

橋梁項目碰撞檢測BIM模型構建有助于對不同橋梁構件位置沖突情況進行分析，有助于對圖紙設計錯誤、誤差進行校核糾正，避免后續(xù)返修施工。項目主要采取Navigator軟件開展碰撞檢測，通過對導入的施工模型進行碰撞檢測功能賦予，對沖突構件進行檢測。項目節(jié)段鋼筋模型碰撞檢測如圖6所示。依據(jù)碰撞檢測效果及統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，全橋鋼桁架弦桿拼裝錯漏處為9處，異形橋墩處鋼筋交錯存在15處，缺失預留孔洞位置5處。設計人員可以通過檢測缺陷對桁架豎桿進行一定尺度調(diào)整優(yōu)化（該項目提升豎向腹桿2～4 cm），承臺處箍筋則可以進行1～3 cm錯位優(yōu)化，規(guī)避鋼筋沖突。該大橋BIM設計模型的檢測有助于解決圖紙設計出現(xiàn)的碰撞沖突情況[7]。

圖6 項目局部節(jié)段鋼筋模型碰撞效果

4 結語

公路工程中BIM技術主要以3D模型為基礎，能夠?qū)こ探ㄔO項目不同階段進行可視化分析、動態(tài)優(yōu)化，并且能夠?qū)κ┕げ煌瑓?shù)進行統(tǒng)計，為后續(xù)工作的開展提供必要支撐。該文結合貴州省某三跨路軌雙用鋼桁架橋梁進行精細化BIM模型構建，對BIM技術在該橋梁設計施工中的具體應用進行了分析。BIM技術能夠改善傳統(tǒng)2D地形平面的設計局限，通過3D地形圖的展示改善后續(xù)線形設計質(zhì)量。施工階段，則可以通過BIM技術進行大橋施工場地布置、施工過程、碰撞檢測的分析，提升項目設計施工質(zhì)量及管理效率，降低項目建設成本。因此，BIM技術在橋梁工程中的應用具有極大的前景，希望該文所作研究能夠為類似橋梁建設提供參考。