張廣海、段廣

（中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100000）

1 BIM 技術(shù)概述

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的不斷提升，BIM 技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，該項(xiàng)技術(shù)在建筑工程行業(yè)中的應(yīng)用，由于技術(shù)自身特性非常契合建筑工程的發(fā)展需求，因此，得到了業(yè)內(nèi)各界人士的廣泛關(guān)注。就該項(xiàng)技術(shù)的具體應(yīng)用來看，其中仍然存在著一系列亟須改進(jìn)的問題。BIM 技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢，能夠獲取大量的建筑信息數(shù)據(jù)。BIM 技術(shù)可用于整個(gè)工程項(xiàng)目建設(shè)的各個(gè)環(huán)節(jié)，所以，在保障工程建設(shè)質(zhì)量的同時(shí)，還能縮短工期，提升工程項(xiàng)目的建設(shè)效率。此外，BIM 技術(shù)還能用來分析建筑結(jié)構(gòu)，而且該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用門檻相對較低，將其用在數(shù)據(jù)挖掘中，可通過對大量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行編輯、整理以及更新，才能夠進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)信息的精準(zhǔn)性和科學(xué)性，從而為開展建筑橋梁設(shè)計(jì)工作提供可靠的保障[1-3]。

2 橋梁常用群樁類型

2.1 端承型群樁

對于端承型群樁，由于其是由端承樁組成的，通過承臺將其分配至各樁樁頂?shù)呢Q向荷載，荷載大小將通過樁身傳遞至樁端，這樣一來就會降低樁側(cè)阻力承載的荷載量，受樁側(cè)剪應(yīng)力相互作用的影響，傳遞到樁端平面的應(yīng)力重疊效應(yīng)將隨之降低。再加上樁端的持力層比較硬，隨著樁的單獨(dú)貫入變形減小，承臺底板的反力也將隨之降低，此時(shí)，對于承臺底地基土分擔(dān)的荷載可忽略不計(jì)。

因此，端承型群樁中的樁基性能和獨(dú)立單樁比較接近，群樁和單樁的簡單集合相等，樁和樁的相互作用以及土和承臺的相互作用都可以忽略不計(jì)。由于端承型群樁的樁端持力層剛度比較大，通?？梢院雎圆挥?jì)。但是，在樁端硬持力層下方存在軟臥層時(shí)，需要計(jì)算單樁對軟下臥層的沖剪。

2.2 摩擦型群樁

群樁是由承臺和摩擦樁組成的，因受到豎向荷載作用的影響，沉降的變形形狀通常來源于承臺、樁以及地基土之間的相互影響。在高承臺樁基中，群樁中的各樁頂荷載會經(jīng)過端阻力以及側(cè)摩阻力傳遞至地基土以及相鄰的樁基，由此產(chǎn)生的應(yīng)力將會改變樁和土的受力狀態(tài)，這種狀態(tài)反過來又會影響群樁的端部阻力大小和樁群側(cè)摩阻力，進(jìn)而增加其與單樁受力形狀之間的差異。在低承臺樁中，側(cè)摩的阻力以及端阻力會受到樁群應(yīng)力重疊效應(yīng)的影響，由于承臺和下地基土之間存在著接觸應(yīng)力，就會增加承臺、樁以及地基土之間的復(fù)雜程度。承臺不僅會影響上部樁土的位移，還會減小樁上部的摩擦阻力，改變荷載的傳遞過程，也就是隨著外荷載的不斷增加，側(cè)摩阻力就會從樁的中、下部分逐漸向上或者向下發(fā)揮。同時(shí)，承臺的地面接觸應(yīng)力也會使樁和地基的受力狀態(tài)發(fā)生變化，最終影響端阻力和側(cè)摩阻力。由此可見，低承臺群樁效應(yīng)在改變單樁側(cè)摩擦力的同時(shí)，還改變了側(cè)摩阻力的分布、大小以及分布狀態(tài)，同時(shí)會影響地基土的受力狀態(tài)[4]。

3 橋梁群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)BIM 正向設(shè)計(jì)技術(shù)及其應(yīng)用

3.1 工程概況

某大橋作為跨海通道工程的通航孔橋，跨徑布置為100m+280m+720m+720m+280m+100m，為主跨跨徑2×720m 的獨(dú)柱塔雙索面三塔斜拉橋。主梁采用分離式鋼箱梁+橫向連接箱，鋼箱梁梁高4.0m 簾度50m。個(gè)橋共設(shè)置3×4×24=288 根斜拉索，中塔設(shè)置4×5=20 根輔助索。索塔采用混凝土獨(dú)柱塔，索塔基礎(chǔ)采用變截面群樁基礎(chǔ)和橢圓形承臺，上部設(shè)置錐臺形塔座。

該大橋若采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，存在以下問題：一是全橋樁基、承臺塔座尺寸種類多，配筋方式也不盡相同，因此設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)不同尺寸來繪制鋼筋構(gòu)造圖，工作量重復(fù)。二是后期基礎(chǔ)尺寸、鋼筋設(shè)計(jì)方案的修改帶來圖紙繪制、鋼筋數(shù)量統(tǒng)計(jì)的重復(fù)工作量。三是二維圖紙數(shù)量統(tǒng)計(jì)不精準(zhǔn)，復(fù)核較為煩瑣，且不一定能發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。如采用正向設(shè)計(jì)，對同類型不同尺寸的基礎(chǔ)構(gòu)造，只需建立一個(gè)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的模型，后期基礎(chǔ)尺寸改動(dòng)、鋼筋配筋方案改動(dòng)等可直接通過修改驅(qū)動(dòng)參數(shù)來調(diào)整模型，二維圖紙隨之更新，后期設(shè)計(jì)復(fù)核只需檢查三維模型，也可避免二維設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)漏碰缺等問題。因此，基礎(chǔ)鋼筋構(gòu)造采用正向設(shè)計(jì)，由三維模型交付出的二維圖紙，在確保圖模數(shù)據(jù)一致的同時(shí)，還可實(shí)現(xiàn)便捷的聯(lián)動(dòng)修改，自動(dòng)化地完成大量重復(fù)的工作，提高深化設(shè)計(jì)的效率。

3.2 基于BIM 的正向設(shè)計(jì)

3.2.1 群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)BIM 設(shè)計(jì)思路

基于基礎(chǔ)構(gòu)造的參數(shù)化BIM 模型，通過參數(shù)模板實(shí)例化的建模方式，調(diào)節(jié)控制參數(shù)，構(gòu)建承臺、樁基、塔座的鋼筋模型構(gòu)件庫，驅(qū)動(dòng)模型以適應(yīng)不同的構(gòu)件尺寸和設(shè)計(jì)方案。通過三維參數(shù)化模板二維出圖的模式，滿足施工圖設(shè)計(jì)的深度，實(shí)現(xiàn)斜拉橋基礎(chǔ)鋼筋構(gòu)造的正向設(shè)計(jì)。斜拉橋正向設(shè)計(jì)具體的技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 斜拉橋正向設(shè)計(jì)技術(shù)路線

3.2.2 群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)BIM 設(shè)計(jì)軟件平臺比選

橋梁領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的建模軟件有Bentley、Revit 和Inventor。

（1）Bentley。Bentley 通過一種描述語言PCL（Parametric Component Language）并 在MieroStation平臺上開發(fā)了相應(yīng)的語言解釋器，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體的參數(shù)化。對于驅(qū)動(dòng)參數(shù)較多的構(gòu)件，這種方法定義輸入?yún)?shù)較為復(fù)雜、容易出錯(cuò)，不適用于參數(shù)化便捷驅(qū)動(dòng)。

（2）Revit。Revit+Dynamo 模式可實(shí)現(xiàn)參數(shù)化模板，但存在一些問題：其一，Dynamo 是主要建立模型的軟件，而Revit 是建立的模型載體，二維出圖系列操作需在Revit 中進(jìn)行，相互之間的調(diào)用關(guān)系復(fù)雜。其二，Revit 中的標(biāo)注是基于構(gòu)件進(jìn)行標(biāo)注，而Dynamo每次生成的模型是將之前的模型刪除，重新生成一個(gè)新的模型，因此相關(guān)標(biāo)注會消失。

（3）Inventor。Inventor 零件+裝配模式可以較好地解決Bentley 和Revit 軟件在設(shè)計(jì)過程中存在的問題：其一，在幾何草圖的基礎(chǔ)上，通過拉伸、放樣、掃掠等多種方式滿足不同的三維造型要求。其二，結(jié)合構(gòu)件特性和后期修改的需要，在幾何草圖中可使用幾何約束功能，以減少相關(guān)的輸入?yún)?shù)，精簡實(shí)例模板的驅(qū)動(dòng)參數(shù)。

（4）Invento。Invento 的自動(dòng)創(chuàng)建視圖功能和繪圖工具，較大提高了輸出二維圖紙的效率。另外，工程圖與三維模型是相關(guān)聯(lián)的，對關(guān)聯(lián)模型進(jìn)行更改后，工程圖均可自動(dòng)更新。Inventor 零件+裝配的模式可將不同類型的鋼筋定義成零件，形成多種鋼筋零件庫，在部件中進(jìn)行零件裝配，不同零件相互之間的位置關(guān)系可通過約束定義確定，也方便統(tǒng)計(jì)不同種類鋼筋的數(shù)量。綜上所述，Inventor 軟件符合基礎(chǔ)鋼筋正向設(shè)計(jì)的需求，最終選定Inventor 作為BIM 正向設(shè)計(jì)平臺軟件。

3.3 參數(shù)驅(qū)動(dòng)BIM 模型的創(chuàng)建

目前橋梁專業(yè)的BIM 模型主要采用“骨架+模板實(shí)例化”的建模技術(shù)，這是一種“自頂向下”和“自底向上”相結(jié)合的混合建模方法。樁基、承臺、塔座的三維模型即骨架，作為鋼筋構(gòu)造的承載體，然后利用“模板技術(shù)”為同類型構(gòu)件定義參數(shù)化模板，并利用“批量實(shí)例化技術(shù)”，以自底向上的方式批量生成完整的項(xiàng)目模型。首先確定樁基、承臺、塔座的混凝土構(gòu)造驅(qū)動(dòng)參數(shù)，在構(gòu)造模型的基礎(chǔ)上，輸入保護(hù)層厚度，確定鋼筋邊界位置；接著根據(jù)各種類型鋼筋的尺寸、位置、根數(shù)，輸入相關(guān)參數(shù)形成參數(shù)化模板，并基于軟件iPart組件構(gòu)建關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的構(gòu)件庫。

表1 正向設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)參數(shù)

3.3.1 混凝土構(gòu)造

BIM 模型以中索塔為例，中塔樁頂以下37m 樁徑3m，37m 以下到樁底樁徑為2.5m，承臺為長軸51m、短軸40m 的橢圓形，高6m。上部設(shè)置3m 厚的塔座，塔座為錐臺形式。中塔基礎(chǔ)BIM 模型如圖2 所示。

圖2 基礎(chǔ)構(gòu)件BIM 模型

3.3.2 鋼筋BIM 模型

先定義好主驅(qū)動(dòng)參數(shù)并賦予初值，再將創(chuàng)建的鋼筋驅(qū)動(dòng)參數(shù)與幾何草圖中的尺寸約束關(guān)聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)尺寸標(biāo)注有參數(shù)驅(qū)動(dòng)。為了減少參數(shù)數(shù)量，盡可能采用幾何關(guān)系約束建模，例如以鏡像陣列的方式。實(shí)際工程中鋼筋存在彎鉤，鋼筋BIM 模型由于出圖限制，可將鋼筋彎鉤省略，統(tǒng)計(jì)工程量時(shí)將彎鉤部分的數(shù)量加上即可。創(chuàng)建參數(shù)化模板流程：首先在二維草圖中建立鋼筋的骨架，測試保護(hù)層厚度、鋼筋間距、根數(shù)等驅(qū)動(dòng)參數(shù)的可適應(yīng)性；然后在骨架的基礎(chǔ)上賦予鋼筋直徑輪廓；最后通過陣列、鏡像等方式形成完整的鋼筋參數(shù)化模型。

3.4 自動(dòng)化二維出圖

目前二維圖紙仍是最終的設(shè)計(jì)交付物，如何快速準(zhǔn)確地生成符合施工要求的二維圖紙，是實(shí)現(xiàn)正向設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。三維設(shè)計(jì)出圖是協(xié)同設(shè)計(jì)的一個(gè)環(huán)節(jié)，離不開統(tǒng)一的協(xié)同設(shè)計(jì)規(guī)則，同時(shí)對建模也有一定的要求，形成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的設(shè)計(jì)圖紙。三維設(shè)計(jì)出圖的主要流程：一是統(tǒng)一出圖樣式。在出圖前統(tǒng)一圖框設(shè)置、標(biāo)題欄設(shè)置、標(biāo)注樣式、文字樣式、線型線寬、剖切樣式等圖紙要素。二是切圖模型篩選。三維設(shè)計(jì)模型和工程圖在兩個(gè)文件中進(jìn)行，工程圖文件中選定設(shè)計(jì)模型作為基礎(chǔ)視圖，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)圖面布局選擇投影、剖視或局部視圖，并針對不同視圖的特點(diǎn)控制局部模型的顯示或隱藏，保證畫面清晰整潔。三是動(dòng)態(tài)切圖剖分。三維動(dòng)態(tài)切圖可以切二維剖面圖及詳圖大樣圖，也可以切出三維線框圖和三維立體彩圖等新型圖紙表達(dá)方式。剖視圖可控制剖面位置以及剖切深度，剖面位置可約束到模型上，當(dāng)設(shè)計(jì)模型更改時(shí)，剖切位置不會隨意變動(dòng)。局部視圖可展示局部大樣圖或1/2 視圖、1/4 視圖。針對細(xì)長類型的樁基鋼筋構(gòu)造圖，選定合適的位置添加斷裂符號，在有限的圖幅內(nèi)表達(dá)清楚設(shè)計(jì)思路和保證圖面布局。四是圖紙標(biāo)注布局優(yōu)化。標(biāo)注比如：鋼筋符、鋼筋編號、剖面符號、斷面符號、凈保護(hù)層厚、標(biāo)高、剖斷面標(biāo)題等常用符號做成草圖，形成制圖常用符號庫，以加快制圖速度。傳統(tǒng)鋼筋圖的鋼筋用線條或點(diǎn)來表示，鋼筋三維設(shè)計(jì)時(shí)，工程圖中的鋼筋構(gòu)造剖切出兩根輪廓線和圓的效果，更能體現(xiàn)出鋼筋之間相互交錯(cuò)的關(guān)系。然后，進(jìn)行尺寸標(biāo)注，各類型的鋼筋按照間距大小從內(nèi)到外依次標(biāo)注，最外層標(biāo)注混凝土構(gòu)造尺寸。完成圖紙標(biāo)注后，將平面圖、立面圖、俯視圖、大樣圖等按照圖幅大小調(diào)整比例尺繪圖，目的是能清晰表達(dá)設(shè)計(jì)方案且圖面布局整潔。五是工程量統(tǒng)計(jì)分析。三維BIM 模型通過開發(fā)的插件一鍵導(dǎo)出各種類型鋼筋的體積，在excel 中計(jì)算出鋼筋長度、重量等數(shù)量，同時(shí)將彎鉤的數(shù)量計(jì)入，再通過工程圖鏈接excel 的方式插入鋼筋明細(xì)表。

4 結(jié)語

總而言之，基于對大跨徑斜拉橋基礎(chǔ)鋼筋進(jìn)行BIM 正向設(shè)計(jì)，創(chuàng)建了融入設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)參數(shù)的參數(shù)化BIM 模型庫；基于BIM 平臺構(gòu)建尺寸線、標(biāo)注符號、顏色、線寬、圖幅、字體和視圖等配置系統(tǒng)，介紹了圖紙標(biāo)注、調(diào)整布局以及工程量統(tǒng)計(jì)的方法，最終形成二維圖紙交付成果。后期設(shè)計(jì)方案修改時(shí)，只需修改三維模型，二維圖紙即可更新，效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的制圖方法，并且減少了圖紙出錯(cuò)的概率。BIM 正向設(shè)計(jì)技術(shù)在某大橋工程基礎(chǔ)中的應(yīng)用，為今后實(shí)現(xiàn)大跨徑斜拉橋的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)提供了工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。