彭鳳強(qiáng)，冉汶民，李立威，王慶濱，彭 堅(jiān)

（中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶市 400000）

0 引言

近年來，隨著建筑業(yè)信息化進(jìn)程的加快，國家及各省市出臺(tái)眾多利好政策，促進(jìn)土木行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作，大力發(fā)展數(shù)字設(shè)計(jì)、智能制造和智慧運(yùn)維，加快建筑信息模型（BIM）技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用。為了更好地實(shí)現(xiàn)智能化設(shè)計(jì)、施工，以及運(yùn)營管理，以實(shí)際工程項(xiàng)目為載體，從數(shù)字化轉(zhuǎn)型先驅(qū)探索出發(fā)，本著多專業(yè)協(xié)同、單專業(yè)深研的戰(zhàn)略思想，聚焦BIM 正向設(shè)計(jì)，同時(shí)將BIM 技術(shù)全面賦能設(shè)計(jì)、施工全過程、項(xiàng)目管理乃至后期的運(yùn)維等工作。通過BIM 技術(shù)賦能的方式，解決了復(fù)雜橋梁的設(shè)計(jì)、施工過程中眾多技術(shù)難題，有利于提升專業(yè)能力，提高工作效率，降低工程成本[1-3]。

目前常規(guī)橋梁已有較為成熟的手段和軟件可較為輕松地實(shí)現(xiàn)BIM 技術(shù)，但BIM 在復(fù)雜的異形橋梁設(shè)計(jì)、工廠制作下料、施工管理等方面的應(yīng)用探索較少[4-6]。

從異形景觀橋傳統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)出發(fā)，分析以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出二維設(shè)計(jì)的相關(guān)局限性與弊端，主要分為以下幾點(diǎn)：

（1）在方案設(shè)計(jì)方面：二維繪制的平面圖、立面圖很難直觀表達(dá)出結(jié)構(gòu)的特異形狀，讓人難以理解真實(shí)的設(shè)計(jì)意圖。

（2）在效果圖設(shè)計(jì)方面：委托其他公司進(jìn)行建模渲染，花費(fèi)時(shí)間溝通，花費(fèi)昂貴的費(fèi)用增加成本且展示角度有限。

（3）在CAD 繪制出圖方面：異形橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致繪圖難度增加；對(duì)于復(fù)雜的空間形狀，繪制的二維平面圖難以指導(dǎo)施工，尤其在空間異形構(gòu)造繪制方面完全不能準(zhǔn)確表達(dá)清楚，全靠施工人員對(duì)圖紙的理解，導(dǎo)致施工不準(zhǔn)確，且項(xiàng)目工程量的統(tǒng)計(jì)不清。

（4）在識(shí)圖方面：施工人員不易充分解讀圖紙內(nèi)容，在表達(dá)和理解上往往會(huì)帶來差錯(cuò)。

（5）在圖紙變更方面：異形結(jié)構(gòu)圖紙變更工作量大、工期長，施工單位接納變更圖紙后，消化和施工準(zhǔn)備時(shí)間長，變更內(nèi)容不能及時(shí)實(shí)施，影響施工進(jìn)度。

傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)在解決復(fù)雜橋梁設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)有很多的局限性與弊端，所以嘗試BIM 技術(shù)在異形橋梁正向設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探索。

根據(jù)目前國家政策和市場需求，在橋梁領(lǐng)域大力發(fā)展BIM 技術(shù)是大勢所趨。利用BIM 技術(shù)進(jìn)行的橋梁三維設(shè)計(jì)相對(duì)于傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)方法，具備以下優(yōu)勢：

（1）對(duì)復(fù)雜異形的橋梁結(jié)構(gòu)，三維設(shè)計(jì)可更直觀、更準(zhǔn)確地表達(dá)出復(fù)雜結(jié)構(gòu)的形態(tài)和構(gòu)造。

（2）能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化的橋梁設(shè)計(jì)。

（3）由于BIM 技術(shù)的參數(shù)化三維建模，可通過調(diào)整參數(shù)快速實(shí)現(xiàn)方案的調(diào)整和優(yōu)化。同時(shí)，建成的參數(shù)化模型還可用于其他項(xiàng)目。

（4）BIM 可以在橋梁的全生命周期重復(fù)利用，為各階段的管理者提供高效便捷的決策平臺(tái)。

（5）BIM 結(jié)合三維地理信息系統(tǒng)，可將高分辨率影像地形、無人機(jī)實(shí)景三維模型、激光點(diǎn)云等空間數(shù)據(jù)，以及紅線、地質(zhì)、自然保護(hù)區(qū)、行政區(qū)劃、國土空間規(guī)劃、耕地保護(hù)矢量數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，高效整合到BIM 中，實(shí)現(xiàn)精確全面的三維信息模型，實(shí)現(xiàn)工程可視化需求。

（6）橋梁監(jiān)測系統(tǒng)隨著BIM 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展形成了一套新型的智慧監(jiān)測系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)智慧管養(yǎng)，以便后期運(yùn)營管理人員可以直觀地瀏覽并讀取橋梁病害信息，從而有助于對(duì)橋梁病害的認(rèn)識(shí)和判斷,為管理者提供合理的、及時(shí)的決策依據(jù)。

（7）橋梁BIM 納入城市運(yùn)營管理系統(tǒng)，由后期運(yùn)營管理部門統(tǒng)籌管理。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于深圳市空港新城啟動(dòng)區(qū)沙井南環(huán)路西延段，城市主干路，設(shè)計(jì)速度為50 km/h。該橋梁為沙井南環(huán)路西延段跨越截流河重點(diǎn)打造的景觀橋，為人車分離、分層的鋼縱橫梁組合體系橋梁。橋梁全長149 m，孔跨布置為32 m+72 m+32 m，橋梁范圍內(nèi)為雙向十車道。橋梁效果圖見圖1 。

橋梁縱梁采用變高度的變截面鋼箱梁，橫梁采用工字型截面，非機(jī)動(dòng)車道與車行道為同一平面，橋梁人行道單獨(dú)分離下沉，人行道采用12～22 m 的大懸臂懸挑結(jié)構(gòu)，并通過鋼拉桿形成桁架結(jié)構(gòu)提高整體性，詳見圖2。

圖2 橋梁橫斷面

主橋上部結(jié)構(gòu)采用鋼縱橫梁組合體系，均為鋼結(jié)構(gòu)。下部橋墩采用矩形實(shí)體墩，基礎(chǔ)采用承臺(tái)樁基礎(chǔ)。橋臺(tái)采用輕型橋臺(tái)，基礎(chǔ)采用承臺(tái)樁基礎(chǔ)。

主梁由鋼縱梁、橫梁、橋面板組成?？v梁采用鋼箱室，中縱梁為變高度結(jié)構(gòu)，梁端梁高3.314 m，梁中部梁高5.2 m,寬1.5 m。邊縱梁為變高度結(jié)構(gòu)，梁端梁高2.95 m，梁中部梁高4.45 m,寬1.5 m。橫梁工字鋼結(jié)構(gòu)，沿路線縱向間距4.0 m。橫梁與橋面板設(shè)置過渡段焊接。

中縱梁頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)采用60 mm 厚，側(cè)板采用60 mm，標(biāo)準(zhǔn)段橫隔板采用20 mm，間距4 m。頂?shù)装寮皞?cè)板設(shè)置肋板，I 肋厚度20 mm，高220 mm，標(biāo)準(zhǔn)間距500 mm。

邊縱梁在橋梁跨中支點(diǎn)處8 m 范圍內(nèi)頂?shù)装宀捎?0 mm，其他范圍內(nèi)頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)采用60 mm 厚，側(cè)板采用60 mm，標(biāo)準(zhǔn)段橫隔板采用20 mm，間距400 mm。頂?shù)装寮皞?cè)板設(shè)置肋板，I 肋厚20 mm，高220 mm，標(biāo)準(zhǔn)間距500 mm。

橫梁為工字形截面，頂?shù)装搴?0 mm,頂板寬1 000 mm，底板寬500 mm，腹板厚20 mm。橋面板厚20 mm，橫梁與橋面板設(shè)置過渡段焊接，過渡段長160 mm。

橋梁平面位于半徑800 m 的圓曲線上，橋梁墩臺(tái)及上部結(jié)構(gòu)的橫梁均采用徑向布置。

2 BIM 正向設(shè)計(jì)的總體方案

本項(xiàng)目中的BIM 正向設(shè)計(jì)主要應(yīng)用在設(shè)計(jì)階段和施工階段。BIM 正向設(shè)計(jì)流程圖見圖3。

圖3 BIM 正向設(shè)計(jì)流程圖

本項(xiàng)目在方案階段完成了結(jié)構(gòu)形式方案比選、行車及行人視覺模擬、可視化展示技術(shù)營銷，降低了溝通成本，提升了協(xié)作效率。

在施工圖設(shè)計(jì)階段完成了基于BIM 的結(jié)構(gòu)計(jì)算、輔助二維施工圖出圖、復(fù)核工程量、可復(fù)制的通用型項(xiàng)目樣板制作。

在施工過程中，本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)施工一體化理念下，運(yùn)用BIM 完成了鋼結(jié)構(gòu)工廠下料、施工方案模擬。

在BIM 設(shè)計(jì)的軟件平臺(tái)選擇上，考慮結(jié)構(gòu)的異形幾何曲面較多，常規(guī)建模手段較為困難，故本項(xiàng)目采用Revit 及自適應(yīng)構(gòu)件族實(shí)現(xiàn)了異形構(gòu)件參數(shù)化設(shè)計(jì)，建模深度達(dá)到了LOD400，并極大提高了構(gòu)件族的通用性，減少了構(gòu)件族的種類。通過Dynamo+Python 二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了Civil 3D、CAD 與Revit 的快速交互，滿足橋梁設(shè)計(jì)上下游協(xié)同設(shè)計(jì)的考慮。本項(xiàng)目建模流程詳見圖4。

圖4 本項(xiàng)目建模流程

3 基于BIM 正向設(shè)計(jì)的應(yīng)用探索

3.1 設(shè)計(jì)階段應(yīng)用

3.1.1 正向設(shè)計(jì)模型的衍變

（1）模型拆解：BIM 建立之前，按照設(shè)計(jì)習(xí)慣及滿足設(shè)計(jì)師協(xié)同工作的需求，將擬建橋梁拆分為多個(gè)子系統(tǒng)：車行系統(tǒng)、人行系統(tǒng)、非機(jī)動(dòng)車系統(tǒng)、下部結(jié)構(gòu)。根據(jù)每個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際情況，再細(xì)分自適應(yīng)構(gòu)件族。

（2）通用族庫助力后續(xù)項(xiàng)目應(yīng)用：建立本項(xiàng)目自適應(yīng)族庫，僅使用10 余構(gòu)件族，即可滿足設(shè)計(jì)需求。相較于常規(guī)構(gòu)件族庫的數(shù)十上百個(gè)構(gòu)件族，本項(xiàng)目構(gòu)件族減少了60%以上。并且后續(xù)項(xiàng)目可直接利用該自適應(yīng)構(gòu)件族庫，快速完成BIM 設(shè)計(jì)工作。

（3）二次開發(fā)助力BIM 設(shè)計(jì)：采用Dynamo+Python的組合方式，自主開發(fā)了一系列通用節(jié)點(diǎn)，以滿足模型裝配的需求。通過Dynamo 節(jié)點(diǎn)包，僅用一個(gè)自適應(yīng)構(gòu)件，就完成了本項(xiàng)目橋梁空間曲線主梁模型、橋梁各位置橫、縱坡自動(dòng)適應(yīng)等，并在空間三維曲線中快速自動(dòng)放置各橋梁構(gòu)件。且后續(xù)復(fù)雜橋梁BIM 設(shè)計(jì)可通過少量修改直接運(yùn)用該節(jié)點(diǎn)包。

（4）設(shè)計(jì)模型組裝：利用Dynamo 自主開發(fā)節(jié)點(diǎn)包，構(gòu)建模型組裝節(jié)點(diǎn)流，并完成設(shè)計(jì)模型的一鍵組裝。后續(xù)修改模型，僅需少量修改Dynamo 節(jié)點(diǎn)流中輸入數(shù)據(jù)，即可快速完成對(duì)整個(gè)模型的修改工作（見圖5）。

圖5 完整模型示意

3.1.2 設(shè)計(jì)階段BIM 應(yīng)用

（1）方案設(shè)計(jì)主要應(yīng)用

a.結(jié)構(gòu)形式比選：修改自適應(yīng)構(gòu)件模型，調(diào)整結(jié)構(gòu)形式，直觀反映橋梁建筑方案在整個(gè)環(huán)境中的美感與和諧性，快速優(yōu)化橋梁建筑形式；模型上賦予實(shí)際的材質(zhì)、顏色、燈光等，模擬成橋效果見圖6。

圖6 成橋夜景效果圖

b.車及行人視覺模擬：模擬行車及行人視角，查看橋梁自身景觀及周邊環(huán)境景觀、橋梁通透性等，校核行車視距（見圖7）。

圖7 行車視覺模擬

c.快速形成方案模型展示：在BIM 中添加周邊場地環(huán)境和建筑模型，考慮與道路設(shè)計(jì)的融合合理性，并充分考慮橋梁與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)性。

（2）施工圖設(shè)計(jì)主要應(yīng)用

a.結(jié)構(gòu)計(jì)算：將建立的Revit 模型導(dǎo)入有限元分析軟件，對(duì)導(dǎo)入模型進(jìn)行修正和網(wǎng)格劃分處理后，添加荷載和邊界條件，進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性驗(yàn)算（見圖8）。

圖8 有限元計(jì)算

b.輔助二維施工圖出圖：配合二維施工圖設(shè)計(jì)，優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)箱室設(shè)計(jì)，解決三維曲面坐標(biāo)高程計(jì)算困難問題。

c.工程量統(tǒng)計(jì)：精準(zhǔn)獲取橋梁構(gòu)件工程量，輸出實(shí)物工程量，與傳統(tǒng)手算相比，工程量偏差3.5%左右。

通過參數(shù)化建模，控制模型中各構(gòu)件的幾何關(guān)系，以適應(yīng)各類結(jié)構(gòu)的變化。在后期方案變更過程中，參數(shù)化的模型可以通過簡單的命令實(shí)現(xiàn)全模型整體修改。另外，參數(shù)化的模塊還可供后期項(xiàng)目的重復(fù)適用。

3.2 BIM 正向設(shè)計(jì)在施工階段的延伸

基于BIM 正向設(shè)計(jì)，探索設(shè)計(jì)施工一體化，通過模型、數(shù)據(jù)等無損延續(xù)保障施工的合理性。

在鋼結(jié)構(gòu)工廠下料方面，設(shè)計(jì)階段已準(zhǔn)確繪制板件尺寸和形狀的數(shù)字模型，鋼結(jié)構(gòu)加工廠將正向設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換成3ds 格式后導(dǎo)入Tekla Structures 軟件，經(jīng)過復(fù)核和局部修改后便可利用模型精確繪制工廠加工深化圖和下料清單。根據(jù)運(yùn)輸條件進(jìn)行構(gòu)件拆分，精確排版鋼板大樣，避免材料浪費(fèi)，直觀指導(dǎo)工人精準(zhǔn)下料，實(shí)現(xiàn)智慧制造（見圖9）。

圖9 施工下料輔助

對(duì)于復(fù)雜的三維曲面，傳統(tǒng)的二維圖紙很難直接表達(dá)出弧度的變化。在設(shè)計(jì)給定的原則下需要經(jīng)過復(fù)雜的計(jì)算才可得出準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)，增加了施工的難度。三維數(shù)字模型的應(yīng)用，方便施工單位直接讀取所需要的數(shù)據(jù)，避免變化換算的錯(cuò)誤，有效提高了施工效率和精度。

在施工方案模擬方面，可通過BIM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化預(yù)拼裝，正向設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換成3ds 格式后導(dǎo)入渲染軟件lumion 進(jìn)行安裝過程模擬（見圖10）。

圖10 施工過程模擬

BIM 技術(shù)將本需要巨大財(cái)力、物力的工廠整體預(yù)拼裝變成了三維數(shù)據(jù)模擬，并能得到滿足工程需要的精度要求。同時(shí)，還可以通過BIM 技術(shù)優(yōu)化施工工序，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降噪。

4 BIM 正向設(shè)計(jì)在項(xiàng)目中的應(yīng)用成效

BIM 橋梁正向設(shè)計(jì)在項(xiàng)目各階段得到了較好的應(yīng)用和效益。

（1）方案比選階段：BIM 橋梁模型直面業(yè)主，可隨時(shí)動(dòng)態(tài)修改方案，更加快速地達(dá)到業(yè)主想要的橋梁方案，減少之后的會(huì)面交流成本。

（2）在復(fù)雜的空間曲線與多元化的橋梁截面方面：可通過Dynamo 節(jié)點(diǎn)包編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間曲線的控制、異形結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模，做到一個(gè)參數(shù)化截面適用于多個(gè)變截面，極大地減少了人力的投入。

（3）在模型渲染方面：橋梁模型與Civil 3D 道路結(jié)合導(dǎo)入3d Max 進(jìn)行效果渲染，降低效果圖方面的開支。

（4）在三維出圖與識(shí)圖方面：精細(xì)化后的橋梁模型，可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率地出圖，準(zhǔn)確預(yù)算工程量。三維模型可以幫助施工人員更清楚、直觀地讀懂圖紙內(nèi)容。

（5）在工期與成本方面：BIM 正向設(shè)計(jì)較傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)縮短了時(shí)間，同時(shí)也降低了工程成本。

（6）在施工方面：BIM 模型提交施工單位后，可進(jìn)行快速施工下料，確保施工精度和質(zhì)量，縮短施工工期，節(jié)省工程造價(jià)。

（7）施工完成后，BIM 模型歸檔業(yè)主，還可用于進(jìn)行運(yùn)維管理。

從以問題為導(dǎo)向的角度出發(fā)，與異形景觀橋傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)相比，BIM 正向設(shè)計(jì)的水平、質(zhì)量與效率均有提高，專業(yè)協(xié)作更加完善，內(nèi)容表達(dá)更加豐富。

同時(shí)，復(fù)雜橋梁設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)師提出更高挑戰(zhàn)，基于BIM 正向設(shè)計(jì)拓展的全生命周期BIM 應(yīng)用至關(guān)重要。從正向設(shè)計(jì)出發(fā)，發(fā)揮數(shù)字化信息傳遞和數(shù)據(jù)應(yīng)用的優(yōu)勢，積極探索BIM 設(shè)計(jì)施工的延展性。

5 BIM 正向設(shè)計(jì)總結(jié)

對(duì)于常規(guī)橋來說，現(xiàn)階段的二維設(shè)計(jì)經(jīng)過多年的實(shí)踐已能成熟地應(yīng)用于施工。但對(duì)于復(fù)雜的異形橋梁，常規(guī)的二維設(shè)計(jì)手段在設(shè)計(jì)階段和施工交底階段較難校對(duì)出問題，多在施工過程中才發(fā)現(xiàn)各種各樣的碰撞、錯(cuò)臺(tái)、錯(cuò)位，或因施工先后順序不合理導(dǎo)致無法安裝等問題。由于該類問題往往累積到一定程度后才被發(fā)現(xiàn)，因此后期整改措施代價(jià)極大。

BIM 正向設(shè)計(jì)的應(yīng)用給復(fù)雜異形橋梁賦予了強(qiáng)大的空間問題解決能力，為該類二維圖紙無法表達(dá)的多維度的曲線、曲面、幾何體提供了直觀表達(dá)方案。因此，從需求角度來說，復(fù)雜異形橋梁的BIM 正向設(shè)計(jì)應(yīng)用是非常必要的。如何快速建立復(fù)雜異形橋梁模型的方法和手段也是未來研究的重點(diǎn)方向。

6 結(jié)語

本文通過介紹BIM 技術(shù)在異形鋼結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計(jì)，得到以下結(jié)論：

（1）復(fù)雜橋梁BIM 設(shè)計(jì)，需采用多軟件協(xié)同的方式完成，技術(shù)路線可參考本項(xiàng)目。

（2）族庫先行原則，在開展橋梁設(shè)計(jì)前，需總結(jié)歸納不同項(xiàng)目的構(gòu)件族庫，為當(dāng)前項(xiàng)目提速增效。

（3）必要的二次開發(fā)是BIM 設(shè)計(jì)中強(qiáng)有力的助推劑。設(shè)計(jì)過程中，需充分利用各軟件的擴(kuò)展開發(fā)功能，深入開展二次開發(fā)工作。

（4）BIM 技術(shù)在施工和運(yùn)營階段的優(yōu)勢需得到發(fā)揮。BIM 技術(shù)不僅僅體現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段，而是貫通項(xiàng)目的全生命周期。