張明　汪舟　施舒海

摘要 BIM技術(shù)能夠?qū)⒐こ添?xiàng)目在全生命周期的各個(gè)不同階段的信息、過(guò)程以及資源配置等內(nèi)容集成在一個(gè)模型中，對(duì)工程活動(dòng)的開(kāi)展具有十分重要的作用。文章結(jié)合理論說(shuō)明與案例分析深入分析BIM技術(shù)在市政橋梁工程中的應(yīng)用情況，明確了BIM技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)對(duì)市政橋梁設(shè)計(jì)建模過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)分析，給出了以引導(dǎo)曲線為核心建模方式的主要過(guò)程；結(jié)合案例分析BIM技術(shù)在市政橋梁設(shè)計(jì)建模的步驟，以及各模型內(nèi)涵蓋的內(nèi)容，并對(duì)BIM技術(shù)的碰撞分析、工程量計(jì)算等優(yōu)勢(shì)進(jìn)行詳細(xì)分析。研究?jī)?nèi)容對(duì)后續(xù)市政橋梁設(shè)計(jì)工作的開(kāi)展具有一定借鑒意義。

關(guān)鍵詞 BIM技術(shù)；市政道橋工程；設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

中圖分類(lèi)號(hào) U442.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）24-0071-04

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷加深和人們對(duì)美好、便捷生活的需求不斷加大，市政道橋工程的建設(shè)數(shù)量也在逐年增加，這就對(duì)市政道橋工程體系的設(shè)計(jì)提出了更高的要求[1]。在傳統(tǒng)的建筑工程設(shè)計(jì)工作中，常使用CAD進(jìn)行圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，各專(zhuān)業(yè)之間相互獨(dú)立，各自設(shè)計(jì)，缺乏有效的溝通協(xié)調(diào)。建筑信息模型（BIM）技術(shù)能夠有效地解決上述問(wèn)題，BIM技術(shù)包含支持所有生命周期過(guò)程的完整和足夠的信息，并且可以通過(guò)計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序直接解釋[2-3]?；诖耍瑸檫M(jìn)一步提高BIM技術(shù)在市政橋梁工程中的應(yīng)用，該文對(duì)BIM技術(shù)的自身優(yōu)勢(shì)及其在市政道橋工程中的應(yīng)用進(jìn)行深入分析，以期為后續(xù)相關(guān)工作的開(kāi)展提供借鑒。

1 BIM技術(shù)在道橋設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 BIM技術(shù)在道橋設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用包括方案設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)、參數(shù)化建模、碰撞檢查以及BIM與計(jì)算分析軟件、輔助設(shè)計(jì)工具和BIM數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)合[4]。在橋梁工程設(shè)計(jì)階段，通過(guò)對(duì)橋梁場(chǎng)地的快速建模，實(shí)現(xiàn)橋梁設(shè)計(jì)方案的選擇、優(yōu)化和調(diào)整。在協(xié)同設(shè)計(jì)層面，通過(guò)BIM協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可以將設(shè)計(jì)人員按照專(zhuān)業(yè)分工統(tǒng)一納入系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)信息的流轉(zhuǎn)效率[5]。BIM協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)管理的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程可與其他信息管理系統(tǒng)集成，形成信息化架構(gòu)，如圖1所示。

在橋梁參數(shù)化建模層面，借助BIM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)化橋梁、沉管隧道、主橋主要構(gòu)件的參數(shù)化。其次，可利用BIM技術(shù)建立箱梁、墩軸、基礎(chǔ)等橋梁上下構(gòu)件的三維標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫(kù)[6]。根據(jù)原有基礎(chǔ)材料和線路設(shè)計(jì)資源，可自動(dòng)分批完成全線引橋的設(shè)計(jì)建模。此外，在橋梁設(shè)計(jì)碰撞檢測(cè)方面，設(shè)計(jì)過(guò)程中鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼筋的碰撞檢測(cè)，橋梁內(nèi)設(shè)施與隧道內(nèi)機(jī)電管線的碰撞檢測(cè)，設(shè)計(jì)階段其他構(gòu)件的干涉檢測(cè)等。

1.2 BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)

利用BIM技術(shù)進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先，建立參數(shù)化的橋梁模型，提取設(shè)計(jì)參數(shù)，自動(dòng)生成設(shè)計(jì)分析軟件的命令流。其次，將自動(dòng)生成的節(jié)點(diǎn)、截面等命令流進(jìn)行組合，添加邊界條件，導(dǎo)入到BIM軟件中進(jìn)行分析計(jì)算。通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)化修改，自動(dòng)生成橋梁構(gòu)件的指令流程。此外，通過(guò)建立局部BIM模型，導(dǎo)入有限元軟件并添加邊界條件，對(duì)局部應(yīng)力進(jìn)行分析。利用BIM技術(shù)建立橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)BIM數(shù)字模型與仿真分析的集成、對(duì)接與轉(zhuǎn)換。

2 橋梁設(shè)計(jì)中BIM參數(shù)化建模要點(diǎn)

在傳統(tǒng)的三維模型中，用戶(hù)將預(yù)制對(duì)象放置在模型上，隨后通過(guò)調(diào)整對(duì)象的參數(shù)，如尺寸或相對(duì)位置，直到獲得所需的幾何形狀。而參數(shù)化模型工作原理如圖2所示，在參數(shù)化模型中，用戶(hù)對(duì)對(duì)象進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，并直接作用于幾何體自身，參數(shù)化模型中的對(duì)象并非預(yù)制，因此可以做到對(duì)各個(gè)對(duì)象進(jìn)行編輯操作，更具有人性化且更加便捷，并能夠根據(jù)用戶(hù)的自主定義提供多種解決方案。參數(shù)化模型主要借助對(duì)象與對(duì)象間的信息與行為進(jìn)行連接，能夠在計(jì)算機(jī)中模擬不同參數(shù)條件下建筑物建設(shè)、使用過(guò)程中可能出現(xiàn)的行為和反應(yīng)?；贐IM技術(shù)的參數(shù)化設(shè)計(jì)工作，能夠?qū)崿F(xiàn)直觀展現(xiàn)建筑物，并通過(guò)操作獲取更加精準(zhǔn)的模型。對(duì)建筑物進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，模擬材料問(wèn)題、施工過(guò)程，通過(guò)分析碰撞檢測(cè)、空間分配、結(jié)構(gòu)受力分析等，能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁工程的全生命周期管理，減少工程失誤，降低工程造價(jià)等。

2.1 上部結(jié)構(gòu)

由于輸入數(shù)據(jù)（即橋梁的導(dǎo)向曲線）的特殊性，橋面的開(kāi)發(fā)是橋梁工程參數(shù)化最復(fù)雜的部分。參數(shù)化建模過(guò)程中的引導(dǎo)曲線如圖3所示，由于平面圖（或點(diǎn)）列表與剖面圖列表大小相同，只需將剖面圖投影到每個(gè)平面圖中即可，至此橋梁工程參數(shù)化建模算法已經(jīng)創(chuàng)建并存儲(chǔ)了一個(gè)按斷面類(lèi)型劃分的列表。然后可以選擇將帶有邊框、人行道（左側(cè)或右側(cè)）、調(diào)整過(guò)的斷面或所有這些元素一起投影到斷面列表中。

隨后將橋面設(shè)計(jì)工作中包含的重要參數(shù)進(jìn)行歸類(lèi)，包括跨度數(shù)、跨度長(zhǎng)度或橫截面幾何形狀等典型參數(shù)。如表1所示，給出橋面設(shè)置中主要參數(shù)信息，其中前3個(gè)參數(shù)以數(shù)字的形式存在，用于生成橋面最合理的變量，可用于將引導(dǎo)曲線劃分為代表橋梁跨度的子曲線，以及每個(gè)跨度的分段數(shù)。與傳統(tǒng)方法不同的是，用戶(hù)將通過(guò)沿引導(dǎo)曲線手動(dòng)放置點(diǎn)來(lái)表示分段和跨度的位置，參數(shù)化算法只要求用戶(hù)知道分段的數(shù)量和跨度的長(zhǎng)度。系統(tǒng)自身將根據(jù)提供的數(shù)據(jù)自動(dòng)劃分曲線。

橋梁橫截面示意圖如圖4所示，橋梁上部結(jié)構(gòu)參數(shù)種類(lèi)較多，涵蓋不同支撐數(shù)量、不同跨度以及不同支撐高度等類(lèi)型。在進(jìn)行橋體上部結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)置時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況選擇不同的參數(shù)進(jìn)行輸入。圖4各部分參數(shù)中，X1、X2與Y1、Y2為軌道尺寸參數(shù)，d、k、e、l、f、c、g等為維度參數(shù)，具體為橋梁橫截面各位置具體尺寸，S1、S2為左右側(cè)橋面傾斜角度?；贐IM技術(shù)的參數(shù)化建模方法可輸入的參數(shù)量較為豐富，能夠適應(yīng)大多數(shù)類(lèi)型的橋梁設(shè)計(jì)需求。

2.2 下部結(jié)構(gòu)

針對(duì)橋梁的下部結(jié)構(gòu)，無(wú)論是墩帽、立柱還是地基，在采用BIM技術(shù)進(jìn)行參數(shù)化建模過(guò)程中，相對(duì)較為重要的參數(shù)輸入是橋梁的導(dǎo)向曲線。參數(shù)化建模過(guò)程可采用“初始數(shù)據(jù)-引導(dǎo)曲線-開(kāi)始的下部結(jié)構(gòu)構(gòu)建”過(guò)程，在引導(dǎo)曲線上放置甲板與立柱/柱帽的交界點(diǎn)。該方法盡管增加了與文件不一定相關(guān)的參數(shù)，即跨度的數(shù)量和長(zhǎng)度，但是卻能夠達(dá)到簡(jiǎn)單且精確的建模效果。有關(guān)下部結(jié)構(gòu)需要輸入的主要參數(shù)如表2所示，有關(guān)下部結(jié)構(gòu)的參數(shù)輸入主要分為三個(gè)部分，主要是墩帽部位、支柱以及基礎(chǔ)三部分，三部分的參數(shù)中分別包含各個(gè)部位的幾何參數(shù)、位置參數(shù)以及尺寸參數(shù)等內(nèi)容。

跨度長(zhǎng)度輸入的作用是為了更好地在引導(dǎo)曲線中放置相應(yīng)元素，在每條曲線的末端創(chuàng)建對(duì)應(yīng)跨度的點(diǎn)，然后繪制垂直于引導(dǎo)曲線并向下定向的直線。此操作用于放置橋墩帽上部的中心，并考慮橋梁可能的坡度：在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，如果橋梁的坡度為15%，橋面的下部將不再垂直于Z軸，會(huì)導(dǎo)致其與橋墩蓋頂部的偏移。立柱的幾何構(gòu)造非常簡(jiǎn)單且合乎邏輯，只需提出典型的參數(shù)，如立柱的上下標(biāo)高、橫向立柱的數(shù)量及其間距或截面類(lèi)型及尺寸。三維生成首先是在XY平面上創(chuàng)建柱子的剖面，然后根據(jù)需求創(chuàng)建橫向柱子數(shù)量和柱間中心距離并進(jìn)行復(fù)制。截面創(chuàng)建完成后，將它們沿著柱子的軸線和標(biāo)高，沿著引導(dǎo)曲線放置，然后在截面之間進(jìn)行材料提取。墩帽部位的生成與立柱的生成過(guò)程類(lèi)似?；谏鲜鼋＿^(guò)程，某工程中所生成的立柱與墩帽部位如圖5所示。

3 案例驗(yàn)證

3.1 基于BIM技術(shù)的橋梁設(shè)計(jì)建模過(guò)程

某工程為城市內(nèi)新建橋梁，為跨越一處泄洪道，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁，下部結(jié)構(gòu)橋墩采用樁柱式橋墩以及樁柱式橋臺(tái)。橋面為雙向2車(chē)道，每側(cè)設(shè)置人行道以及非機(jī)動(dòng)車(chē)道，橋梁全長(zhǎng)120 m，該工程BIM技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)建模過(guò)程如圖6所示，根據(jù)設(shè)計(jì)相關(guān)文件，對(duì)結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)、建筑專(zhuān)業(yè)和施工專(zhuān)業(yè)分別進(jìn)行建模，并鏈接成整體模型，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)和建筑專(zhuān)業(yè)主要分為橋面系統(tǒng)、墩臺(tái)立柱系統(tǒng)以及基礎(chǔ)系統(tǒng)三部分。

在橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中加入BIM技術(shù)，以設(shè)計(jì)成果的CAD文件利用BIM技術(shù)進(jìn)行參數(shù)化建模，對(duì)結(jié)構(gòu)的各個(gè)組成部分進(jìn)行了定義，并進(jìn)行了虛擬創(chuàng)建和構(gòu)建。按照任何施工任務(wù)的基本原理，每個(gè)結(jié)構(gòu)部件都被考慮在內(nèi)（氯丁橡膠支座、基腳、橋墩、大梁和預(yù)制構(gòu)件、橋面、伸縮縫等）。為減少后續(xù)設(shè)計(jì)變更所帶來(lái)的工作量，該工程對(duì)基臺(tái)中的地基、橋墩和樁帽及其各自的地基、跨度、支撐線和找平、護(hù)欄等部位分別進(jìn)行參數(shù)化建模，設(shè)置成BIM軟件中獨(dú)立的族。最終建立的橋梁模型如圖7所示。

3.2 BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)

BIM方法的使用將確保項(xiàng)目不同階段之間互不干擾。為此，有必要?jiǎng)?chuàng)建橋梁和線性工程的模型。一旦模型制作完成，就可以使用Navisworks等程序進(jìn)行時(shí)間函數(shù)干擾分析。還可以使用其他分析手段對(duì)所建立模型進(jìn)行碰撞分析，以避免不必要的工程投資，在該工程中共發(fā)現(xiàn)7處碰撞問(wèn)題，節(jié)省約2%工程投資。

除碰撞檢測(cè)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)外，該工程還采用BIM技術(shù)對(duì)所需建筑材料用量進(jìn)行計(jì)算分析，以達(dá)到輔助工程量計(jì)算的作用，其中該工程BIM模型中某部位細(xì)部構(gòu)造如圖8所示，采用BIM技術(shù)在施工工序模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行工程量統(tǒng)計(jì)，能夠獲取更加精準(zhǔn)的建筑材料用量、工期進(jìn)度等數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)項(xiàng)目工期控制以及項(xiàng)目投資等方面的把控更加精準(zhǔn)。

4 結(jié)論

該文對(duì)BIM技術(shù)在市政橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用要點(diǎn)進(jìn)行了深入分析，并對(duì)BIM技術(shù)在市政橋梁設(shè)計(jì)案例中的應(yīng)用情況進(jìn)行研究，所得結(jié)論如下：

（1）首先對(duì)BIM技術(shù)在道橋設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方式以及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，分析了BIM技術(shù)優(yōu)勢(shì)所在。對(duì)BIM參數(shù)化建模過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)分析，得出以引導(dǎo)曲線為核心的建模方式的主要過(guò)程，以及建模過(guò)程中各參數(shù)輸入的要點(diǎn)等。

（2）對(duì)實(shí)際工程案例進(jìn)行分析，明確了BIM技術(shù)在市政橋梁設(shè)計(jì)建模中的步驟，以及各模型內(nèi)涵蓋的內(nèi)容，同時(shí)結(jié)合工程實(shí)際對(duì)BIM技術(shù)的碰撞分析、工程量計(jì)算等方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行詳細(xì)論述，所建模型對(duì)于工程后續(xù)施工作業(yè)的開(kāi)展具有指導(dǎo)性意義。

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