BIM技術在橋梁施工設計中的應用探索

■ 胡杰

BIM技術在橋梁施工設計中的應用探索

■ 胡杰

20世紀80年代CAD繪圖軟件推出，設計人員從手工勞動向計算機輔助設計發展，帶來設計行業的第一次技術革命。隨著社會的發展，二維設計逐漸暴露出一些不足，三維建筑信息模型（BIM）技術正在悄然發展。通過分析當前CAD二維設計技術在橋梁施工設計中的現狀，依托新白沙沱長江特大橋的施工設計，介紹BIM設計技術的特點及對橋梁施工設計的影響。

CAD二維設計；BIM三維設計；橋梁施工設計

橋梁施工設計主要為橋梁施工中所用的大型臨時結構，包括基礎施工的鉆孔平臺及圍堰、墩身施工的模板及支架、主梁施工的現澆支架或掛籃等，目前設計過程中都應用CAD（Computer Aided Design）技術繪制設計圖紙。隨著社會不斷向前快速發展，橋梁結構形體越來越新穎、越來越復雜，大型臨時結構需要與橋梁結構相匹配，設計人員需在較短的時間內完成大規模復雜臨時結構的高質量設計，同時還面臨著橋梁具體施工時的條件與設計時的有所不同，臨時結構需要進行多次修改，嚴重制約著橋梁施工設計的發展。BIM（Building Information Modle，三維建筑信息模型）技術的出現，將能夠解決目前施工設計中所面臨的一些挑戰及困難，為設計人員所接受及認可。

1 CAD與BIM的設計技術

1.1 CAD設計技術的現狀

現行CAD技術包含二維設計和三維設計技術，其中三維技術中三維建模不可逆，在設計過程中只是起輔助作用，常用的還是二維設計技術，主要通過三視圖（立面圖、平面圖及側面圖）、剖面圖描述一個三維結構體。CAD技術在具體設計過程中所遇到的困難有：

（1）圖紙信息表述繁冗。二維設計方法是把三維的結構體用離散的線條和文字按設計在平面表達出來，具體表述某個構件時，為了更好的描述其空間位置，需要把與之相關聯的構件示意出來，并配文字加以說明。

（2）設計過程中協同困難。大型復雜的臨時結構往往是由多個設計人員共同去完成，若某個設計人員在具體設計過程中，如果發現局部不滿足要求，需要改變結構形式，就需要與其他設計人員進行溝通，其他設計人員的圖紙很多需要重新繪制，造成工作量加大。如果溝通不及時或不透徹，就會出現反反復復的修改，易使設計人員之間產生一定的矛盾，進而影響設計整體進度。

（3）設計質量難以控制，影響施工。CAD二維設計中，對同一個結構構件，需要使用多個視圖才能表達，同一個構件需要繪制多次，效率低下。一旦方案發生變化，許多地方都需要重新繪制，加上時間緊迫，容易造成有些地方修改不到，施工現場按圖紙加工制造，發現設計與實際不符，導致工期延誤，增加施工成本。

1.2 BIM設計技術的特點

目前，BIM在歐美發達國家正在迅速推廣使用，很多國家都發布了相應的BIM實施標準。國內BIM的應用主要在建筑領域，并已取得一定成效。

BIM是以三維數字技術為基礎，集成了建筑工程項目各種相關信息的工程數據模型，BIM是對工程項目設施實體與功能特性的數字化表達。BIM具有單一工程數據源，可解決分布式、異構過程數據之間的一致性和全局共享問題。一般具有以下特點：

（1）模型信息的完備性：對工程結構進行3D幾何信息和邏輯關系的描述，包括構件名稱、結構類型、建筑材料，構件之間的工程邏輯關系等。

（2）模型信息的關聯性：信息模型中的對象是可識別且相互關聯的，系統能夠對模型的信息進行統計和分析，并生成相應的圖表。如果模型中的某個構件發生變化，與之相關聯的所有構件都會隨之更新，以保證模型的邏輯關系。

（3）模型信息的一致性：建筑結構的同一信息無需重復輸入，且信息模型能夠自動演化，在3D信息模型中進行修改，二維工程圖中也隨之修改，只需對工程圖中的僅有的標示進行修改，避免了工程圖前后信息不一致的錯誤。

1.3 BIM應用于橋梁施工設計的價值

BIM的出現，使橋梁施工設計從傳統的二維設計轉變為三維設計。使用基于BIM的軟件系統，先進行結構的三維設計，然后通過生成二維的工程圖，再將工程圖交付施工現場。在設計過程中可以隨時直觀地看到結構的三維模型，這個三維模型不同于CAD中的三維模型，它包含結構構件名稱、生成方法、與其他構件的邏輯關系等信息。

BIM使設計過程中協同更簡便。BIM將整個設計整合到一個共享的三維信息模型，各個設計人員通過這個共享的三維模型進行分項設計，同時可以通過這個三維模型查看到其他設計人員的動態，隨時發現相沖突的地方，并及時調整自己的設計。修改后的設計可以即時地反饋到其他設計人員，將原來設計人員的口頭溝通轉化為軟件系統識別，極大地提高了設計效率，保證了信息傳遞的完整和準確性。

BIM使得設計修改更便捷。如果結構體系沒有發生原則性的變化，僅為三維模型的局部設計修改，則修改后的結果會在各個工程圖中自動協調更新，并對工程圖中的標示進行局部調整修改，修改出圖效率大大提高。

2 CAD與BIM的工程應用比較

2.1 工程概況

新白沙沱長江特大橋是渝黔鐵路的關鍵控制性工程，全長5.32 km，主橋布置為（81+162+432+162+81）m，是世界上首座雙層六線雙塔雙索面鋼桁梁鐵路斜拉橋。上層四線客車線，下層兩線貨車線，同時也是世界上延米載荷最大的橋梁，活載達33.6 t/延米，恒載達99 t/延米。

主塔為2#、3#主塔，采用H形橋塔，2#塔高175.45 m（含塔座）， 3#塔高192.45 m（含塔座），2#塔與3#塔在下橫梁以上高度外輪廓完全一致，下橫梁中心線以上橋塔主體高度為147.75 m，上塔柱高64.75 m，中塔柱高81.20 m。2#塔下塔柱高度為23.7 m，3#塔下塔柱高度為40.7 m。下橫梁為預應力混凝土結構，采用雙室空心矩形結構，高7.0 m，寬10.0 m，頂、底板厚0.8 m，腹板厚0.7～1.0 m，支座處設有橫隔板，橫隔板厚2.0 m。上橫梁為預應力混凝土結構，采用單室空心矩形結構，高7.0 m，寬7.5 m，頂、底板厚0.7 m，腹板厚1.0 m。

2.2 3#主墩施工方法

3#基礎位于水中，墩位處部分河床已侵入承臺范圍內，因此在基礎施工前需進行河床的水下爆破清理。為快速形成鉆孔能力，保證長江汛期來臨以后鉆孔的安全性，同時考慮到主墩距離川黔線白沙沱橋距離較近，故采用先平臺后圍堰的方案。下塔柱采用翻模施工，中、上塔柱采取液壓爬模施工。下橫梁采用鋼管柱支架法施工，混凝土分兩次澆注，第一次澆筑總高度為4.0 m的底板及腹板，第二次澆筑高度3.0 m，下橫梁和同一高度范圍內的塔柱同時澆注。上橫梁待與橫梁相交段塔柱爬模施工通過后，再搭設支架施工上橫梁，支架采用在塔柱上設置預埋牛腿和預埋件搭設現澆支架。

2.3 3#主墩下橫梁施工設計比較

以下擬對3#主墩下橫梁支架設計分別采用CAD設計技術及BIM設計技術進行的設計內容進行比較。

2.3.1 CAD設計方法

準備工作：繪制主塔結構主要為下橫梁及下塔柱的三視圖，此結構二維電子圖紙可從橋梁設計單位得到。

支架系統的布置：下橫梁底模布置，可采用整體鋼模和木模，此時僅需確定模板高度；模板底部分配梁布置，此時也僅需預留一定的高度（常用的工字鋼高度）；鋼桁梁的布置，主要是根據下橫梁斷面布置其間距，桁架的結構形式需通過計算確定；鋼管立柱系統的布置，與鋼桁梁之間需預留一定的高度設置后期支架卸落的裝置，鋼管之間的間距需要與鋼桁梁共同計算考慮，保證兩者受力滿足要求，同時結構形式簡便合理。

3#主墩下橫梁現澆支架總體布置見圖1。

下橫梁支架布置出來后，即可與施工現場交流溝通，確定結構所用鋼材的形式，就可進行具體設計。根據計算結果可分幾大塊進行獨立設計，主要包括承臺上設置的預埋件、鋼管立柱系統、卸落結構裝置、鋼桁梁、模板系統、邊支點等。各部分設計完成后，在總布置圖上將各結構進行重新組拼，進一步檢查確定各部分之間的關系，發現問題各部分重新修改設計，重復上述過程直至結構完善，最后打印出圖，設計任務完成。

2.3.2 BIM設計方法（從上而下設計）

準備工作：根據主塔結構圖紙繪制三維BIM模型，由于目前國內橋梁設計單位無可直接用于設計的三維BIM模型，此工作量較大。

支架系統的布置：底模系統的布置，此時僅需布置模板的中心線或者定位線，同時定義模板系統與下橫梁底面的邏輯關系；模板底部分配梁的布置，僅需布置分配梁的中心線，同時定義分配梁與模板底面、分配梁之間的邏輯關系；鋼桁梁的布置，需布置鋼桁梁的骨架線，定義其與上面分配梁的邏輯關系，由于分配梁數量較多，定義邏輯關系時需要一定的技巧，同時定義多片鋼桁梁間的邏輯關系；鋼管立柱系統的布置，從上而下定義出各節段鋼管的軸線，并定義各鋼管與鋼桁梁及承臺預埋件間的邏輯關系。上述過程中需要對每根桿件進行命名且名稱不能重復。

具體設計：結構布置完成后，將模型信息進行共享，該工程施工設計項目其他成員根據此數據信息進行各分部的具體設計，設計過程中可適時的保存數據信息，其他成員可立即獲得最新修改信息，再對自己所負責的分部進行調整。三維BIM模型設計完成后，再對各部件及零件出工程圖。設計任務完成之前重復修改設計的過程比較少或者不會出現。

2.3.3 BIM設計方法（從下而上設計）

根據主塔結構圖紙繪制三維BIM模型，根據以往類似結構將支架拆分為多個零件，并繪制成多個零件圖，同時對零件進行命名，再對繪制好的零件進行逐個裝配，裝配的過程中逐一定義各零件間的邏輯關系，同時調整各零件的定義參數的具體數值，使之滿足總體設計，BIM三維模型設計完成后，再對各部件及零件出工程圖。

圖1 新白沙沱長江特大橋3#主墩CAD設計

2.3.4 CAD與BIM在修改設計工程中的比較

假設已分別采用CAD技術及BIM技術設計將下橫梁支架設計完成。以下橫梁支架中的鋼管立柱系統需要進行修改設計（見圖2），分別采用CAD二維和基于BIM的三維軟件進行設計修改比較。

由于某種原因鋼管立柱下部立柱間距減小3 m，外面一排鋼管由豎直變成傾斜，鋼管立柱系統細部結構發生變化的有：立柱A2結構（含底部連接法蘭）、立柱C2結構（含底部連接法蘭）、連接系A1結構、連接系A2結構等（見圖3）。

采用CAD二維設計時，先在總布置圖進行修改，再到各個具體結構詳圖中修改，涉及到修改地方較多，往往會出現有些地方已經修改，某些局部由于人為疏忽而未修改，造成圖紙前后不對應的情況，這就要求設計人員和圖紙審核人員非常認真仔細的核對。

采用基于BIM的三維軟件設計時，先在三維模型中進行修改，由于構件名稱是一一對應的，需要對桿件重新命名編號，在對細部結構連接法蘭處理也較困難，由于結構變化產生新的結構工程圖中需要重新生成。在三維模型修改時，特別是在細部結構處理時所耗時間精力較多，在材料統計方面，模型雖然可以自行生產，但與傳統表述還有一定的差異，還需進一步修改，同時還需要對新增的結構零件進行出工程圖。

但是如果設計方案修改方向相反，即外側鋼管由傾斜變成直立，采用基于BIM的三維軟件設計將會非常方便快捷。

3 BIM應用于橋梁施工設計的總結及展望

圖2 下橫梁支架中鋼管立柱立面（修改前）

圖3 下橫梁支架中鋼管立柱立面（修改后）

通過與CAD設計技術的比較，在現階段BIM設計技術還無法完全取代CAD設計技術。BIM是一個全新的理念，涉及到一系列的改革和創新，國內尚無與之配套的軟件，國外主流的軟件與國內實際工程不是很配套，由此造成的工作效率遠遠不及CAD二維設計，設計人員使用的熱情不高。BIM的三維模型信息多，初次設計建模時所耗時間精力較多，且不能快速出成果。對待一些特別復雜的施工結構，采用BIM進行設計，需要處理大量的邏輯關系，對于設計員在短時間內無法在設計過程中一次理清，同時由于當今工程建設的工期非常緊迫，設計人員假如使用BIM軟件將無法按時完成設計任務。

建立三維模型需要的電腦硬件配置很高，目前設計人員所用電腦硬件的更新遠遠跟不上基于BIM三維軟件的更新速率，直接造成繪圖速度降低，同時容易給設計人員造成情緒性的抵觸。

但隨著BIM在其他行業不斷應用，實用價值會不斷地體現出來，同時國內基于BIM的三維軟件也會不斷涌現，BIM終將會被橋梁施工界所接受及認可，加之國內工程建設的速度將逐步放緩，從快速施工轉變成精細化施工，BIM設計技術的應用更是迫不及待。橋梁施工設計人員應該走在工程建設行業的前頭，要敢于接受新東西，敢于應用新技術行，敢于接受新技術的挑戰。

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胡杰：中鐵大橋局股份有限公司設計分公司，設計員，湖北 武漢，430050

責任編輯楊倩

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1672-061X（2014）02-0063-05