預應力連續剛構橋梁BIM精細化建模實例

曾紹武,張學鋼,張　林,李季暉,王安東

(1.陜西鐵路工程職業技術學院道橋工程系,陜西渭南　714099；2.中鐵一局集團有限公司,西安　710054)

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預應力連續剛構橋梁BIM精細化建模實例

曾紹武1,張學鋼1,張林2,李季暉2,王安東1

(1.陜西鐵路工程職業技術學院道橋工程系,陜西渭南714099；2.中鐵一局集團有限公司,西安710054)

摘要：橋梁BIM模型構建技術是運用BIM建模軟件建立參數化3D、4D乃至nD橋梁BIM模型,運用信息模型基礎數據為橋梁全生命周期服務,為參與橋梁建設各方提供信息化交流平臺,為實現建設對象可視化、施工進度控制動態化、信息數據采集智能化提供技術支持。以湖潤1號大橋的3D、4D模型構建為例,闡述采用Revit構建大橋模型全過程,提出一種橋梁BIM模型精細化構建的方法與思路。

關鍵詞：預應力連續剛構橋；BIM；模型構建；精細化；方法

中國中鐵、中國鐵建、中交集團等正全面宣傳和貫徹落實精細化管理，BIM三維模型與管理平臺的應用成為各集團公司推行精細化管理的一項重要舉措[1-3]。筆者作為湖潤1號大橋BIM建模與駐場技術服務負責人，結合湖潤1號大橋的工程特點，運用Revit進行精細化模型構建研究探索與實踐。橋梁BIM模型構建技術是運用BIM建模軟件建立參數化3D、4D乃至nD橋梁BIM模型，運用信息模型基礎數據為橋梁全生命周期服務，為參與橋梁建設各方提供信息化交流平臺，為實現建設對象可視化、施工進度控制動態化、信息數據采集智能化提供技術支持[4-5]。以湖潤1號大橋的3D、4D模型構建為例，闡述采用Revit構建大橋模型全過程，提出一種橋梁BIM模型精細化構建的方法與思路，以供同行參考與借鑒。

1概述

1.1　湖潤1號大橋概況

廣西崇左至靖西高速公路六-2標位于百色市靖西縣湖潤鎮境內，起訖樁號YCK110+600-K114+850，主線全長4.25 km。湖潤1號大橋是該標段控制性工程之一，位于湖潤鎮坡州村，全長496 m，跨徑為3×40 m+(78+140+78) m+2×40 m。主橋設計為3跨預應力連續剛構，引橋為40 m標準T梁，主墩設計為變截面空心薄壁雙肢墩，大部分橋墩高度都超過50 m，最高5號墩達97 m，主跨140 m，屬高墩大跨結構，圖1為建設中的湖潤1號大橋[6]。

圖1　建設中的湖潤1號大橋

1.2　運用BIM技術的必要性

湖潤1號大橋為該標段控制性工程，具有以下特性：

(1)周邊地形地貌復雜，山嶺陡峭，便道崎嶇；

(2)高墩大跨連續剛構橋，主墩、主梁均為變截面空心形式，結構構造復雜；

(3)三向預應力結構，預應力線形分布范圍廣，鋼筋眾多，普通鋼筋與預應力管道縱橫交錯；

(4)控制性工程，合同工期緊，施工進度壓力大。

鑒于此，施工中將帶來鋼筋、混凝土等材料的進場、周轉困難，水平、垂直運輸量大，圖紙復雜識讀困難，向工人技術交底有挑戰，管道精準預留定位繁瑣，鋼筋與管道沖突頻現，鋼筋加工綁扎任務重，施工進度難以控制等問題。

針對以上問題，研究湖潤1號大橋BIM模型的建立，尋求BIM技術解決方案，確保大橋施工質量、安全和進度很有必要[6]。

2Revit系列軟件構建橋梁模型的優勢

2.1　Revit軟件操作界面簡介

Revit構建橋梁模型主要運用到新建項目創建一個Revit項目文件以及新建族創建一組在項目中使用的自定義構件。新建Revit項目文件操作界面如圖2所示，軟件菜單的一級目錄功能菜單主要包括：建筑、結構、系統、插入、注釋、分析、體量和場地、協作、視圖、管理、附加模塊、修改。橋梁建模過程中主要使用的結構模塊功能有柱命令生成樁基承臺，鋼筋命令繪制鋼筋，構件命令放置橋墩、梁。插入模塊功能有導入CAD命令、載入族命令，分別可以實現平面CAD圖紙導入與外部新建族文件的載入。視圖模塊可以實現三維視圖切換功能，用戶界面可以調出屬性和項目瀏覽器等欄目，以便查看屬性和在實現結構平面、立面中東北西南之間快捷轉換。修改模塊可以實現對齊、鏡像、平移、旋轉、修剪、陣列等基本操作。

圖2　Revit全橋項目操作界面

新建族文件操作界面如圖3所示，軟件菜單的一級目錄功能菜單主要包括：創建、插入、注釋、視圖、管理、附加模塊、修改。建立橋梁構件族時主要使用創建模塊功能中的拉伸、融合、旋轉、放樣、放樣融合以及空心拉伸、空心融合、空心旋轉、空心放樣、空心放樣融合十大命令生成復雜的橋梁構件族，另外，還用到屬性命令定義族類別，其他功能模塊使用的命令與項目文件介紹的基本一致。

圖3　Revit 0號塊族操作界面

2.2　Revit構建橋梁模型的優勢分析

采用Revit軟件建立橋梁三維BIM模型，構建完整的鋼筋、混凝土數據信息系統，運用BIM施工管理平臺進行信息化集成[7-9]，3D狀態下推演施工方案，4D狀態下進行施工進度、計劃管理，獲取各施工節段的材料工程數量、幾何尺寸信息、相對參考坐標，成為施工管理人員準確把握施工現場的得力助手，主要體現在以下幾個方面。

(1)強大的建族功能確保建模精、確、快

采用Revit系列軟件，以建族方式精確生成截面變化復雜的空心橋墩、梁體以及預應力管道等，按實際施工順序和橋梁構件變化規律，建立參數化的橋墩節段、連續梁節段族，實現快速準確生成各個構件，建模效率高。

(2)操作界面友好，易于上手

Autodesk Revit是在Autodesk CAD基礎上開發的三維建模軟件，軟件的操作與CAD有部分相通相似，容易理解軟件的菜單命令，便于施工企業初學者操作上手，有利于技術成果的應用與推廣[10]。

(3)良好的三維顯示效果

Autodesk Revit對電腦配置要求高，三維動態畫面效果好，鋼筋、預應力管道清晰可見，可以實時動態高精度加載顯示模型，三維技術交底模型實體逼真，交底效率高。

(4)優良的數據互通性

Autodesk Revit與Autodesk CAD均為基礎性開發平臺，可以和同類或者下游軟件進行數據互通，除了能夠導入 Navisworks Freedom、Navisworks Manage進行碰撞檢查、三維漫游動畫制作、施工進度動態管理外，還能導入并應用達索、魯班等軟件的后方平臺，甚至導入Robat中進行力學分析與計算[11-12]。

(5)全生命周期管理

湖潤1號大橋Revit三維模型應用可以貫穿整個工程生命周期，從可行性研究到設計階段，從施工企業招投標策劃到竣工驗收結算階段，甚至延伸到運用維護管理階段。BIM模型的動態數據管理屬性便于橋梁工程全生命周期的業務應用[13-14]。

(6)自帶工程量計算功能，方便易用

橋梁模型的建立、屬性信息的輸入、工程數量的查詢提取均符合工程技術人員操作習慣并方便易用。自帶混凝土方量點擊查詢功能，以及鋼筋明細表提取功能，快捷簡單。同時可以實現施工進度模擬優化、碰撞檢查、三維漫游動畫制作、工程量分計和統計。

鑒于以上優勢，采用Revit建立橋梁模型解決湖潤1號大橋施工中的問題是可行的。

2.3　Revit構建橋梁模型主要步驟簡介

Revit構建橋梁模型的主要步驟如圖4、圖5所示。

圖4　全橋三維模型構建流程

圖5　T梁三維模型構建流程

圖4所構建的全橋三維模型僅包含混凝土信息，不包含鋼筋、預應力信息，圖5所示的T梁三維模型包含混凝土、鋼筋、預應力管道三者的信息。

3精細化構建橋梁三維模型的實施

湖潤1號大橋鋼筋數量多，鋼筋信息量大，Revit軟件輕量化顯示功能有限，無法實現橋梁所有構件的鋼筋、預應力管道信息集成，因此模型構建工作分4部分組成：素混凝土整體橋梁模型構建；樁基、承臺、橋墩、蓋梁鋼筋混凝土模型構建；連續梁各施工塊段鋼筋預應力管道模型構建；T梁鋼筋預應力管道模型構建。實際混凝土澆筑過程也是分塊進行的，因此分塊構建模型對后期BIM模型數據信息的采集與應用影響不大[15-16]。

3.1　湖潤1號大橋混凝土整體模型構建

大橋整體模型構建思路：嚴格按照施工圖1∶1建模，按照樁基中心位置定平面位置，按照各承臺頂高程定參照高程，建族實現各變截面空心橋墩(包括蓋梁、支座墊石等)、變截面連續箱梁以及各T梁的精準建模，將族文件導入并安放在正確的位置，實現整個橋梁的模型的組裝構建。

(1)樁基承臺混凝土模型構建

在Revit項目中，首先根據施工圖承臺頂面高程在南立面創建各高程面，并對應命名為某橋墩或橋臺承臺頂，作為各自墩臺模型構建參照高程面，如圖6所示水平線即為南立面顯示的各承臺頂高程面。

圖6　承臺頂面高程

根據圖紙提供的樁基中心坐標，用CAD畫出具體樁位布置平面圖，并提前將墩臺底部、承臺位置與樁基固定，導入到Revit不同的高程面上，實現精確定位高程、平面位置。以各自承臺頂面作為參考高程，按各根樁的直徑、位置和高程控制，采用結構柱命令生成各基樁，共52根。根據導入的樁基承臺平面布置圖，按照施工圖提供的承臺墊層具體尺寸位置高程及厚度，按方形柱的形式生成所有承臺墊層，同理生成承臺。

(2)橋墩橋臺混凝土模型構建

根據圖紙幾何尺寸結構分別建立0～8號橋墩或橋臺的族文件，隨后分別導入第二步建立的結構構造項目里，安放在正確的位置和高程處。空心或者異形結構需要按照施工圖變化規律分塊段建族，類似構件的可以通過參數化建族生成。如圖7(a)、圖7(d)所示為部分墩臺模型。

圖7　Revit創建的橋墩、橋臺、0號塊模型

(3)T梁混凝土模型構建

橋墩橋臺混凝土模型一般沿豎向逐節構建，而T梁混凝土模型則是沿水平分段構建。根據施工圖40 m標準T梁分中跨中梁、中跨左邊梁、中跨右邊梁、邊跨中梁、邊跨左邊梁、邊跨右邊梁6種基本參數族，每片T梁的細微變化處通過調整參數實現快速建模。如圖8所示為中跨中梁模型。

圖8　中跨中梁模型

(4)連續箱梁混凝土模型構建

連續箱梁根據其特點分為0號塊族、1～19號塊族以及合龍段族，其中0號塊最為復雜，單獨建成非參數化族。1～19號塊類似，以1號塊為例建立參數化族，其他塊段通過需該參數生成，同理構件各合龍段族。如圖7(b)、圖7(c)所示為0號塊模型。

0號塊是箱梁塊段中最復雜的，內部倒角、過人孔等挖空多且變化復雜，嚴格按照0號塊變化規律分19塊進行精細化建模，建模后將其三維投影三視圖與施工圖一一核對，確保計算的混凝土方量的精準，突破0號塊的建模難題就突破了連續箱梁建模問題，也就突破了整個橋梁混凝土模型的建立，最后將各構件族導入項目內組裝成橋，如圖9所示。

圖9　全橋組裝效果模型

3.2　樁基、承臺、橋墩、蓋梁鋼筋模型構建

梁體中錯綜復雜的鋼筋如何繪制，如何確保其空間位置的準確性是建模過程中的一大難題。主要分兩種不同的情形，對應采取不同的措施予以保證。第一種針對結構尺寸規則的承臺，首先，繪制鋼筋時提前算好最外緣鋼筋的保護層厚度，做剖面后按施工圖尺寸手動繪制外緣第一層鋼筋大樣圖，并確保其保護層厚度。然后，考慮最外緣的鋼筋所占體積，將緊貼第一層鋼筋的第二層鋼筋繪制在其尺寸輪廓以內，這樣鋼筋保護層厚度足夠，并消除鋼筋之間位置的沖突，鋼筋就不會亂跑。第二種情形是針對鋼筋在變截面區出現鋼筋外保護層厚度不夠其長度形狀有自適應變化現象，此時需要將繪制的鋼筋拉出混凝土結構，重新雙擊鋼筋按圖紙正確尺寸修改，采用建組命令將鋼筋形狀固定，最后將鋼筋組移動到混凝土結構正確的位置。其中變截面T梁與箱梁鋼筋繪制時就會存在第二種情形。

在建族時必須選擇族的屬性為結構框架，并將族模型導入項目中，才能在混凝土結構中實現鋼筋繪制。

繪制時嚴格按照鋼筋形狀、直徑、長度、間距、位置與型號等信息執行，相同形狀鋼筋可以通過陣列或者復制生成，不同形狀的需要根據鋼筋大樣圖的尺寸手繪，繪制鋼筋操作一般在剖面上進行。如圖10～圖12所示為樁基、承臺、橋墩蓋梁鋼筋模型。

圖10　蓋梁橋墩鋼筋模型

圖11　鋼筋模型

圖12　承臺鋼筋模型

3.3　連續箱梁各塊段鋼筋、預應力管道模型構建

箱梁為三向預應力結構，其預應力管道分為縱向、橫向、豎向，其中縱向預應力管道包括頂板、腹板與底板內的預應力管道。箱梁建模時先在族文件中精確生成帶預應力孔道混凝土模型，再將箱梁族文件導入Revit項目中，同時以逐根編號新建各三向預應力管道族，將各管道族導入Revit項目中并對應插入孔道，確保管道線形與孔道線形完全重合，最后繪制鋼筋。其他塊模型同理構件。圖13是嚴格按照預應力束的線形、位置、束數、管徑、分布規律建立三向預應力管道模型。建模后將預應力束模型三視投影圖與施工圖核對，確保管道在混凝土整體箱梁內的位置完全準確。圖14、圖15是按照箱梁普通鋼筋構造圖紙構建的模型，鋼筋的形狀、型號、直徑、間距、尺寸、布置規律與施工圖鋼筋信息完全一致。最后，形成混凝土構造信息、普通鋼筋信息、預應力孔道信息以及預應力管道信息集成的三維信息模型，如圖16所示。

圖13　預應力管道模型

圖14　箱梁鋼筋模型

圖15　鋸齒塊鋼筋模型

圖16　鋼筋、預應力管道集成的箱梁模型

3.4　40 m標準T梁鋼筋、預應力管道模型構建

40 m標準T梁模型構建方法與連續箱梁類似，在此不再贅述。以中跨中梁為例，構件40 m標準T梁鋼筋、預應力管道模型構建步驟如下。

在準確理解40 m標準T梁施工圖的基礎上，其建模的整體思路如下：第一步，以建族形式生成40 m標準T梁混凝土實體，主要運用到建族功能中的實心拉伸、放樣、融合、放樣融合等基本的命令；第二步，在第一步建立三維實體模型族的基礎上生成40 m標準T梁中的預應力空心孔道，主要運用到建族功能中的空心拉伸、放樣、融合、放樣融合等基本命令，其中包括梁肋預應力孔道、頂板負彎矩孔道、張拉槽口等；第三步，在第二步新建帶預應力孔道40 m標準T梁族的基礎上將其導入項目中繪制普通鋼筋；第四步，按照預應力孔道的尺寸、線形建立預應力管道族，并將預應力管道族導入第三步建立的鋼筋混凝土40 m標準T梁項目中，管道族一一對應安放到位，確保預應力孔道和預應力管道完全重合，這樣就生成帶預應力管道、孔道、鋼筋的40 m標準T梁三維信息模型，如圖17、圖18所示。

圖17　鋼筋、預應力孔道T梁模型

圖18　鋼筋、預應力管道集成的T梁模型

4四維模型構建探索

在完成三維模型精細化構建的基礎上，探索進行四維模型的構建。

4.1　四維動態施工進度模擬創建工作流程

結合湖潤1號大橋的施工進展，調查分析客觀條件，綜合考慮工人施工水平、機械設備資源配置、地形地貌特征，將四維模型創建過程與湖潤1號大橋施工組織流程緊密關聯[17-18]。

首先，進行混凝土方量的精算。橋梁施工管理者控制施工進度過程中往往是以已澆筑的混凝土方量與未澆筑混凝土方量對比值進行總體衡量和控制工程進展的，雖然沒有明確指出但是卻暗含著鋼筋、預應力束、模板等的工程量，混凝土澆筑方量計劃與資源配置息息相關。其次，根據混凝土澆筑方量的分施工節段精算結果，進行資源分配，并根據工程經驗和客觀施工水平進行工作效率的計算，求出橋梁某單項任務所需工作時間。再次，綜合考慮邏輯關系和傳統施工網絡雙代號圖或者施工進度控制橫道圖獲取整個橋梁工程施工項目的總體進度計劃安排。最后，將施工總體進度計劃安排跟橋梁BIM模型一一關聯，利用Navisworks的timeline功能模塊進行橋梁四維動態施工進度模擬。圖19為4D動畫模擬截圖集。

圖19　湖潤1號大橋4D動畫模擬截圖集

4.2　計算機構建四維動態模型的實施步驟

如4.1所述在充分考慮到四維模型構建與湖潤1號大橋的施工進度管理客觀情況之間內在聯系的基礎之上，按以下步驟進行實施：

(1)用Revit2014版軟打開橋梁模型，將其存為NWC格式文件；

(2)用Navisworks Manage2014版打開上一步另存的NWC文件；

(3)在Navisworks Manage2014中點擊timeline模塊輸入湖潤1號大橋總體施工進度計劃(圖20)，明確各橋梁施工節段的計劃開始、計劃結束、實際開始、實際結束時間；

(4)在Navisworks中明確各塊段的施工任務的性質，包括建設、拆除或者臨時性任務；

(5)將橋梁模型各施工節段實體構件與步驟3輸入的進度計劃關聯；

(6)構建出橋梁四維動態進度模擬動畫，并根據工程進展后實際開始時間與實際結束時間不停進行模型的修改和更新[8-10]。

圖20　施工進度計劃輸入

5結語

通過湖潤1號大橋三維模型的構建，證實采用Revit建族功能實現精確構建高墩大跨連續剛構橋整體三維信息模型方法可行，同時還可以實現精確構建T梁，箱梁的鋼筋、預應力管道三維信息模型，Revit三維顯示效果良好。缺陷是鋼筋BIM模型所占內存空間過大，湖潤1號大橋BIM項目無法將鋼筋、預應力管道等所有信息集成到統一的模型中，信息的輕量化以及云工作平臺研究是將來建模工作者以及軟件開發工作者努力的方向[19-20]。

參考文獻：

[1]何關培.BIM總論[M].北京:中國建筑工業出版社，2011.

[2]何關培，李剛.那個叫BIM的東西究竟是什么[M].北京:中國建筑工業出版社，2011.

[3]洪磊.BIM技術在橋梁工程中的應用研究[D].成都:西南交通大學，2012.

[4]R. Solnosky. Current status of BIM benefits， challenges， and the future potential for the structural discipline[M]. Structures Congress 2013，2013：849-859.

[5]R. Volk， J. Stengel， F. Schultmann. Building Information Modeling (BIM) for existing buildings-Literature review and future needs[J]. Automation in Construction， 2014(38):109-127.

[6]李季暉，孫永震，曾紹武.BIM技術在連續梁施工管理中的應用[J].西部交通科技，2014(10):62-66.

[7]沈亮峰.基于BIM 技術的三維管線綜合設計在地鐵車站中的應用[J].工業建筑，2013，43(6):163-166.

[8]王珺，張人友.BIM三維與四維建模實例[J].工業建筑，2012，42(7):139-141.

[9]張人友，王珺.BIM的內涵[J].工業建筑，2012，42(S1):34-36.

[10]張人友，王珺.BIM核心建模軟件概述[J].工業建筑，2012，42(S1):66-73.

[11]黃俊炫，張磊，葉藝.基于CATIA的大型橋梁三維建模方法[J].土木建筑工程信息技術，2012，4(4):51-55.

[12]張為和.基于BIM的夜郎河雙線特大橋施工應用方案研究[J].鐵道標準設計，2015(3):83-86.

[13]盧祝清.BIM在鐵路建設項目中的應用分析[J].鐵道標準設計，2011(10):4-7.

[14]逯宗田.鐵路設計應用BIM的思考[J].鐵道標準設計，2013(6):140-143.

[15]伍凱，潘曉東，鄧其.基于UC-win/Road的城市高架路建模及應用[J].公路工程，2014，39(6):294-296.

[16]劉釗，施洪剛，張濤，等.基于三維GIS的道路工程快速三維建模[J].公路工程，2014，39(1):208-211.

[17]張建平.BIM在工程施工中的應用[J].中國建設信息，2012(20):18-21.

[18]張建平，范喆，王陽利，等.基于4D-BIM的施工資源動態管理與成本實時監控[J].施工技術，2011，40(4)：37-40.

[19]程建華，王輝.項目管理中BIM技術的應用與推廣[J].商業經濟，2012，41(16):29-31.

[20]寇廣輝，蘇章，顏睿，等.基于BIM的工程樁施工技術[J].施工技術，2014，43(1):38-40.

Prestressed Continuous Rigid Frame Bridge BIM Fine ModelingZENG Shao-wu1, ZHANG Xue-gang1, ZHANG Lin2, LI Ji-hui2, Wang An-dong1

(1.Department of Road and Bridge Engineering Shaanxi Railway Institute, Weinan 714099, China;

2.China Railway First Group Ltd., Xi’an 710054, China)

Abstract：The modeling technology of bridge uses BIM software to establish the parameterized bridge BIM model of3D, 4D and even nD, employs basic data information model to serve for the life cycle of the bridge, offers information exchange platform to the parties involved in the bridge construction, and provides technical support to realize visualization of construction objects, dynamic control of construction schedule and intelligent data acquisition. With reference to 3D and 4D modeling of Hu Run No. 1 Bridge, this paper describes the whole process of modeling a bridge with Revit, and puts forward methods and ideas of bridge BIM fine modeling.

Key words：Prestressed continuous rigid frame bridge; BIM; Modeling; Fine; Method

中圖分類號：U442.5； TP391.72

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.015

文章編號：1004-2954(2016)02-0071-06

作者簡介：曾紹武(1982—)，男，講師，E-mail：zyyxgjd2002@163.com。

基金項目：陜西鐵路工程職業技術學院2015年首批科研基金項目計劃(2015-16)；2015年度陜西高等教育教學改革研究項目(15Z31)

收稿日期：2015-05-12； 修回日期：2015-05-17