既有橋梁養護中BIM模型構件拆分與模型細度的討論

柏平　馬志華

摘 要：針對既有橋梁的BIM應用問題，討論了面向養護的模型構件拆分及模型細度問題。提出在構件拆分方面應考慮結構功能、空間界限、施工次序等因素，確定三維模型細度時需滿足位置準確、幾何界限清晰和較高的曲線精確度等要求；針對若干實際情況進行了舉例說明。該文研究成果對于既有橋梁管理系統的三維化升級具有參考意義。

關鍵詞：BIM 既有橋梁 橋梁養護 構件劃分 模型細度

中圖分類號：U495 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）01（c）-0028-04

Abstract：Aiming at the problem of BIM application of existing bridge， the division of structural elements and the problem of model fineness are discussed. It is proposed that the factors such as structural function， space boundaries， the construction sequence etc. should be considered for elements division， and for the model fineness， the factors including accurateposition， clear geometric boundaries and higher curve accuracy etc. should be considered.For some practical cases， examples are proposed to illustrate those viewpoints. The research results of this paper have referential meaning for the three dimensional upgrade of existing bridge management system.

Key Words：BIM；Existing Bridges；Bridge Maintenance；Division of Structural Elements；Fineness Degree of the BIM Model

BIM（Building Information Modeling，譯為“建筑信息模型”）是目前在國內外工程界較為流行的一項技術，其技術核心在于“信息”，因而該技術的本質屬于信息技術領域。在“建筑信息模型（BIM）”這個概念出現之前，“信息模型”就已經存在于信息技術領域了[1]。通過使用信息模型，我們可以使用不同的應用程序對所管理的數據進行重用，變更以及分享。信息模型技術首先應用于制造業[2]，后來擴展至建筑業，形成了建筑信息模型。BIM技術在建筑工業中應用領域非常廣泛，不同使用者對BIM的詮釋也不盡相同。美國國家BIM標準[3]對BIM的釋義相對完整，該釋義該由三部分組成：（1）BIM是一個設施（建設項目）物理和功能特性的數字表達；（2）BIM是一個共享的知識資源，是一個分享有關這個設施的信息，為該設施從建設到拆除的全生命周期中的所有決策提供可靠依據的過程；（3）在項目的不同階段，不同利益相關方通過在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自職責的協同作業。

BIM技術是一項適合進行結構物全壽命管理的有效方法。許多既有橋梁在建設期并未采用BIM技術，在引入BIM技術進行養護管理時，需要重新建立三維BIM模型。與新建項目相比，既有橋梁的一些特點需要我們特別關注。首先，在新建項目中，BIM模型，或者說數字信息模型，是伴隨著項目設計、施工過程的自然產品，不需要進行專門的建模工作；而對于建設期未采用BIM技術的既有橋梁，技術資料以二維的紙版圖紙或者CAD圖紙的形式存在，沒有現成的三維圖紙，為了實現基于BIM技術的全壽命管理，需要進行專門的建模工作，為后續工作奠定基礎。其次，建設期的BIM模型，作為設計的結果，絕大部分幾何信息會精確的反映在模型中（一些構造詳圖的做法有時在BIM模型中會進行忽略）；而作為全壽命期管理的BIM模型，若建立同樣細度的模型，會耗費大量的人力及時間成本，而很多幾何細節并不是全壽命管理所需關注的，例如：將橋梁拉索作為一個構件時，其錨杯內部的結構信息并不需要三維的形式在管理中來體現。

該文將結合橋梁結構的特點，討論如何建立拆分合理、細度合適的BIM模型。

1 橋梁BIM模型的構件拆分

建立橋梁養護的BIM模型需研究橋梁的構件拆分方式：拆分過細會導致構件數量繁多，數據庫中會被大量價值較低的細節信息占據，增加信息維護和系統運行的成本；拆分過粗會導致必要信息的缺失，使得運營分析工作受到限制。構件拆分方式與信息整理工作密切相關，拆分后的構件作為信息描述的最小單元，其建造、損壞、維修、更換信息都將進行記錄。在BIM模型中，構件的幾何體與數據庫中的構件ID綁定，進而與數據庫中所載的構件信息進行掛接。

橋梁養護信息模型的構建是建立在部件、構件對象基礎上，目前《公路橋梁技術狀況評定標準》[4]已對橋梁部件的劃分提出了建議，模型中也根據《評定標準》進行部件劃分，但橋梁構件的拆解目前沒有統一標準。由于構件是重要的對象，是大部分信息的載體，所以，需要對養護信息模型中構件對象的劃分方式進行研究。在信息模型中，對象是“獨立的、分離的、用戶需要跟蹤和報告的事物”，可以從這個角度出發，確定針對橋梁養護工作的構件劃分方法。

1.1 構件劃分的考慮因素

養護領域信息模型面向考慮橋梁全壽命的過程，主要從結構功能、施工次序、空間界限和其他構件對象屬性區別等方面進行劃分。

1.1.1 結構功能

橋梁各個部件，如：上部承重部件、支座部件、橋墩部件、橋臺部件等，實際上已經將構件按照功能進行了初步的分類。但部件中的各個構件又有其功能上的區別，如：橋墩部件中的墩身、蓋梁、系梁等構件。另外，對于箱梁節段而言，翼緣、頂板、底板、腹板等部位分別呈現出懸臂受彎、主要受拉、受壓和受剪等受力特征，且不同位置的病害對結構整體的影響方式也不相同，因而，在以養護為目的的模型中，宜將各部分劃分為不同的構件，如圖1所示。

1.1.2 空間界限

大部分構件在空間上界限都是清晰的，如，系梁和橫梁、梁體與支座、鋼結構的各個桿件等。有些構件雖然連接面較大，但各個部分空間界限清晰，比如：支座墊石和蓋梁（如圖2所示），由于各自發生病害時的影響也是不同的，所以這種情況宜按照空間界限劃分為不同的構件。由于根據空間界限劃分的各部分，結構功能也都相對獨立，因而這一因素與前述“結構功能”因素有所交叉。

1.1.3 施工次序

有些體量較大的結構體需要分批次施工制作，例如：大跨徑預應力混凝土連續箱梁，會根據施工方便分為若干的節段，每個節段依次進行獨立懸臂澆筑，在記載構件澆筑時間等施工期信息時，各節段有所不同，此時應該將各個節段分劃分為不同構件。另外，如圖3所示鋼拱肋，在制作時，采用了分段制作，現場焊接的工藝、考慮到各段之間并非一個整體，在建造時也有各自的制作、安裝進度，這種鋼結構構件也應劃分為不同的構件。

1.1.4 其他屬性區別

由于信息模型中會記錄構件的材料類型、強度等級、施工方等信息，當一個結構件中的不同組成部分存在不一致的信息時，宜將該結構件中的不同組成部分劃分為獨立構件。

1.2 橋梁構件拆分方式舉例

構件劃分宜盡量滿足上述各因素，即將構件對象劃分至信息層面的最小單位，以免信息主體劃分過粗，導致一些信息沒有對應的存儲位置。下文對常見的幾類橋型的結構劃分進行詳細說明。

1.2.1 上部結構構件劃分

（1）裝配式梁橋。由于這種梁在空間上是相互獨立的，所以每一跨上部承重部件分為各獨立的預制梁組成，上部一般部件大多為連接預制梁的構件。舉例如下：①1跨空心板梁橋有12片空心板梁，那么上部承重部件梁體的構件總數即為12，上部一般部件分為11道鉸縫。②4跨T形梁橋，每跨有7片T形梁，那么上部承重部件梁體的構件總數即為28；上部一般部件分為每跨6個濕接縫及橫隔板。

（2）整體現澆箱梁。由于該橋型截面高度和寬度均較大，且頂底板及翼緣板等均有獨特受力特性，故而將每一跨箱形梁分為左翼板、左腹板、底板、頂板、右翼板和右腹板6個構件。例如：3跨現澆箱梁即存在18個承重構件，一般構件根據橫隔板自然個數確定。

（3）懸臂澆筑/拼裝連續箱梁。懸臂澆筑/拼裝連續箱梁在施工時為分節段澆筑而成，每個節段在施工期均相互獨立。因而建議將橋梁沿縱向按塊段劃分后，再分為頂板、腹板、翼緣板等構件。例如：1座（50+80+50）的懸澆連續箱梁共有0#至10#塊10個懸澆塊段、2個邊跨現澆段、2個邊跨合攏段及1個中跨合攏段，那么上部承重部件梁體的構件即為270個構件對象，一般構件根據橫隔板自然個數確定。

1.2.2 下部結構構件劃分

下部結構中，橋墩、橋臺、墩臺基礎部件較為復雜，其所包含構件存在“空間界限”及“結構功能”的區別。其余構件數量的劃分基本上按照構件的自然單位進行計算。舉例如下：（1）橋臺。U型橋臺：臺帽、前墻、側墻；一般分為1個臺帽、1個前墻、2個側墻；肋板式橋臺：臺帽、肋板、承臺。柱式臺：臺帽，承臺及臺柱。（2）橋墩。柱式墩：墩柱、蓋梁、橫系梁；重力式墩：墩身、墩帽。（3）基礎。樁基礎：樁身、系梁；擴大基礎：基礎。

1.2.3 橋面系構件劃分

主要有橋面鋪裝、伸縮縫裝置、人行道、欄桿、排水系統及照明標志。橋面系所含部件均為構件組成較為簡單的構件，故而按照構件的自然單位進行計算。例如：1個3孔的高速公路橋梁，含有3孔橋面鋪裝構件，0#、3#臺頂2個伸縮縫，無人行道，左右2個護欄。

2 橋梁構件的模型細度

在確定構件劃分方式之后，確定合適的建模細度。在業內，關于BIM三維建模有一個形象的說法：“搭積木”。構件劃分的過程是確定橋梁由哪些“積木塊”組成，在確定構件劃分方式之后，需確定構件合適的三維模型細度，即確定“積木塊”的精細程度。過于粗糙的模型，幾何形狀與現場實物有較大出入，會導致尺寸偏差大、關鍵點位高程、樁號等信息失效等問題，無法充分利用BIM技術發揮三維模型的價值；過于精細的模型，可能會使得大量沒有價值的信息占據模型，例如：欄桿上的雕花等，不僅會大幅增加建模工作量，也無謂地消耗大量的三維顯示系統軟、硬件資源。

構件三維模型細度與BIM三維模型的使用方法有關系。嚴格來說，設計、施工階段對于BIM的細度要求本身也不完全相同，如同設計圖紙、施工圖所表達的信息不同。因此，在BIM的相關工作流程中，各階段人員在項目開始時就需介入，協調建模、文件版本、數據傳輸等各類問題。同樣的，養護運維階段也有其特定的需求。該節即從橋梁養護工作的需求出發，闡述關于構件三維模型細度的若干要求。

以養護為目的的BIM三維模型，需要反映出結構形體、病害分布，以滿足分析構件受力特征、制定維修加固方案、進行工程量計算以及設施管理等工作的要求。以下從構件的位置、構件內部幾何界限、曲線精確度方面闡述具體的細度要求，并討論了一些細節可以忽略的情況。

2.1 位置準確

距離或者角度參照應準確。在用“積木”搭建模型的時候，需要從兩方面考慮：積木塊自身形狀的細致程度和積木塊的放置方式。同樣的，BIM三維模型中的構件也是這樣。構件在三維模型中放置時，通過高程、軸網系統或者其他構件的關鍵點、線、面對構件進行定位：將構件的“基點”根據參照距離放置在模型中，并通過參照角度進行旋轉。一個構件上除了放置“基點”外，還有很多反應其空間位置的點，如一個立方體構件的8個頂點。此時，除了基點位置準確外，構件其他、關鍵點的位置也應該與實際位置一致，才能保證構件的模型形狀與實際構件基本相同、與相鄰各個構件的相對位置關系正確。

以連續梁各節段是否需反映橋梁縱坡為例，來說明上述問題：單就某一節段而言，只要根據底面或頂面標高進行放置即可，即便不考慮縱坡，前后端的高程位置不會有較大偏差；但是，當各個節段連接的時候，中間節段和端部節段由于距離較遠，頂面高程相差較大，如果不考慮縱坡，所有節段的頂面中心線高程都按照中間節段（或者端部節段）頂面中心線高程確定，導致端部節段（或者中間節段）位置遠遠偏離其實際位置，進而使得支座位置、橋墩頂面高程發生較大偏移（如圖4所示），因而，在橋梁建模時，橋梁縱坡導致的橋梁節段前后端高程差應予以反映。

2.2 幾何界限清晰

清晰的界限是橋梁檢查時的重要參考，在可見區域，構件各個面之間明顯的幾何界限應在模型中保留。構件的關鍵點、線信息應能反映出構件上各明顯的明顯界限。如箱梁內部可見部分的腋角（如圖5所示）、齒板等，均建議在模型中加以反映。

2.3 曲線精確度

在工程結構中，經常存在一些曲線，例如拱、懸索的軸線等。此時在模型中盡量按照曲線的實際情況確定——在加工時根據函數精確放樣的預制構件，如鋼拱肋，按曲線建模；對于在施工時以弦代弧的曲線，如：連續梁的立面下緣線，以折線建模。對于曲線建模的情況，對于高階建模軟件中，能夠用精確函數描述的應采用函數描述的方式進行建模，如：二次曲線、雙曲線等；對于一些曲線功能較弱的軟件，會以樣條曲線代替，此時應保證各控制點的點位準確。以鋼拱肋為例，應保證各風撐高程位置準確，而避免使用僅由頂點和支座三點確定的樣條曲線表示拱肋的幾何形狀，如圖6所示。

其他曲面也總是可以由曲線（或者直線沿曲線）的平移、旋轉生成，在考慮模型細度時，也可參照上述原則進行處理。

2.4 細節信息的處理

在滿足前述要求的前提下，對構件的一些幾何細節可以適當放松要求，這將對于三維顯示效率有所幫助。

對于構件非關鍵點位處的幾何信息，可以采取以直代曲、忽略內部細節等方式進行簡化：對于一些矩形截面橋墩的倒角、伸縮縫的內部構造等可以忽略。

對于隱蔽區域，可適當簡化。如封入拱肋的錨頭、混凝土構件中的鋼筋等。當然，很多隱蔽區域的信息對于養護工作來說也非常重要，信息模型的重點也在于管理那些可見物體背后的信息，此時，可以通過其他方法顯示，如，在構件對象中加掛相應的圖紙鏈接，通過查看相應部位的圖紙來獲取相關資料。

3 結語

針對目前BIM技術在橋梁養護階段應用較少的情況，該文討論了針對橋梁養護工作的構件劃分和三維模型細度問題，得到如下成果：（1）構件劃分時考慮結構功能、空間界限、施工次序和其他屬性區別，并結合具體橋梁形式給出了構件劃分示例；（2）確定構件的三維模型細度需滿足位置準確、幾何界限清晰和較高的曲線精確度；同時討論了可忽略之細節的信息承載方法。

參考文獻

[1] John M.Information modeling in the time of the revolution[J].Information Systems，1998， 23（3）：127-155.

[2] Lee Y T.An Overview of Information Modeling for Manufacturing Systems Integration[R].Manufacturing Systems Integration Division National Institute of Standards and Technology，1999.

[3] National Institute Of BuildingSciences. National Building Information Model Standard[S].2007.

[4] 交通運輸部公路科學研究院.公路橋梁技術狀況評定標準（JTG/T H21-2011）[S].2011.