技術創新讓天塹變通途

文｜本刊記者 汪莉莉

黨的十九大指出，經過長期努力，中國特色的社會主義進入了新時代，這是我國發展新的歷史方位。建設交通強國，是以習近平同志為核心的黨中央對交通運輸工作的充分肯定和高度信任，也是對交通運輸工作的高度重視和殷切期盼。相關數據顯示，目前我國公路橋梁數量已超過80萬座，高鐵橋梁累積長度超過1萬公里。橋梁已成為中國建造的靚麗名片。

隨著重大交通基礎設施建設的不斷完善，大型、特大型橋梁工程項目越來越多，這對橋梁設計與施工提出了更高的要求。橋梁工程項目的建設不僅涉及到復雜的地理環境，而且涉及多項復雜工程。目前，大型橋梁工程項目的設計通常還是依靠傳統的二維圖紙，并通過合圖來分析設計中存在的問題和沖突。然而由于橋梁工程自身的特點，其設計復雜、構件繁多，僅依靠傳統的二維圖紙很難提前檢測或發現設計中存在的問題，這些設計沖突往往在施工階段才能發現，從而影響了項目的建造進度和成本。

探索橋梁項目BIM應用路徑

BIM技術的出現，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，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、與構件的邏輯關系等信息。

以嘉魚長江公路大橋項目為例，該項目位于湖北嘉魚縣境內，路線起自洪湖市燕窩鎮團結村，接在建的武漢城市圈環線高速公路洪湖段，跨越長江后，止于嘉魚縣新街鎮，接在建的武漢城市圈環線高速公路咸寧西段，全長約4.7公里，大橋主跨920米，其中，跨越長江主橋長1.75公里，按雙向六車道高速公路標準建設，設計車速為100公里/小時，橋面寬度為33.5米，是目前世界上最大跨徑非對稱混合梁斜拉橋。2018年7月，嘉魚長江大橋南主塔成功封頂。

眾所周知，BIM技術的應用前提是建模，模型的深度和方式決定了BIM能為項目帶來哪些價值。對于特大橋工程而言，建設過程中利用BIM技術將帶來巨大的工作量，而要達到施工要求的模型精度，對于人力和計算機硬件的要求也非常高。

湖北省交通規劃設計院股份有限公司項目負責人陶辰亮表示，目前業內大多數的橋梁工程項目在BIM應用上選擇了先設計后建模的方式，整體模型的精度達到初步設計的要求，再根據項目的實際情況，選擇某些部分進行深入設計，這種方式會帶來大量的重復勞動。這種情況下，應用BIM技術投入大，但是產出非常低，這種BIM應用并不是湖北省交通規劃設計院想要的。湖北省交通規劃設計院希望應用BIM技術實時有效解決工程技術問題，并真正體現BIM的實際應用價值。

實際上， 對于橋梁工程而言，難以借鑒建筑領域成熟的BIM經驗，需要探索一套基于橋梁項目思路的BIM流程、語言、規則、標準和配套工具。特別是特大橋橋梁BIM項目，面臨體量大、構件雜等難題，在BIM應用的第一步建模上就困難重重。對此，陶辰亮認為，橋梁工程項目BIM應用需要找到一套提高橋梁BIM建模的方法，并著手形成一套BIM正向設計體系，在這個體系中建模效率是最重要的因素之一。通過在嘉魚長江公路大橋項目的BIM技術實踐以及對比驗證，湖北省交通規劃設計院找到了一條高效的橋梁BIM設計方案，并建立了一套設計體系，不僅大幅提高了設計項目的設計精準和設計效果，還為施工建設過程當中提供了可靠的指導和優化方案。

優化設計方案

大型基礎設施項目從立項開始，歷經規劃設計、施工、驗收、交付等諸多環節，在這漫長的過程中充滿了眾多不確定因素。應用BIM技術對項目進行設計、建造和運營，將各種建筑信息集合成一個整體，并使項目相關方能夠協同合作，不僅能為整個建筑行業帶來巨大效益，同時也可以使設計、施工、運營項目全生命周期以及工程質量和管理效率得到顯著提升。

針對嘉魚長江公路大橋項目，湖北省交通規劃設計院股份有限公司制定了完整的BIM設計流程，利用相關BIM軟件及企業自有平臺，涉及規劃、設計、施工一條龍流程。同時還制定了完善的BIM設計標準，包括項目實施指引、成果交付標準等等。

在方案選取之初，由于行業主管部門對嘉魚大橋跨越航道的嚴格要求，項目方案始終不能確定，因此在航道深紅線進行分析對比，綜合分析了洪水期、中水期、枯水期的橋梁情況，從而得出橋梁的主跨必須在650米以上。同時，結合主跨必須在650米以上的要求，加上航道管理和經濟性指標，項目團隊提出800米+200米的橋跨方案，雖滿足通航要求，但占用了較多的航道，并不是最佳方案。遂又提出了250米+800米+250米的方案，水域寬度達到1300米，也滿足船型的通航要求，對航道的影響也較小，但是對上行船舶的航行安全影響較大。多番對比后，最后選擇了920米+330米的設計方案，既為通航安全留出了空間，又滿足了行業主管部門提出的通航要求。在這一過程中，BIM技術極大的提高了設計效率，通過BIM模型為具體的設計方案提供可視化演示，優化設計方案，并將為后期實際施工現場的場地布置、人員配置，優化施工組織設計。

項目團隊將設計模型導入到專業的橋梁分析軟件中，繼續細化設計模型。橋梁模型的搭建和圖紙繪制，表格編制完成則代表BIM模型搭建的初步完成。為了實現這個目標，項目團隊通過軟件的二次開發，將適用的軟件由建模軟件自動特定路線上進行組裝，組裝完成后即可得到橋梁的整體BIM模型。

在工程的施工圖設計流中，按照工程模塊考慮，完成工程施工圖的設計。項目中所有的施工圖、工程統計表都是包含在BIM工程通用模塊中，連同工程說明一同在內。“現在看到的圖紙并不是實際項目的圖紙，而是通用的工程圖模板，一旦組裝好模型，這些圖紙就全部自動生成，這才是我們BIM正向設計的目標。”陶辰亮解釋道。

設計體系BIM模型不僅能夠導出施工圖，還可以導入力學軟件中進行分析，并在分析過程當中得到相應的應用圖，包括對拉索的分析，對于模型的分段檢測分析等。一直以來，鋼筋和應力鋼筋一直是橋梁工程的難題之一，往往造成大量的返工，通過BIM模型的搭建可以準確發現碰撞位置并進行優化設計。在嘉魚長江公路大橋項目的BIM應用過程當中，總共解決應力鋼筋等重難點碰撞問題上千處。

實現BIM正向設計

嘉魚長江公路大橋項目的一大創新是橋梁主體結構施工圖的BIM正向設計，此環節大幅提高了橋梁設計的效率，實現參數化、模塊化、結構化。參數化設計是BIM設計的重要指標，BIM是建筑信息模型，其中包括幾何信息和非幾何信息，參數化設計是賦予模型幾何信息的必要途徑，參數化設計不僅賦予信息模型，同時參數化程度與建模效率的高低成正比。陶辰亮表示，本項目完整的參數化體系能夠真正實現關聯設計，在模型上找到橋墩和線路關聯，混凝土結構與鋼筋相關聯，在項目中做到信息與模型關聯，模型與圖紙關聯，真正實現一處修改處處更新。

同時，嘉魚長江公路大橋項目還引進了制造業經典的設計理念——模塊化設計，這一理念也與國家正在提倡的工業化裝配式非常契合。模塊化設計有零件組成部件，部件組裝成標準模塊，從而形成項目模型。打破了傳統BIM施工圖設計標注線性處理繁復的瓶頸，大幅簡化了施工圖出圖流程，并降低了工作量。項目團隊將橋梁設計分為若干組的超強參數化模塊，設計時僅需通過模塊參數化、工程測試表，即可自動生成模型。

嘉魚長江公路大橋項目規模龐大，構件繁多，想要尋找某處細節模型無異于大海撈針。通過該項目的實施，湖北省交通規劃設計院積累了大量設計模型庫，其中標準模塊庫76種，包括橋墩、橋塔以及主梁。橋梁BIM結構化管理體系不僅解決模型使用性問題，還能通過控制，大幅優化模型性能，減少對計算機硬件的要求。在這套BIM設計體系下，橋梁工程師不必花費很大代價去學習BIM軟件，只需要學會工作流程，通過短期培訓就可以開展工作，大大提高工作效率，減少人員配置的要求，為工程師減負，從根本上優化橋梁設計人員的分配和分工。此外，在構件庫的管理方面，項目團隊進行了多層次管理，標準模塊可以靈活、迅速、精確進行變化，嚴格按照參數化、模塊化、結構化的標準體系施工，從而確保相關設計經驗逐漸積累成企業資源。

橋梁工程項目BIM設計目前仍處于起步階段，湖北嘉魚長江公路大橋項目，前瞻性地提出了系統化的橋梁主體結構正向設計原理和標準，在項目中開展了參數化和模塊化設計以及結構化管理的具體實踐，不但取得了良好的效果，積累了有益的經驗，同時也為BIM正向設計的發展做出了積極的表率。