基于BIM技術的橋梁零號塊設計優化分析

宋滿榮， 金亞東， 何嘉軒

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

近年來，隨著經濟的快速發展，大型鐵路橋梁工程項目越來越多，三維及空間形態越來越復雜，因此橋梁的設計人員和施工人員面臨的挑戰也日益嚴峻[1,2]。當前，大型復雜的橋梁項目大部分還是基于CAD的二維設計，設計人員依靠空間思維進行合圖來分析設計過程中發生的沖突，以致施工方基于設計方的二維圖紙開展施工時經常遇到構件沖突等問題[3]。這不僅嚴重拖慢了施工的進度、増加了施工成本，還對施工的安全造成了影響。

為進一步提升鐵路連續梁施工工藝和施工質量管理水平，中國鐵路總公司工管中心于2017年8月14日頒布了《中國鐵路總公司工程管理中心關于推廣應用懸臂澆筑連續梁相關施工工藝的指導意見》，明確提出利用BIM技術，優化鋼筋及預應力套管間距，形成由梁面直達底板的豎向振搗通道，解決零號塊等底板混凝土振搗不密實、預應力套管定位不準確等質量問題。

連徐鐵路東起連云港西至徐州，正線全長180.03 km，總投資281.7億元，2017年7月全面開工建設，預計2020年12月建成通車。連徐鐵路段懸臂澆筑連續梁橋眾多，設計施工難度較大，在傳統施工模式下將會不可避免地出現施工質量問題、橋梁病害、施工工期拖延等問題。特別是零號塊，作為連續梁橋的主要承重部分，其結構形狀復雜、構件較多，在施工過程中容易出現振搗不密實、預應力套管定位不準確等問題，不僅影響了施工工期，也對施工質量造成了不利的影響。

因此，本文運用BIM技術仿真，對連徐高速鐵路連續梁零號塊進行精細化建模，包含混凝土模型、普通鋼筋和預應力套管等內容，并在此基礎上利用Navisworks進行了碰撞優化分析。

1 BIM參數化建模原理

運用Revit建模時，參數化原理是按照邏輯關系對構件進行模型創建，只需通過改變點、線等基礎參量的參數，就能對整體模型進行更改[4]。

先實現二維輪廓/截面的參數化，通過拉伸、放樣等方法形成參數化構件，再由構件之間的組合、交并、變換或排列等操作形成復雜的構件或結構。參數化建模便于用戶進行設計和后期修改，實現模型的快速創建，提高設計效率，已成為當前BIM建模領域的研究熱點，對BIM的發展具有推動性意義[5]。

2 參數化模型的創建

采用Revit軟件作為本項目的BIM核心建模軟件，在該軟件中局部參數化構件又被稱為“族”，依據橋梁局部構件在空間造型上的相似程度將其分類，構建成族，并形成族庫以方便模型的存取和使用[6]。橋梁零號塊為單箱單室直腹板截面，但在Revit軟件中只有房屋建筑中常用的結構梁，其屬性和功能不能很好地滿足橋梁構件的需求，因此在創建BIM模型時，應首先選擇合適的族樣板。本文通過對族樣板進行研究對比，選擇公制結構框架-梁族樣板作為基礎模板來創建梁族。本文首先創建箱型梁族，建立混凝土模型，然后布置普通鋼筋和預應力套管。梁族基本創建流程如圖1所示。

圖1 梁族創建流程

2.1 混凝土模型的建立

2.1.1 創建單塊模型

(1)打開公制結構框架-梁族樣板，去掉原有樣板的模型線和拉伸模型，添加梁族的左右輪廓邊界約束平面，創建參照平面。

(2)繪制梁的斷面輪廓。選擇中心(前/后)參照平面，使用放樣命令在中心線上繪制放樣路徑，選擇中心(左/右)參照平面為工作平面，根據梁的斷面結構繪制梁的斷面輪廓。

(3)為梁的斷面輪廓添加控制參數。在屬性面板里選擇“族類型”按鈕，選擇“添加參數”進入參數屬性添加面板，根據參數類型添加參數數據。

2.1.2 標注模型尺寸

在梁族類型中添加尺寸標注信息后，模型中自動創建相應的標簽，將具體尺寸標注與標簽進行關聯，最終形成控制梁斷面輪廓的控制參數。參數化結果如圖2所示。

圖2 參數化結果圖

2.1.3 生成單塊簡支箱并融合

通過拉伸最終生成的單塊簡支箱梁族模型，然后使用放樣融合功能創建，實現連續梁的整體連接，生成連續梁的零號塊混凝土部分。零號塊完整混凝土模型如圖3所示。

圖3 零號塊混凝土模型

2.2 布置普通鋼筋

建模前準確把握圖紙信息，校核圖面上設計尺寸；檢查鋼筋的種類、規格和數量；確定各個鋼筋的先后建立順序。

首先創建Revit鋼筋族構件，根據圖紙鋼筋大樣圖以及三維視圖繪制鋼筋并將其精確定位。通過Revit中的自定義族模塊，細化到每一根鋼筋模型的建立。

然后賦予鋼筋參數，為增加鋼筋族構件的靈活性，引入參數，通過調整參數的變化而達到模型尺寸的改變。布置好每一根鋼筋之后，再將其賦予材料及截面屬性，以便于后期整體模型的管理。零號塊普通鋼筋布置如圖4所示。

圖4 普通鋼筋布置模型

2.3 布置預應力套管

使用Revit建模軟件建立預應力套管模型，并通過對其模型參數化處理來快速建立預應力套管族庫。

首先創建預應力套管族構件，在族文檔中，使用放樣工具，建立第一個預應力套管。然后進行參數化處理，將第一個預應力套管參數化處理，由于預應力套管截面尺寸較為統一，在采用Revit自適應公制常規模型建立預應力套管BIM模型時，應采用設置自適應點作為結構線形控制點，并在自適應點垂直于線形的平面上以創建主梁參數化截面的方式來構件主梁的參數化模型。最后利用參數化建立剩余套管建好第一根預應力套管，其他預應力套管則可以通過在第一根預應力套管基礎上改變參數來得到。

3 基于Navisworks平臺的碰撞檢查

通過BIM技術建立模型，將模型導入Navisworks軟件中進行碰撞測試。碰撞結果可以直觀反映零號塊內部不同構件碰撞的位置,并且軟件會自動統計、自動定位，篩選符合規則的碰撞并輸出表格。

3.1 Revit導出Navisworks模型

Revit2016提供.nwc(.nwf)、IFC格式文件導出格式，通常導出的.nwc格式文件直接對接Navisworks2016軟件。其導入至Navisworks后得到的模型如圖5所示。

圖5 零號塊Navisworks模型

3.2 碰撞類型

為了方便各種類型預應力鋼索套管進行碰撞檢測及優化，本項目對縱向、橫向和豎向預應力鋼索套管碰撞進行分析。碰撞檢查包括縱向與縱向之間、橫向與橫向之間、豎向與豎向預應力套管之間；縱向、橫向與豎向預應力套管相互之間；預應力鋼索套管與普通鋼筋之間。

3.3 碰撞檢查

3.3.1 公差設置

在載入Revit模型后，單擊“工具”選項卡下的“Clash Detective”即沖突檢測工具。

在“設置”選項中的“類型”選項中選擇“硬碰撞”。“硬碰撞”指直接的幾何接觸，分別設置“公差”D，檢測碰撞公差可以分別設為大于1 mm、2 mm、5 mm、10 mm、30 mm或50 mm等。

3.3.2 碰撞結果展示

(1)縱向、橫向與豎向預應力鋼索套管內部無碰撞。

(2)縱向、橫向與豎向預應力鋼索套管相互之間碰撞很少。經過分析，只有縱向預應力鋼索套管與豎向預應力鋼索套管螺旋筋之間發生了1個碰撞公差為1 mm的硬碰撞。碰撞結果統計見表2。

表2 縱向與豎向預應力套管螺旋筋碰撞統計表

3.3.3 三向預應力套管與普通鋼筋碰撞檢查

通過Navisworks碰撞檢測分析可得，縱向、橫向與豎向預應力套管與普通鋼筋之間發生了較多的硬碰撞，公差為1 mm的碰撞共有443個,公差為2 mm的碰撞共有436個,公差為5 mm的碰撞共有377個,公差為10 mm的碰撞共有203個,公差為20 mm的碰撞共有26個,公差為30 mm的碰撞共有3個,公差為50 mm的碰撞共有0個。公差為10 mm的碰撞如圖6所示。以縱向預應力套管F1與普通鋼筋碰撞為例，統計不同公差范圍內的碰撞，見表3。

圖6 公差為10 mm的碰撞示意圖

表3 縱向預應力套管F1同普通鋼筋硬碰撞統計表

4 深化設計

碰撞檢查之后生成碰撞報告，對碰撞點進行分析分類，按照級別列出優化建議，級別為“現場可調”說明可進行現場或者預先調整，級別為“現場不可調”說明碰撞較為復雜，難以通過單純的現場施工進行調整，需要將碰撞點反饋給專業設計人員進行設計復核。

根據碰撞公差的分類，碰撞公差在1～5 mm，雖然碰撞數量較多，但是碰撞程度很小，基本可以忽略；碰撞公差為10 mm，碰撞程度較小，可在施工現場根據施工客觀環境在符合原設計意圖范圍內通過較小的鋼筋偏移來避免碰撞；碰撞公差在20～30 mm，碰撞程度較大，施工現場的調整可能會影響構件施工質量，需提醒設計院，在設計院無異議的情況下，方可進行現場調整；若碰撞公差在50 mm以上，碰撞程度非常嚴重，為了不影響施工質量，必須請設計院進行設計復核，由專業設計人員再對所對應位置的CAD圖紙進行深化設計，然后根據修改后的圖紙進行建模，再進行碰撞檢查，直到碰撞達到現場可施工的條件[7]。

分別以橫向套管標號和普通鋼筋碰撞公差為10 mm和20 mm為例，根據碰撞公差大小來給出優化建議，見表4。事實證明，在施工前進行優化設計，對后續高質量的準確現場施工可做出可靠的指導。

表4 碰撞結果優化設計示意表

5 結 論

本文針對研究需求,借助BIM軟件系統中的Revit軟件和Navisworks軟件的良好的信息化特性，以連續鐵路連續梁橋為工程背景，通過合理分塊建立單塊連續梁零號塊節段參數化模型，并通過修改參數快速建立完整的BIM模型，利用Navisworks軟件碰撞檢測平臺，進行碰撞檢查，及時發現普通鋼筋與預應力套管沖突碰撞等問題，全面實現了零號塊預應力套管綜合優化分析，主要研究成果如下：

(1) 以Revit為研究對象結合工程實例，研究分析了橋梁工程零號塊BIM建模的流程和方法，并建立了橋梁工程混凝土模型、普通鋼筋、預應力套管等構件的參數化族庫。對比傳統的建模方法，BIM參數化建模方式更具優勢。

(2) 通過對零號塊內部構件進行靜態的碰撞檢查，排除了設計過程中由于預應力筋、預埋件等構件空間關系復雜而導致的沖突問題，摒棄傳統工程建設邊施工邊發現邊處理問題的方式，及時進行修改調整，優化設計，減少施工中的返工次數。