橋梁工程BIM輔助設計應用探析

代少凱 張 堅 唐超龍

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550000)

新型基礎設施建設(簡稱新基建)，是智慧經濟時代以新發展理念為引領，以技術創新為驅動，以信息網絡為基礎，面向高質量發展需要，提供數字轉型、智能升級、融合創新等服務的基礎設施體系。新基建背景下交通建設數字化、智慧化的技術發展趨勢等成為行業關注的焦點。

建筑信息模型(building information modeling,BIM)是在建設工程及設施全生命期內，對其物理和功能特性進行數字化表達，并依次設計、施工、運營的過程和結果的總稱[1]，新基建背景下的交通建設數字化、智慧化是基于BIM的大數據應用。傳統交通工程設計一般多為二維設計，從設計到建造運維為線性流程，若有設計數據變更，因無法及時取得圖面數據，在后期執行和管理過程中信息均有所缺失。BIM技術的引入在理想狀態下是提供一個三維可視化、動態更新可協作的共享知識資源，現在BIM技術在交通工程行業的應用方興未艾，受限于行業整體信息化應用水平和具體三維設計軟件工具[2]，完全轉型為基于BIM技術的三維數字化設計及進行工程全生命周期順暢的數據流轉應用對行業具有很大的挑戰性。筆者團隊經過多個項目探索，提出在不脫離傳統設計優勢前提下的BIM輔助設計加“數據中臺”的落地應用方法，下面通過具體橋梁設計案例介紹該方法的實際應用和數據流轉應用思路。

1 工程概況

某橋橋位橫跨典型的深“V”形峽谷，峽谷兩岸巖石建造類型以碳酸鹽巖硬質巖為主，地形上為峰巒連綿起伏的山體，地勢險峻。場區最高點位于河谷左岸山脊，最低點位于河谷谷底，相對高差達1 240 m，橋軸線距離地面高高差為1 241～1 715 m，相對高差474 m，橋面至河面高差320 m。其中一側橋軸線附近地勢總體為整單斜坡，植被不發育，基巖露頭良好，局部地段分布有崩坡堆積，自然坡度32°～55°，平均坡度40°，另外一側軸線附近地形極為陡峭，自然坡度70°～80°，平均坡度75°，地勢嚴峻給方案和施工圖設計增加了較大難度。

2 BIM技術輔助設計

在方案團隊和施工圖設計團隊按照傳統設計流程進行設計推進的同時，項目團隊在前期即詳細策劃了BIM技術在設計流程中有針對性地進行輔助協同設計，在發揮傳統設計優勢的前提下更好地完成項目成果交付[3]。在設計階段主要策劃了勘察及方案輔助設計、三維節點方案評審、顏色方案比選、設計圖紙驗證及三維施工圖交底四點價值應用，輔助設計團隊高效進行重難點決策和高質量交付。

2.1 勘察及方案輔助設計

首先，通過無人機完成大比例尺地形圖測繪，對岸坡進行三維激光掃描，查明巖體結構面的分布規律、密度、彼此交切情況及咬合狀態；然后采用WGMD-9高密度電法儀、EH-4(II)大地電磁儀、鉆孔電視設備和鉆孔聲波設備等設備進行物探試驗，對場地的穩定性進行綜合判斷。并根據一岸地形陡峻近似絕壁的實際情況，創新性地采用一岸無塔的懸索橋結構。該項設計取消了一岸主塔及主纜邊跨，于山體中設置滾軸式組合索鞍，由滾軸式組合索鞍實現轉索及散索，將主纜錨固于山體中。大幅度減少了該岸邊坡開挖防護工程量，具有顯著的經濟效益。其BIM地形模型及橋型示意圖見圖1。

圖1 BIM地形模型及橋型示意圖

2.2 三維節點方案評審

該橋隧道錨位置經多次方案比選，最終確定設置于接線隧道下方，且將隧道錨錨室外偏2.263°，減小與接線隧道施工及運營期的干擾，隧道錨三維模型見圖2。由于地形陡峭，隧道錨無法按常規施工方案進洞，經設計人員結合BIM模型反復優化，選擇采用200 m施工橫洞輔助隧道錨進洞方案，這樣纜洞可由內向外出洞，基本實現零仰坡，隧道錨進洞三維方案模型見圖3。

圖2 隧道錨三維模型

圖3 隧道錨進洞三維方案模型

團隊根據以往隧道錨塞體會出現不同程度積水的情況，結合BIM模型將一側隧道錨通過加修排水隧道的方式進行排水，排水隧道三維模型見圖4，對另一側隧道錨后錨室積水通過埋管引排至隧道排水系統后排出，隧道埋管引排三維模型見圖5。

圖4 排水隧道三維模型

圖5 隧道埋管引排三維模型

2.3 顏色方案比選

基于BIM模型輔助業主進行該橋體著色的方案比選，輔助業主從10種顏色方案中快速決策，最終選定10號中國紅方案，橋體顏色方案比選設計圖見圖6。

圖6 橋體顏色方案比選設計圖

2.4 設計圖紙驗證及三維施工圖交底

通過LOD3.0深度模型的建立，在公司QEO設計質量控制流程的基礎上又增加了一道系統圖紙校審。在施工圖設計交底時，通過交通組織模擬，使參建各方以全局視角和人視角提前感受大橋建成后的行車狀態，不同視角交通組織模擬見圖7。

圖7 不同視角交通組織模擬

設計師運用BIM輕量化模型向各參建單位闡述設計重難點，提高了溝通效率。

3 BIM技術拓展應用

BIM技術的核心是數據協同共享集成應用，二維傳統設計的不足在于數據信息在各個階段是離散的。該項目BIM團隊在完成輔助設計的同時實現了“數據中臺”的BIM數據集成應用方法，即在常規設計流程中按照后期數據流轉需要統一組織模型構件信息，如常用的工程量信息和施工時間參數信息等，通過構件ID編碼映射的方式將屬性信息從三維設計的軟件工具中剝離，形成不依托單一BIM軟件工具的數據庫。由于現在過度依賴國外BIM產品工具，在國產BIM軟件工具沒有成熟的大背景下減輕對國外壟斷BIM產品的依賴具有重要意義。該項目在工程量提取和施工模擬參數掛接2個應用場景的實驗測試中取得了初步成果，基于“數據中臺”的數據流轉流程見圖8。

圖8 基于“數據中臺”的數據流轉流程

3.1 工程量數據統計

通過在Excel表格和模型中預設協調一致的構件編碼ID建立映射關系，工程量數據可以和Excel中數據實現雙向互通。同時通過對每個模型構件進行標準編碼，方便后期BIM信息化平臺落定后與平臺順利對接設計工程數據，模型中掛接構件ID編碼見圖9。

圖9 模型中掛接構件ID編碼

3.2 基于構件的施工模擬

業主方和施工方基于標準化的設計模型，通過各自預排布的時間進度表單與BIM模型外部數據信息表ID編碼對應，較快速地完成了在專業進度模擬軟件中關于雙方形象進度的對比，對施工組織合理安排和形象進度的模擬展示具有很好的輔助作用，BIM施工模擬見圖10。

圖10 BIM施工模擬

3.3 BIM構件庫及數據中臺庫

通過多個項目實踐的積累可逐步完善橋梁構件庫和外部數據中臺庫。基于Revit的橋梁構件庫見圖11，該功能顯著地提升了同類工程BIM輔助設計的效率和數據標準化程度[4]。數據中臺庫同時作為數據備份為后期數據流轉做好了基礎，也為應急情況下切換BIM應用平臺提供了有力保障，基于Revit的橋梁構件庫界面見圖12。

圖11 基于Revit的橋梁構件庫

圖12 數據中臺屬性分類表界面(以樁基為例)

4 結語

在新基建政策推廣的背景下，交通工程的數字化應用是大勢所趨，工程數字化應用的基礎是數據的標準化。以工程現實問題為導向，在發揮傳統設計工具成熟應用的的優勢前提下兼顧BIM新技術的應用，不失為現狀條件下BIM技術落地應用較好的方法。BIM輔助設計的同時需要做好過程數據集成和解構，通過獨立“數據中臺”的應用積累逐漸形成企業的標準化數據庫，以較小力量點燃不同業務板塊數據中臺標準化的“星星之火”，再解決不同業務板塊的數據聯通問題，達到行業基于傳統技術優勢穩步推進不斷改良，開辟基于BIM數據應用的目的。