BIM技術在橋梁設計階段的應用研究

王江龍

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引 言

我國BIM技術起步晚，但崛起快，當理論系統形成后快速應用到各個行業中，加快我國數字化建設的腳步。BIM技術在橋梁建設中的應用已經滲透到各個方面，如橋梁設計，成本控制，施工優化，耐久性評估等。所以我國很多學者不斷研究BIM技術理論，希望將該項技術廣泛應用。

1 BIM技術在橋梁設計中優缺點

1.1 BIM技術的優點

BIM是Building Information Modeling的縮寫，中文解釋為建筑信息模型。基于BIM技術的信息共享功能，可視化功能，各專業可共同工作的功能，使設計工作的效率和質量有了明顯改善和大幅度提高。避免了專業之間的信息傳輸中斷，計算誤差，減少了設計變更的工作。增加了團隊的工作效率。在橋梁設計工作中BIM技術已經實現的技術應用有：(1)三維可視化，參數化的設計。(2)專業協同工作，信息資源共享，避免了專業之間的隔閡。(3)實現了工程量核算以及圖紙的校對。(4)基于BIM平臺，性能化分析較為系統。傳統方法進行橋梁結構受力分析時只是依靠有限元軟件進行模擬和數值分析，基于BIM平臺的受力分析有ansys，Midas，Abaqus等，通過與BIM軟件共享接口后使建立的模型可以直接在分析軟件中應用。

1.2 BIM技術的不足

新技術的運用，新產物的誕生都會有利有弊，BIM技術的發展是一個長期的持久的研究和改善的過程，目前我國的BIM技術在橋梁設計中的研究還處于初級階段，在各方面還存在一定程度的不足，主要表現在以下方面：

(1)前期成本高：橋梁設計時不僅需要利用BIM技術，還需要利用BIM技術的人才，我國現階段對BIMer的培養程度還不夠，技術利用率較低，購買軟件以及后期升級等服務的費用較高，綜合短期投資分析BIM技術的推廣有一定困難。

(2)模式轉變困難

傳統的橋梁設計方法已經深入人心，對于設計流程和工作程序駕輕就熟。對于設計院而言BIM技術如果達不到客戶的滿意程度不僅影響設計進度和效率還會影響設計院的經濟效益。對于工作人員來說固有思維限制了BIM的理解和運用，橋梁設計工作從二維向三維的過渡，從離散型設計向集成化轉化改變了工作的性質，思維模式轉變存在局限性。

(3)BIM工作軟件的不成熟

BIM在橋梁設計中的應用是參與整個項目的全壽命周期，在整個過程中專業之間的配合以及軟件之間的端口銜接都還不夠完善，需要進一步調整和研發。族庫可以大大提高BIM建模的效率，但是目前的族庫還不能完全滿足橋梁設計時構件的需要，尤其是異性結構的構建，族庫很難實現物理參數，幾何尺寸，受力特性等互相匹配。

2 BIM技術在橋梁設計中的應用

橋梁設計一般包括三個階段：初步設計、技術設計、施工圖設計。橋梁設計更注重的是橋梁的安全性和耐久性，所以橋梁在設計時工作任務重。修改和后期變更依據條件反復修改平面圖紙，調整模型進行計算，這樣嚴重影響工作效率。而BIM工作方式是以數字模型為基礎，通過調整模型結構即可完成設計中遇到的問題。在實際設計工作中BIM實現的程度和應用如下所示。

2.1 快速建模

BIM的建模方式是通過族庫建立一些小構建，然后將這些小構建按結構順序拼成整體結構。模型建立過程中族的運用是關鍵，同類或者相似構建可以創建同一個族，并加入屬性如構件的幾何尺寸，形狀，材質等，運用時可以對相應的物理參數進行修改即可完成模型的建立。

BIM的建模軟件revit與SU相比，添加了材料和構件的各種屬性，將構建進行了參數化的設計，這樣revit在后期修改過程中只需要調整參數即可，大大降低了無效工作。

2.2 模型計算

橋梁受力分析時即要進行整體結構的分析也要對局部構件進行分析，所以在設計時對橋梁模型的計算難度很大，進行整體分析時，主要依靠橋梁博士和邁達斯等進行，對局部進行分析時，主要使用的軟件有Ansys，Abaqus等。目前BIM平臺主要通過同一個端口將建模軟件和分析軟件結合應用，但這種技術還不成熟，現階段的橋梁受力分析還是依靠單獨的軟件來完成。

2.3 工程量統計

工程量統計主要是通過圖紙和表格的數量人為進行一一對應，分類統計。二維圖紙對于工程量的統計最大缺點在于單位易混淆，量表和圖紙不對應，構件分類困難。造價員根據分類的圖表進行進行工程量的計算。以上過程數據在傳遞過程中出現的誤差和錯誤會影響整個工程量統計的過程，一旦進行修改和調整，花費的時間會很長。

BIM建立的模型通過帶有參數的局部結構按橋梁的建設順序拼裝的，每一部分結構都有自己的特定屬性，所以系統可通過結精確的計算出每部分的工程量。

3 案例分析

3.1 工程概況

本文依托于某地剛構橋，利用BIM技術對該橋梁進行設計，橋梁基本結構如下：

(1)該橋的橋梁全長為345 m，主橋為三跨一聯的預應力混凝土結構，下部為矩形鋼筋混凝土墩體。

(2)橋梁上部結構采用單箱單室變截面箱梁，中點支點處梁高8.0 m，主跨跨中梁高為4.0 m。箱梁頂寬10.0 m，底寬6.5 m，箱梁兩側懸臂板長度均為2.0 m，懸臂端部為60 cm厚。箱梁底板厚度40～150 cm，腹板厚度范圍在40 cm～60 cm。

(3)下部結構墩體采用矩形鋼筋混凝土，承臺采用矩形混凝土結構，尺寸為10×8.0×3.0 m。

3.2 方案設計

通過BIM的建模軟件revit對該橋梁進行三維模型建立，通過調整梁高，截面等參數使結構合理，滿足要求。然后利用Infraworks建立線位附近的三維地形，將revit已經建立的橋梁模型導入，通過進一步調整參數使橋梁適應地形并滿足自身結構要求，如孔徑跨度、通航能力、安全耐久性。該階段可將模型導入、Navis Works、Lumion內渲染效果圖，如圖1所示。

圖1 橋梁效果圖

3.3 施工圖設計

施工圖設計與方案設計的不同主要在于施工圖設計的任務是為橋梁建立信息模型，將橋梁的控制截面族，墩臺族，地形圖，地質條件數據加載到revit軟件當中，并在按上文流程已編程好的Dynamo代碼的輸入端選取以上載入的數據源，即可初步生成本項目三維模型。

鋼筋設計時需要在在項目中加載對應的族庫，根據設計要求和規范規定利用Dynamo批量放置鋼筋，通過自適應族來放置預應力鋼筋。

地質模型的建立和修改根據地勘提供的資料進行模型的更新，并結合規范規定以及地質的實際條件來修改橋梁的下部結構，如樁基，承臺的高程和位置等。地質模型如圖2所示。

圖2 地質模型

當路線指標發生變動或者線位進行調整時，可通過數據來更新橋梁的設計中心線，然后保存現有數據將橋梁模型進行更新。BIM技術的應用使橋梁設計時遇到的修改和變更變得方便簡單，大大的提高了工作效率，節約了工作成本，這就是數字化，信息化對橋梁設計的幫助。

通過BIM技術在橋梁方案設計和施工圖設計階段的應用可以看出，BIM技術在橋梁設計的各個階段都有很好的表現，主要表現為精度高，效率高等。模型可根據項目的需要進行刨面，得到任意角度的二維平面圖，還可以精確的統計工程量以及進行模型計算。為項目的全壽命周期提供了有效的設計成果。

4 結 語

本文主要通過BIM技術在橋梁設計工作中的優缺點，以及現階段BIM技術在橋梁設計中的應用程度進行分析研究，得到：BIM技術的數字化，程序化，信息化給橋梁的設計工作帶來了很多便捷之處，參與了整個項目的全壽命周期，縮短了設計時間，提高了工作效率，使橋梁設計更加完善和精準。但是BIM技術現在還處于發展的初級階段，技術還不夠成熟，體制還不夠完善，需要對程序進行二次開發才能使BIM在橋梁設計工作中發揮更有效地作用。