BIM技術在空間曲線變截面橋梁設計中的應用

湖北省城建設計院股份有限公司，湖北 武漢 430051

BIM技術最早發展于歐美等國家，我國對BIM技術的了解和應用起步較晚，現階段BIM技術在建筑行業已經得到了廣泛應用，但在橋梁工程中的技術表現還不成熟。許多學者已開始了對BIM技術在橋梁設計中的研究，劉勇等[1]通過相關研究介紹了橋梁直線變截面的特點，以及Revit建模的優缺點；蔣維剛[2]通過程序編寫，開發了橋梁的信息模型系統，通過工程實例測試了該系統的實用性。通過以上學者的研究分析可知，我國對于BIM在橋梁中的應用技術還不完善，需要進一步提高。

1 BIM技術的優點

通過對比傳統設計方式與BIM技術的優缺點可以得出BIM技術的五大優點如下：（1）BIM技術的數字化使構件在進行修改時可通過調整參數進行，信息對模型的描述由二維上升到三維的形式。除了結構幾何特性的描述，還包括物理特性、材料特性等的描述[3-4]。（2）BIM技術可以應用于橋梁建設的全壽命周期，主要階段包括設計階段和運營階段。在整個過程中可以實現隨時對模型材料屬性、物理特性等的修改，以及工程量的變動。（3）BIM技術可以通過對施工現場條件的模擬以及材料統計來進行進度控制和成本估算。（4）BIM技術在進行變更時，能及時對信息進行修改并保存，項目的各參與方可以實時掌握變更內容和次數，使各方協調進行工作。（5）BIM技術能夠完成信息共享，這種方式可以使設計的各項數據通過各個平臺展現出來，使決策速度和質量得到提高[5-6]。

2 案例分析

2.1 工程概況

某箱梁橋梁全長637m，采用預應力T構箱梁，箱梁頂板存在1.5%的雙向橫坡。橋梁的樁號范圍為K8+080～K8+717，中心樁號為K8+318.5，橋梁下部結構主要形式為群樁基礎。行車道的設計荷載為城市-A級，標準橫斷面為2m人行道+8.5m行車道+2m人行道，安全等級采用一級，設計基準期為100年，行車速度為30km/h。

2.2 方案設計

該項目在進行方案設計時，利用BIM技術中的Civil 3D和Revit創建環境模型，主要信息應包括地形條件、地理環境等。利用Civil 3D軟件將經處理的等高線生成地形，并建立地質模型，然后對模型中的地面坡度、地面高程等進行分析。該地形可以導入Revit，生成數字三維地形。

通過Revit對橋臺、橋墩、主梁等創建族，然后將所有構件（包括三維地形）載入同一項目文件下，根據橋梁的結構位置拼裝成橋，最終橋梁經Lumion渲染后的效果如圖1所示。

圖1 橋梁效果圖

2.3 施工圖設計

施工圖設計的主要任務是給模型構件進行屬性定義，主要包括使用的材料、構件的尺寸等，然后建立LOD300的模型。該模型具有以下特征：（1）橋梁的構件歸于同一模型中，不僅有助于分析橋梁各個組件間的空間關系，還有助于發現設計缺陷，構件之間的相互沖突也可以被檢測出來，能給設計審核與審圖帶來較大的方便。（2）該模型所有各類平、立、剖三視圖都對應同一個模型，若發生設計變更，只需直接對模型進行修改即可，所有相關視圖都會隨著模型的更改而自動更改，極大地提高了施工圖出圖效率。（3）模型有助于統計相應的工程量，可根據定義材料的屬性和參數對工程量進行自動計量，輸出構件明細表。（4）LOD300模型還可制訂該項目的施工進度計劃，對施工進度進行模擬分析，根據分析結果來制訂施工組織方案，起到指導施工的作用。

3 橋梁結構計算

利用BIM技術進行橋梁設計可提高設計的效率和質量，改變設計方式，減少變更的次數和工作量。設計后應對成橋后的剛度、強度、穩定性進行相關驗算，保證其滿足相關規范要求。

橋梁進行結構計算時采用的永久荷載包括結構自重（主梁自重和二期恒載）、預應力鋼筋產生的荷載、混凝土自身的收縮徐變以及基礎變位（主墩0.02m、邊墩0.01m）。文章采用的混凝土和鋼筋的各項參數如表1、表2所示。

表1 混凝土參數

表2 預應力鋼筋參數

橋梁進行結構計算時采用的可變荷載包括溫度荷載、活荷載、風荷載、雪荷載。文章采用的橋梁組合設計如表3所示。

表3 橋梁荷載組合

3.1 上部結構計算

利用有限元模型構建結構靜力圖分析成橋狀態的應力，模型中的梁單元有242個、節點有317個、板單元有48個，計算結果表明，成橋狀態下主梁的最小壓應力為2.39MPa，最大壓應力為9.78MPa，且應力分布較為均勻。

3.2 主梁抗裂驗算

通過對短期效應組合下主梁正截面上、下緣應力以及收縮徐變10年后短期效應組合的最大拉應力進行計算可知，主梁截面下緣未出現拉應力，上緣只有中墩對應的截面出現了少許拉應力，該部分構件與橋墩剛性連接，桿系單元模擬該結構較為保守。

通過對成橋和成橋10年后組合4下主梁斜截面砼的最大拉應力進行計算可知，該組合下，斜截面最大主拉應力σtp為1.088MPa，該值小于混凝土軸心抗拉強度標準值1.096MPa，因此該值滿足設計要求。

3.3 剛度驗算

由相關規范規定可知，汽車荷載下的撓度值應小于220mm；由計算結果可知，構件在活載下的撓度最大值為36mm。當混凝土采用C40～C80時，撓度長期增長系數為1.35～1.45，C55的混凝土撓度長期增長系數為1.413，滿足設計要求。

4 結論

（1）BIM技術可通過參數調整實現數字化，輸出信息的表達可由二維上升到三維。在進行橋梁設計時，BIM技術可幫助提高工作效率，弱化專業間的銜接錯誤，減少設計變更，實現信息共享。（2）在進行方案設計和施工圖設計時，可充分體現BIM技術的可視化，通過LOD300模型對橋梁的構件進行碰撞、工程量統計和進度分析，結果表明原設計存在一定的不足。（3）對橋梁進行有限元分析，通過驗算不同荷載組合下上部結構、主梁抗裂性能以及剛度，結果均符合規范規定要求，基于BIM技術的橋梁設計力學性能符合規范要求。