基于B I M技術的預應力變截面橋梁參數化設計

朱俊

（廣州市市政工程設計研究總院有限公司，廣州510000）

1 引言

BIM技術最早發(fā)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(yè)已經得到了應用，但在橋梁工程中的技術表現還不成熟。所以，我國學者開始了對BIM技術在橋梁設計中的研究。劉勇[1]等人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(yōu)缺點；蔣為剛[2]通過程序編寫，對橋梁的信息模型系統(tǒng)進行了開發(fā)，通過工程實例測試了該系統(tǒng)的實用性。通過以上作者的研究分析可知，我國對于BIM技術在橋梁中的應用還不完善，需要進一步提高，所以，本文研究方向仍具有很重要的意義。

2 B I M技術分析

2.1 B I M技術優(yōu)點

通過對比傳統(tǒng)設計方式與BIM技術的優(yōu)缺點可以得出該技術的5大優(yōu)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]。

2）BIM技術可以應用于橋梁建設的全壽命周期內，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(tǒng)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(xié)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。

2.2 B I M技術缺點

BIM技術作為一項新研發(fā)的技術，在誕生階段既存在優(yōu)點也存在不足之處。BIM技術想要取得較好的發(fā)展，應進行不斷的研究和改善，這是一個長期的過程。現階段BIM技術主要應用領域是建筑行業(yè)，在公路橋梁的設計中應用較少，目前還處于摸索階段，技術水平存在一定的不足，主要表現在以下方面：

1）成本高。橋梁設計既需要人才還需要技術，但是，BIM技術的研發(fā)尚處于初期階段，人才培養(yǎng)更是落后，技術的利用率較低，軟件的后期升級費用較高。對人員與技術進行綜合分析可知，BIM技術想要普遍使用具有一定的難度。

2）模式轉變困難。傳統(tǒng)的橋梁設計方法首先被使用，且使用年限較長，人們會產生先入為主的心理，設計人員對于傳統(tǒng)的設計觀念和設計手段較為熟悉，技術掌握駕輕就熟。BIM技術尚且存在較多缺點，當設計要求達不到業(yè)主的要求時，要進行修改，這樣會嚴重影響設計進度和經濟效益。設計人員的固有思維限制了BIM技術的運用，設計維度由二維轉向三維，由平面升級成立面，改變了工作的性質，思維轉變存在一定的局限性。

3 案例分析

3.1 工程概況

本項目為某箱梁橋，橋梁全長為637 m，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,橋梁的中心樁號為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，標準橫斷面為人行道（2 m）+行車道（8.5 m）+人行道（2 m），安全等級采用一級，設計基準期為100 a，行車速度為30 km/h。

3.2 方案設計

本項目在進行方案設計時，利用BIM技術中的Civil 3D和Revit創(chuàng)建環(huán)境模型，主要信息應包括地形條件、地理環(huán)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、主梁等進行創(chuàng)建族操作，然后，將所有構件（包括三維地形）載入到同一項目文件下，根據橋梁的結構位置進行拼裝成橋。最終橋梁經Lumion渲染后的效果圖如圖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[4]：

1）橋梁的構件歸于同一模型中，有助于分析橋梁各個組件間的空間關系，有助于設計缺陷的發(fā)現，構件之間的相互沖突可以被檢測出來，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(fā)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）模型有助于進行相應工程量的統(tǒng)計，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[5]。

4）LOD300模型還可制定該項目的施工進度計劃，對施工進度進行模擬分析，根據分析結果來制定施工組織方案，起到指導施工的作用[6]。

4 橋梁結構計算

利用BIM技術進行橋梁設計時，提高了設計的效率和質量，改變了設計方式，減少了變更的次數和工作量。在進行設計后應對成橋后的剛度、強度、穩(wěn)定性進行相關驗算，保證其滿足相關規(guī)范要求。

橋梁進行結構計算時采用的永久荷載有：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002 m、邊墩0.01 m）。本文采用的混凝土和鋼筋的各項參數如表1和表2所示。

表1 本文采用的混凝土參數

表2 本文采用的預應力鋼筋參數

橋梁進行結構計算時采用的可變荷載有：溫度荷載、活荷載、風荷載、雪荷載。

本文采用的橋梁組合設計如表3所示。

表3 橋梁荷載組合

4.1 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(tài)的應力。模型中的梁單元有242個、節(jié)點317個、板單元48個。通過計算結果表明：成橋狀態(tài)下主梁的最小壓應力為2.39 MPa，最大壓應力為9.78 MPa，且應力分布較為均勻。

4.2 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 a后組合4（見表3）的荷載組合作用下主梁斜截面混凝土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1.088 MPa，該值小于0.4倍混凝土抗拉強度標準值（1.096 MPa），所以，該值滿足設計要求。

4.3 剛度驗算

由相關規(guī)范規(guī)定可知，汽車荷載下的撓度值應小于220 mm，通過計算結果可知，構件在活載下的撓度最大值為36 mm；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。

5 結語

1）BIM技術可通過參數調整實現數字化，輸出信息的表達可從二維上升到三維。在進行橋梁設計時，BIM技術提高了工作效率，弱化了專業(yè)間的銜接錯誤，減少了設計變更，實現了信息共享。同時，也存在成本高、思維模式轉變困難的缺點。

2）在進行方案設計和施工圖設計時，充分體現了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(tǒng)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，驗算結果均符合規(guī)范規(guī)定要求。通過結構計算表明：基于BIM技術的橋梁設計的力學性能符合規(guī)范要求。