基于BIM 技術的公路橋梁設計研究

文／杜盛平 南昌瑀城交通設計有限公司 江西南昌 330000

引言：

BIM 技術主要是搭建信息化建筑模型的一種技術，該項技術在建筑領域的許多方面得到廣泛運用，包括工程設計方面、工程管理方面以及工程建造方面，其有助于集成建筑信息，保證工程項目順利推進。本文主要針對BIM技術在公路橋梁設計中的應用進行了簡要研究。

1、公路橋梁設計中BIM 技術的優勢

公路橋梁項目逐步引進應用BIM 技術，利用該技術搭建出工程模型，再將實際參數信息導入到模型中，進一步分析施工要點。公路橋梁設計中應用BIM 技術的主要優勢包括下述幾點：

一是具有多角度可視化特征，能夠直觀地反映出工程實際情況。許多公路橋梁施工場地環境都十分復雜，即使是現場進行勘察也無法保證了解到全面信息，由此造成公路橋梁設計失準，但若是在設計中應用BIM 技術，就可以直接模擬公路橋梁施工場地地形條件，對公路橋梁的設計進行多角度可視化處理，為設計者明確各個部分的設計要點，有效提高設計質量，全方位展現出模型的效果（如圖1 所示），也為后續施工提供很多幫助。二是BIM 模擬具有多元化特點，通過對該項技術的了解可知，模型構建中可以模擬多種幾何形狀，也能模擬一些工程中的功能性構件，使其極為接近真實施工場景。三是具備了可出圖性特征，通過BIM 技術的應用會構建出三維立體模型，但也能夠二維打印成圖紙，生成圖紙之后能夠更方便把控設計精確性，研究細節設計，同時也能夠生成公路橋梁工程的材料用量清單。

圖1 BIM 全方位模型展示

2、公路橋梁設計中BIM 技術的具體應用方式

2.1 設計方案比選

BIM 技術作為新時期下公路橋梁設計工作的重要技術支持，實際運用時應充分發揮該技術可視化特性，將其應用于設計方案優選中，改變以往設計方案對比分析方式，以更為直觀、準確的方式驗證設計方案的科學合理性。

道路橋梁工程設計階段需要投入較大工作量，此時可以使用BIM 中的一款橋梁設計軟件，即Open Bridge Modeler，設計人員從Open Roads Designer 中獲取所需的土木工程數據，然后將公路橋梁工程的道路信息與地面數據導入至Land XML 文件。依托于BIM 技術的自動化與可視化功能作用，將在多種專業知識的運用下快速生成基于項目實際的工程設計決策所需信息，為公路橋梁設計提供有效支持，加快其設計速度。與此同時，將實景模型與BIM 方案模型進行有機整合，從直觀、專業的角度對公路橋梁設計方案進行剖析與評價，實現設計方案優選，確保方案內容合理、有效。

了解到傳統公路橋梁設計在確定設計方案中橋梁的具體位置與控高時，多數以工程所在區域的地質水文情況、施工現場情況、交通流量、通航情況等為基礎，然后通過約束路線在該節點區域的錄像技術指標對平曲線、豎曲線加以確定。然而采用的地形圖為1:2000，其所呈現的公路橋梁構造物與被跨越物體之間的位置關系較為模糊，難以準確表達方案的設計意圖。但是通過BIM 技術的運用，能夠清晰驗證上下結構選型、孔徑布置、通航情況，確保方案科學、合理。此外，還可以使用四維施工模擬技術，在數字化三維設計模型的基礎上構建以BIM 技術為基礎的4D 管理模型，模擬、預演施工過程，以此確保公路橋梁設計符合要求。

2.2 橋梁細節設計

由于當前城市化建設步伐加快，公路橋梁工程跨度、數量均處于明顯上升趨勢，項目難免遇到較難甚至是無法跨越的交通路線，此時將涉及大跨越式橋梁結構與模式，這給設計工作提出更高質量要求，常用的二維圖紙也難以表達橋梁復雜結構的位置關系。因此，BIM 技術還可以應用于公路橋梁細節設計。

（1）懸索橋設計應用

作為鋼橋的一種，懸索橋空間結構復雜，普通的二維圖紙難以細致描述其空間構型。設計人員在運用BIM 技術對其開展設計時，充分利用其可視化與三維立體模型功能，圍繞鋼桁架和索鞍建立三維模型示意圖，以此呈現設計細節，為后續施工作業安全、有序展開提供保障。

（2）預制鋼箱梁設計應用

預制鋼箱梁憑借其自重輕便、線型靈活等特點得到廣泛應用，但是其構件多，且尺寸不一，功能不同，具有較為復雜的內部構造。雖然二維圖紙能夠通過大量說明圖闡明設計意圖，但工作量較大，致使認為因素導致圖紙呈現不同程度的錯誤，進而給后續施工作業造成影響。因此，設計人員可以使用Pro Structure軟件精細化設計鋼箱梁，運用三維設計與結構設計相結合的方式模擬預拼裝，在設計階段對預制鋼箱梁進行嘗試性連接，以此發現設計不足、不合理因素并加以更改[1]。除此之外，還可以將此項工作與構件供應商進行有機連接，即將設計數據對接至數控加工機床，最終生成的單位信息模型直接供單位加工拼裝，大幅度提高公路橋梁設計質量、縮短溝通成本與時間的同時強化工程整體質量，為工程效益最大化目標的實現提供技術支持。

2.3 可視化交底

公路橋梁設計中BIM 技術的優勢在于能夠直觀呈現工作人員的設計意圖，并通過立體三維的方式呈現設計結構，標注施工設計重點。除了設計問題分析、結構調整等方面發揮BIM 技術的可視化特點，還可以利用這一優勢將此項技術應用于技術交底工作中，通過三維設計流程的直觀展示提升交底速度，確保各項施工作業的高質量、高效率展開。具體而言，將二維施工組織設計與施工作業指導書的關鍵步驟，運用BIM 技術制作成施工動畫，通過技術資料動態的方式完成交流與數較低，提高與施工單位的溝通效率與工程整體品質。隨著工程數量的增加，可以將典型設計或關鍵內容整理為分類鮮明的技術交底數據庫，當遇到類似公路橋梁工程項目時直接調取即可，實現設計經驗項目化、系統化，為相關作業提供指導與參考。

2.4 結構碰撞檢查

由于公路橋梁結構復雜，后期施工階段具有較多安全風險，為保證施工質量與效率，還應將BIM 技術應用于碰撞檢測環節，通過使用BIM 三維軟件中的碰撞檢測功能優化方案中的協同設計，具體檢測內容包括建構筑物、設備、路基、路面、水工管線、接地網等。在技術實際運用中，將上述檢測內容按照不同專業信息模型參考到同一模型中，整合后靈活選擇檢查對象。檢測前，設計人員應在BIM 技術平臺上對橋梁設計結構碰撞檢查規則進行合理設置，然后基于設計方案、立體可視化模型開展碰撞檢查，分析是否存在設計不合理部位。根據檢測生成的結果報表，設計人員應對其仔細查閱、核對，根據現行標準與工程需求對設計方案進行調整，確定調整思路后直接在BIM 模型內調整，即直接移動模型內管線，待檢測結果報表中各個碰撞點均調整完畢后，再次開展碰撞檢查，查看問題是否解決，直至符合要求位置。相較于以往的設計結構查驗，以BIM 技術為基礎的結構檢查操作簡單易行，公路橋梁設計圖紙質量與后期施工效率得到有效保障，實現安全風險的提早排查，保證工程整體安全質量。

2.5 施工模擬優化

借助BIM 技術完成公路橋梁設計工作后，可結合現有設計結果展開施工過程仿真模擬，了解設計方案在施工期間的具體表現，及時發現潛在隱患，杜絕設計失誤現象。第一，設備施工模擬。公路橋梁施工現場環境復雜，可按照實際情況搭建施工現場模型，并對設備運輸吊裝應用過程進行模擬，以此依據完成公路橋梁工程項目的設備運輸方案設計工作。此外，還可將方案內容轉化為動畫，動態演示設備運輸過程，立足于實際模擬情況分析方案可行性。基于BIM 技術對設備設計方案進行模擬可防止設備吊裝安全事故的發生，嚴謹性控制安全凈距，保障工程施工安全，最大限度地提升公路橋梁設計質量。第二，整體性模擬。以二維設計圖紙及三維BIM 模型為基礎，導入時間維度，根據公路橋梁結構設計及技術設計情況進行模擬，動態化演示整個施工過程，通過觀察分析判斷現有路橋設計方案是否存在不合理之處，及時發現問題并解決，避免施工期間更改設計而造成額外成本支出。將時間維度導入BIM 模型后，可進一步設計公路橋梁工程施工進度表，預演施工過程，并在此過程中詳細合作工程量，把控公路橋梁工程各類資源需求[2]。此外，還可精細化劃分時間維度，在此基礎上設置時間維度單元，以此時間維度單元為依據展開資源配置，以此實現公路橋梁資源的優化設計配置工作，降低資源損耗。在現代化背景下，公路橋梁設計期間不僅可引入BIM 技術，還可將BIM 技術與物聯網、大數據技術協同應用，模擬公路橋梁設計方案時，還可采用人機交互的形式展開實時調整，便捷化完整設計優化工作，不僅消除了潛在設計問題，還在一定程度上提高了公路橋梁設計質量。

3、基于公路橋梁設計實例的BIM 技術應用分析

3.1 工程概況

為增強本次研究實效，更為直觀地了解公路橋梁設計中BIM 技術的應用效果，本次以某公路橋梁工程為實例，分析BIM 技術在公路橋梁設計中的具體應用情況。案例公路橋梁項目全線152.251km，批復估算參數值為265.17 億元，在該項目中，共涉及115 座橋梁，全線96424.506m，并涵蓋一道隧道，該項目屬于典型的公路橋梁項目[3]。在前期規劃設計階段，案例公路橋梁項目迎合時代潮流更新了設計方式，引入了BIM 技術及相關軟件，旨在借助BIM 技術優勢，切實提升公路橋梁設計效果，杜絕設計誤差。

3.2 族庫設置

BIM 技術具有一定綜合性特征，其整合了不同專業領域，技術性較強。在公路橋梁項目中，為便于開展公路橋梁設計工作，需提前搭建符合公路橋梁工程項目實際情況BIM 族庫，涵蓋工程設計的各個方面，以此保障路橋設計效果。在案例公路橋梁工程項目中，主要包括道路結構、橋梁結構、隧道結構及其他輔助項目，故從上述四個方面設置了BIM 族庫。借助BIM 技術軟件設計公路橋梁時，可直接借助各族庫開展設計工作，并以族庫為依據劃分不同的公路橋梁結構部件，以此可避免BIM 構件混亂情況的出現。在實際設計過程中，設計人員可直接基于族模型文件展開參數化組裝設置，提高公路橋梁結構參數針對性，繼而保障了公路橋梁整體設計效果[4]。

3.3 搭建模型

應用BIM 技術設計公路橋梁時，應結合公路橋梁工程項目實際情況搭建BIM 模型，以可視化的形式呈現公路橋梁具體設計情況，并基于BIM 模型保障設計精度，使設計人員精準化把控設計要點，以此確保公路橋梁設計成果可切實指導施工作業。在BIM 模型搭建過程中為，可借助所設置的族庫文件構建模型，并基于公路橋梁各結構構件具體情況設計相對應的信息模型，完成不同構件的設計工作后，將各構件模型加以整合，以此即可獲得完整的公路橋梁模型。在此基礎上，從整體與局部兩個方面展開BIM 模型計算。從局部模型計算角度來看，設計人員需對比詳細參數指標及模型局部情況，以此精準化把控公路橋梁設計精度，而在整體模型計算過程中，需統籌分析圖形數據及模型結構信息，結合公路橋梁所在區域環境條件展開優化。公路橋梁設計是一項綜合工作，不僅需精細化完成結構設計，還需設計設備運輸、現場布置等內容，通過公路橋梁的設計工作全方位統籌把控項目實施過程。因此，借助BIM 技術完成公路橋梁模型構建工作后，設計人員需深入施工現場，整理施工現場信息，并以此為依據搭建施工現場模型，對施工現場區域結構進行劃分，通過公路橋梁施工現場模型，科學設計施工現場人員線路、設備運輸線路等，避免各類運輸線路碰撞問題的出現。

3.4 碰撞檢測

碰撞檢測是BIM 技術顯著特征之一，在案例公路橋梁工程項目中，則借助BIM 模型完成了碰撞檢測，檢查設計方案中的水工管線、路面路基、設備設施、構筑物、接地網，判斷其是否存在碰撞問題。將公路橋梁工程項目中所涉及到的不同專業領域信息模型進行整合，于BIM技術軟件內設置校驗規則，為便于設計人員調整優化，完成公路橋梁設計碰撞檢查工作后還可直接導出報表，以供查閱核對，精準定位碰撞點，若經檢測后發現碰撞管道，則可基于BIM 軟件進行修改，移動優化管線位置，簡便易操作，兼顧公路橋梁設計質量與效率[5]。

3.5 統計工程量

在傳統公路橋梁設計工作中，通常運用造價軟件、二維CAD 軟件計算公路橋梁工程量，工作量大，耗費時間長，且易出現工程量計算錯誤現象，不僅對公路橋梁實際施工作業造成影響，還會產生額外成本支出，不利于公路橋梁工程項目把控成本支出[6]。在案例公路橋梁項目中，設計人員完成BIM 模型搭建與初步設計工作后，在BIM技術軟件應用下完成了公路橋梁工程量的計算工作。借助BIM 模型設計公路橋梁過程中，設計人員已將公路橋梁相關數據完成了整合歸納，統計核算工程量時，可直接從BIM 軟件中讀取相關數據，并以可視化的形成呈現工程量數據。若在公路橋梁設計期間出現調整變更現象，材料數據相對地同樣會發生變動，以此大幅提高了工程量計算精準性。工程量是控制公路橋量工程項目成本造價的主要依據之一，基于BIM 設計統一工程量實現了定額參數與材料數據的整合銜接，消除了數據誤差，保障了工程量計算精度，為公路橋梁工程項目科學推進奠定了基礎。

3.6 仿真模擬

案例工程項目進一步借助BIM 技術軟件仿真模擬功能檢驗公路橋梁設計成果，從設備吊裝、材料運輸、現場傳輸線路等方面進行模擬，直接調用BIM 軟件內吊車模型庫、車輛模型仿真模擬設備吊裝過程，動態化檢測公路橋梁設備吊裝作業是否存在碰撞現象，以此有效規避了施工風險問題。此外，按照設計方案模擬腳手架等臨時設備的布置位置，對施工現場結構布局進行統籌設計，并以設計成果為依據真實預演施工過程，若有設計缺陷可直觀性呈現給設計人員。案例公路橋梁項目引入BIM 技術后，將施工進度計劃對接BIM 模型，結合工程工期要求將進度設計結果導入BIM軟件，并上傳項目期間天氣預測數據、材料供應信息等，在關聯整合所有資源基礎上展開施工模擬，同時按照進度控制情況分解BIM 模型，引入關鍵路徑法，對公路橋梁施工路徑加以優化，從不同角度提升了公路橋梁設計質量。

結語：

綜上所述，BIM 技術在公路橋梁設計項目中具有顯著優勢，不僅能夠改善現有設計方式，且可大幅提升公路橋梁設計質量與效率，保障設計精度，避免結構碰撞等問題的發生。在實踐應用過程中，可借助BIM 技術比選設計方案，做好細節把控，展開可視化交底與碰撞檢測，并能夠基于設計方案進行仿真模擬，以模擬結果為依據及時發現并調整公路橋梁設計缺陷，最大限度地保障了公路橋梁設計效果。