基于BIM技術鋼混組合梁橋設計及施工的應用研究

張海林

（山西路橋第六工程有限公司，山西 晉中 030600）

0 引言

公路橋梁工業化、信息化和智能化是未來橋梁行業發展的新趨勢。BIM作為新興熱門技術，將它與橋梁全生命周期設計與管理理念結合，有助于推動橋梁產業向信息化技術的發展。鋼混組合梁橋具有受力性能好、施工周期短、便于工業化生產、經濟性能突出，且資源可回收持續發展的優勢，同樣是未來中小跨徑公路橋梁的發展潮流[1]。為實現鋼混組合梁橋高效設計、快速施工及便于管理，將BIM技術與鋼混組合梁橋建造方式相結合，采用設計、施工一體化的信息化建造模式，可全面提高橋梁的設計效率、施工速度，并有效降低建造成本，為實現橋梁產業向信息化和工業化方向轉型發展提供技術保障。

1 基于BIM技術的鋼混組合梁橋參數化設計

鋼混組合梁橋的BIM設計可按照傳統的初步設計、技術設計和施工設計3個階段依次進行，主要的區別是從傳統的CAD圖紙和分散的工程資料轉向為信息集成的BIM設計模型。創建設計模型時，可通過控制參數將各比選方案在同一個BIM模型中切換。以BIM全生命周期理念為基礎，通過虛擬模擬、AI等新技術的應用，BIM模型設計所包含的內容和深度都將遠優于傳統的設計方式[2]。現階段具體做法可通過BIM核心建模軟件創建參數化模型，并完成信息集成，以數字化模型為基礎，對模型進行二維平面出圖、工程量統計和碰撞檢測等深化設計應用，并為設計方與業主和施工方搭建起一個有效的數據交流平臺。

1.1 參數化BIM模型

針對鋼混組合梁橋構造特點，開發一個面向對象的BIM建模系統，將橋梁上、下部構件拆分，形成固定形式的構件對象。以Revit為例，面向對象稱之為族，由于Revit系列軟件主要針對房屋建筑行業，缺乏橋梁族構件[3]，因此，在BIM模型設計過程中，選擇合適的控制參數，分別創建參數化構件族，通過參數驅動模型幾何型體，并添加非幾何信息。將創建的構件族載入共享族庫中，根據工程實際需求從族庫數據中載入類似的標準化族構件，再利用共享參數調整構件的尺寸和空間位置，以及模型屬性信息，從而完成族構件的創建和橋梁BIM模型的建立，加快建模速度，提高設計效率。

圖1 參數化構件模型

具體做法是將創建好的族構件載入至Revit“鋼混組合梁橋”項目文件中，按照橋梁空間位置關系和邏輯關系依次拼接，創建完成后輸入項目相關的屬性信息，最終完成鋼混組合梁橋的設計BIM實體模型。模型具有高度的信息關聯性，調整其中任一構件的參數值，與它相聯系的所有參數信息都將實現自動更新，利用參數信息控制模型構造，實現模型調控智能化。

1.2 參數信息自動集成

BIM技術的核心是“I”，即Information（信息），實現橋梁全生命周期各階段的應用，需要在設計階段將各參數信息輸入到模型中，以達到參數信息的集成目的。

鋼混組合梁橋構件數量多，信息參數多類，若以手動方式在族構件屬性欄中將參數輸入到模型中，容易出錯且工作效率低，同時不易查找錯誤和調整，不符合BIM技術高效快速的理念，因此，本文嘗試基于Dynamo二次插件可視化編程，通過程序流方式快速地將參數信息數據批量錄入到設計模型中。Dynamo可通過可視化編程幫助Revit和Excel中的數據進行交互，實現信息的雙向傳遞，因此，可先在Excel中創建與族構件一一對應的參數信息，再利用Dynamo中的程序流將表中信息自動錄入到模型中。以鋼主梁為例，腹板、頂板、底板尺寸厚度、構件材質、極限應力大小、材料標號等參數都可以根據設計要求和取值范圍進行設置，如表1所示。

表1 項目參數值批量導入結果

當項目參數信息需要調整時，修改Excel中的參數值，重新運行Dynamo中的程序流便可實時數據更新，從而通過驅動模型參數信息值進行相應的調整，實現智能聯動效果，提高工作效率，減少錯誤和節約成本。

2 基于BIM技術可視化施工

2.1 虛擬施工分析

傳統的鋼混組合梁橋施工方式是通過二維平面圖紙和文檔資料反復查閱對比，并通過人工或電腦進行記錄和標記，而后再傳輸至現場進行指導施工。這種方式需要耗費大量的人力和時間，而且經常會出現“差、漏、錯、重”等情況，導致施工難以正常進行。現基于BIM技術可視化的重要特征，通過施工模擬提前分析橋梁整個建造過程，優化施工方案，用于現場指導施工工藝，并通過4D施工模型虛擬分析、控制施工進度。具體做法可通過設計單位向施工單位提供BIM設計模型及相關文件，施工單位對模型進行交互處理，并利用Navisworks等施工分析軟件創建BIM施工模型，實現科學精確的對接和管理。為實現BIM模型在鋼混組合梁橋施工階段最大化的利用，需要對已有的設計模型進行深化應用和開發，在3D的初始信息模型基礎上，定義施工階段的進度、成本、質量、安全等多維信息，建立nD-BIM信息模型，將BIM的應用從3D模型轉變到nD模型，使得橋梁多種信息聯合在一起，更好地模擬整個施工過程，以信息化的方式指導施工，并科學規劃資源和優化配置，節約成本，加快施工周期。當前在橋梁領域，已初步探索BIM的4D和5D模型[4]，即在3D信息模型基礎上根據施工方案定義時間參數，創建4D施工進度模型，通過施工不同階段以3D可視化的方式模擬分析橋梁的施工狀況，控制施工進度，在4D進度模型基礎上，定義現金流或成本預核算創建5D成本模型，按工程進度對建造成本進行動態模擬，從而達到科學管理、節約成本的目的。

2.2 施工信息化管理

為實現施工資料和信息模型的高度整合，并進行統一的管理，可借助施工管理平臺對施工階段進行信息化控制。以往是基于二維數據資料，具有很大的局限性，不易理解和溝通，當前引入BIM技術，將信息模型輸入到管理平臺中，通過不同建模軟件數據格式的交互，主要對導入的模型進行進度管理、各種文檔資料的管理、各環節流程和協同工作的管理，平臺對模型的屬性信息主動識別，并根據讀取到的構件編碼系統建立樹狀管理目標，第三方可通過選擇構件編碼、所在分類或直接點擊查看具體的信息[5]。

施工管理平臺將業主、設計單位、施工單位以及其他所屬部門的項目信息錄入到系統中，根據實際要求和規定設置訪問權限，并將項目流程展示在平臺不同的操作界面上，依據施工方案分配至各個階段的參與人員，實現鋼混組合梁橋的施工全過程協同作業。

3 工程應用

3.1 項目背景

龍馬洪水河特大橋位于廣西壯族自治區來賓市忻城和興賓區交界處，由南至北，跨越紅水河，主橋跨徑為180 m。為減輕自重和避免腹板開裂，主梁采用波形鋼腹板的鋼混組合結構，由于結構復雜和工程信息量大，項目設計難度加大，平面出圖協同度要求高，因此在橋梁建造過程中引入了BIM技術，并快速高效地完成了該橋梁的設計應用和運維階段的信息化管理。

3.2 參數化設計

采用橋梁BIM核心建模軟件實現建模過程全參數化控制，主要做法是通過修改列表的參數值控制整個模型的尺寸和空間位置。對于主梁波形鋼腹板，具體做法是先設定鋼腹板長度和鋼板厚度為控制參數，而后將鋼腹板上、下緣定位曲線作為定位幾何元素輸入，并由定位曲線決定鋼腹板高度空間位置。設計過程中，利用批量化出圖工具實現鋼混組合梁的二維出圖。模型中的各類構件可進行碰撞分析，導出碰撞報告，并及時調整參數，達到優化結構模型的目的。

3.3 構件編碼信息化

為了讓BIM模型在運維階段方便協同檢查，發揮更大的作用，依據公路橋梁技術狀況評定標準對橋梁構件進行分類編碼，并進行項目信息的集成，實現智能高效管理。此外，利用輕量化模型進入協同平臺實時流轉，方便審查者實時地查看和批閱。

4 結語

BIM技術被稱為當今建筑行業最新的技術變革，它與互聯網、計算機技術緊密結合，能有效整合傳統工程項目的信息資源，其必然會給橋梁行業的生產模式帶來革命性的變化。本文將BIM技術與鋼混組合梁橋相結合，對橋梁BIM核心軟件進行了比較分析，現階段Revit軟件可基本滿足鋼混組合梁橋的建模需求。提出了基于BIM技術在設計階段的參數化建模和深化設計應用方法，并引入Dynamo插件進行信息的可視化編程，通過程序流的方式實現參數信息值的自動錄入，對橋梁施工階段BIM模型可視化應用和信息化管理、運維階段橋梁的養護和維修模式等不同階段進行了探討研究，并通過工程實例驗證了基于BIM技術實現鋼混組合梁橋參數化設計和信息化管理的可行性，可為最終實現BIM技術在鋼混組合梁橋全生命周期的應用提供借鑒，有利于鋼混組合梁橋向工業化和信息化模式的轉變，同時在橋梁BIM技術中也具備一定的參考價值。