基于SolidWorks的橋梁BIM技術研究

張興凌

（鹽城市交通規劃設計院有限公司，江蘇鹽城 224001）

0 引言

社會經濟與科技的發展帶動了我國各地的建設步伐，這不僅改善了人們的生活，提高了生活品質，還為交通行業的發展帶來了全新的動力與挑戰。其中BIM 技術的發展將會為交通行業注入新的動力，能否將BIM 技術落實到行業內各個環節是重中之重，其中設計環節更是首當其沖。

1 BIM 定義

《美國國家建筑信息模型標準（第三版）》（National Building Information Model Standard，簡稱NBIMS）對BIM 進行了相對全面、系統的定義，BIM 是指借助先進的數字技術開展工程項目的設計、施工與運營等工作，這些工作的成果會構成一個豐富、多維的項目信息模型，簡稱BIM 模型。參考以上定義，認為BIM 技術所倡導的理念并非完全新興的事物，現階段的工業產品制造行業，正在使用類似的技術理念。利用AutoCAD、CATIA、Rino 等軟件進行產品三維設計的普及率已經相當高；在生產過程中借助這些軟件設計的三維模型，無需二維圖紙就可借助CNC 加工（數字化控制精密機械加工）或3D 打印技術生產出來。更重要的是，參數化設計、信息平臺、三維展示以及力學分析等技術在設計、制造、運維等環節的應用早已相當成熟。

早在20世紀70年代，法國達索公司的三維設計軟件就被應用到陣風戰斗機設計中。在我國，一汽集團、成飛集團等企業也很早就使用了平臺化設計制造技術，芯片行業的數字化技術也十分先進。由此可見，單從概念上來說，可以嘗試將BIM 技術的推廣，理解成將工業領域先進、成熟的數字技術合理遷移到土木工程行業中。

2 基于SolidWorks 的橋梁設計BIM實例

第一，SolidWorks 是法國達索系統（Dassault Systemes）研發的產品，是世界上第一個基于Windows 開發的三維CAD 系統，其為設計、工程、制造和產品數據管理等各個領域提供了全產品生命周期系統。

第二，331 省道是江蘇省規劃東西橫向線路的“橫十”，線路名稱為丹寶明線，路線起點位于國道228，終點為蘇皖界，規劃里程267km。結合位于331 省道鹽城段護龍河上的橋梁項目，對BIM 技術的應用進行研究。該橋梁跨徑20m，斜10，上部結構是預應力混凝土空心板梁，下部結構是薄壁橋臺，橋臺兩側采用扶壁式擋土墻。采用SolidWorks 軟件進行設計，通過拉伸、切除、陣列等工具進行真實尺寸建模，圖1為SolidWorks 軟件在該工程項目中的建模結果。

圖1 參數化建模效果

3 基于SolidWorks 橋梁設計的效果

3.1 全過程可視化

傳統的設計多以二維圖紙為主，通常用三視圖的畫法來表達構件之間的關系，這需要業主、設計、施工、監理等工作人員具備足夠的經驗和良好的空間想象力，而在一些復雜情況下，尤其是涉及異形鋼筋結構，傳統方法很難完全表達出設計意圖。而基于SolidWorks 的BIM 技術，可以很好解決這些問題。軟件可通過所獲取的設計信息自動生成交互式3D 視覺效果，根據需要配合VR、AR 技術，所呈現出的效果會更寫實、更明確。SolidWorks 軟件還具備鋼筋碰撞檢測功能，可避免一些不全面、不合理的設計疏忽，工程相關人員可以隨時360°查看設計模型，尤其是在觀察復雜工程及其周邊環境的協調程度時，這更能體現3D 可視化功能的優勢。

3.2 參數化

參數化設計是BIM 技術的一個重要特點，設計人員建立的每一個子項模型都是由具體的參數來驅動，下一個子項模型的參數建立在上一個關聯子模型的基礎上，若干個子模型通過參數定義相對位置關系形成總模型，無論是總模型還是子模型，BIM 技術都可以記錄相關信息，進而形成完整的BIM 模型，為后續運維管理提供可靠依據。要修改設計中的某一項數據時，只需要修改相關參數，其各個關聯子項以及整體BIM 模型都會隨時完成重建，所涉及的二維圖紙均會自動同步修改。如該項目中，擋土墻0.15m 的鋼筋間距如果想調整為0.2m，只需雙擊數字修改為0.2m，則所有相關模型、圖紙、表格、工程數量都會自動同步修改（見圖2）。可以做到完成一種橋型即可得到這類橋型不同跨徑、不同角度、不同寬度的橋梁設計方案。參數化設計的特點可以為橋梁設計人員節約時間，讓設計人員將大部分精力放在思考設計上，而非重復改圖，這也正是參數化的魅力體現之一。

圖2 鋼筋參數化修改

3.3 建模力學分析一體化

使用BIM 技術開展橋梁設計工作，除了能將設計效果更形象、完整地呈現出來外，還能對模型數據進行科學處理，在此背景下，設計人員設計的方案也會更加簡潔、清晰。基于SolidWorks 軟件的BIM 分析技術的優勢十分明顯，Solidworks 具備線性和非線性靜態分析以及線性動態分析功能，其功能類似于ANSYS、ABAQUS、Midas。不同的是，SolidWorks 創建的模型無需轉換，可以直接進行力學分析（見圖3）。它的力學分析較傳統的獨立式橋梁計算軟件效果更好，正朝著“建模—力學分析—配筋—繪圖”一體化的方向前進。

圖3 力學分析示意圖

3.4 協作

BIM 的另一個好處是協作，要想確保工程項目順利開展，各相關單位需要很好地協作。在BIM 技術的支持下，能更好地融合業主與設計單位的設計建議，隨之可制定高效、可行且能滿足多方要求的設計計劃，再不斷優化、整合計劃內容，能促進工程項目各方的高效協作。再者是動態仿真，模型仿真只是一部分，BIM 技術還可以基于想象狀態下對無法直接反映的工作動態進行模仿。基于SolidWorks 軟件或其他同類BIM 軟件，不但能將用戶設計的可行性較強的想法模仿出來，還能基于模仿落實到實踐，從而幫助設計人員選出最適宜的工程施工方案。在開展橋梁工程施工的過程中，借助BIM 技術，能對工程的各個組成部分進行有機整合，還能合理匯總，也能科學計算各施工環節的工作量，這不僅能為工程管理工作提供更精準、真實的數據參考，還能全面提高施工質量與效率。同時，監理人員可以根據BIM 模型所提供的信息核查工程與設計的匹配度，并直觀地提出整改意見。業主、設計、施工、監理、咨詢等單位可通過BIM信息模型進行高效協作。

4 BIM 技術應用于橋梁設計存在的問題

相較于工業制造行業，土木行業的施工周期長、工程量大、容易受到外界環境的影響，且使用的施工材料、機械、設備較為復雜，這也導致制造行業所用的技術手段在土木行業中推廣時受到了一定的限制。因此，很多單位還在使用傳統的設計方法，這一點在橋梁工程設計工作中尤為明顯。究其原因，主要是橋梁類型相對固定、板梁構件高度標準化、傳統的圖紙資料比較豐富等倒成了雙刃劍，所以想要在交通建設行業全面推廣BIM 技術還需要時間與技術成熟的雙重沉淀。

4.1 軟件專業化程度有待提高

通常情況下，BIM 技術是基于計算機技術運用的，其間需要使用相應的計算機軟件。然而，適用于BIM 技術的專業軟件有很多，但大部分軟件是引進國外的，所以其適用性還有待提高。而且很多BIM 計算機軟件都是建筑或機械工程相關的，而建筑、機械工程的設計工作和橋梁設計工作存在一些差異，使得目前國內缺乏專門服務于橋梁設計工作的BIM 計算機軟件。

4.2 技術人才數量有限

在橋梁設計工作中，BIM 技術具備很多優勢，而要想將此技術的作用全面發揮，就需有專業技術人才的支持。設計人員不僅要具備較強的工程設計理論知識，還要熟悉計算機技術，并能靈活運用BIM 計算機軟件，這樣才能構建出精準的工程模型，也能及時發現設計中存在的問題，高效、全面地發揮出BIM 技術的作用便。但當前，盡管工程設計人員掌握專業的設計知識，但還有部分設計人員未認識到BIM 技術的重要性，對BIM 技術的掌握程度及軟件操作能力也有待提高，這也是BIM 技術在橋梁工程中的應用與發展受阻的原因之一。

4.3 設計習慣問題

由于各家設計院都有不成文的圖面習慣，因此軟件導出來的圖紙還需要進行手動調整，大規模的手動調整就會不可避免地陷入“走老路”的尷尬，不符合使用BIM 技術的初衷。另外，在鋼筋混凝土結構設計方面還存在一些不夠智能的情況，這是現階段橋梁BIM技術的通病，實踐證明，SolidWorks 軟件也不例外。這些設計階段“最后一公里”的問題亟待行業各方聯合推動解決。

5 BIM 技術在橋梁工程中的應用展望

在前期設計工作中，應用BIM 技術能有效解決二維圖紙信息不全面、不精準等問題，還可為設計工作與信息交流提供可視化平臺，這樣也能全面加速項目設計方案的落實。此外，在后續開展施工建設時使用BIM 技術，能系統模擬橋梁施工存在的問題，可大幅度提升工程項目的施工安全性。由此可見，BIM 技術在道路橋梁工程設計工作中發揮著十分重要的作用。

5.1 前期設計的可行性

道路橋梁工程施工建設涉及很多方面，也需要很多專業人員參與，只有在各單位、部門達成共識后，工程才能順利開展。針使用BIM 技術設計的方案可基于數字化、信息化構建相應的三維模型，施工單位可使用此模型全面展示工程橋梁的設計效果。若一些設計方案無法從表面看出問題，就無法斷定是否能正常施工建設，在這一過程中，施工單位可運用BIM 技術模擬設計方案，隨著BIM 數據的精確與細化，方案中存在的問題能直觀呈現出來，便于對設計方案進行調整、優化，進而全面提升方案的可行性。

5.2 BIM 數據平臺化

實際工作過程中，要科學匯總、整理圖紙資料，將其整合成一套完善的圖紙信息并作為建模的依據。構建完模型后，BIM 軟件可給出碰撞報告以及專業設計問題的匯總，通過實現模型的漫游，設計人員與施工人員能全面預覽平面設計圖在三維實體階段的預期效果。此外，借助BIM 模型也能進行各設計專業的信息共享，推進設計平臺化“總—分”模式。以Solid-Works 軟件目前提供的平臺技術為例，可由橋梁負責人在軟件平臺上完成橋梁模塊的總體架構，并在平臺上分配任務，負責不同部位的橋梁設計人員完成屬于自己的分項。針對已經構建的模型也能落實工程量統計、設計文檔歸檔等操作。同時，業主、施工、監理、咨詢等技術人員可以隨時通過平臺看到項目進度，并及時提出建議。橋梁負責人總結各環節的問題報告，結合具體問題采取有效措施進行處理，再不斷優化、改進設計方案，這樣也能全面發揮BIM 技術的作用，設計工作也能更加高效、穩定。將工程相關的圖紙、文檔、模擬視頻關聯到模型中，設計施工人員便可通過模型直接打開文檔查詢相關信息。

6 結語

通過以SolidWorks 軟件為載體完成橋梁BIM 設計的實踐操作，證明BIM 技術在橋梁設計中有非常廣闊的應用前景。合理使用BIM 技術開展橋梁工程的設計工作，借助信息技術構建三維可視化模型，不但可以提高設計效率，而且能夠優化設計成果，甚至能實現全數字化、平臺化的建設流程。如果能夠攻克相關技術難題，再經過一定的時間積累，相信BIM 技術將會使我國的橋梁建設水平更上一層樓。