BIM技術在祁婺高速橋梁工程設計中創新應用及正向設計探索

劉安 楊文標

1.江西交通咨詢有限公司 江西 南昌 330108

2.江蘇狄諾尼信息技術有限責任公司 江蘇 南京 210000

BIM技術為實現橋梁全壽命周期信息化提供了有效的解決手段，在祁婺高速橋梁設計階段采用BIM技術，利用參數化建模技術建立了常規橋梁及60m鋼混組合梁參數化構件庫；基于BIM模型進行了設計方案碰撞檢查[1]，鋼結構力學計算[2]、防眩模擬，減少設計返工；同時利用BIM模型制作鋼梁關鍵工序施工動畫，提升了設計交底效果。

1 工程概況

德州至上饒高速公路贛皖界至婺源段新建工程（簡稱“祁婺高速”）是國家高速公路網中G0321的重要組成部分，“10縱10橫21聯”高速公路網中“10縱”之一。祁婺高速是2018年江西省公路水運建設工程BIM技術推廣技術應用試點工程，旨在設計、施工階段開展BIM技術應用示范。項目路線總長度40.747公里，本項目主線采用雙向四車道的高速公路標準，設計速度為 100公里/小時；路基寬度為 26米；項目橋隧比高達53%（其中特大橋5座，均為鋼混組合梁，共計6萬余噸）。

2 正向設計探索

為提高橋梁模型建立效率及探索橋梁BIM正向設計，祁婺項目常規橋梁采用同豪方案設計師BIM正向設計系統[3]。鋼混組合梁橋梁采用Catia及Revit平臺，有利于施工、加工階段模型深化，開展工廠化生產構件、鋼結構數字化加工，可充分利用BIM模型，實現基于BIM技術的橋梁裝配式建造[4]。

2.1 BIM正向設計參數化建模

（1）軟件平臺選用

祁婺高速公路勘察設計項目組以提升設計質量和設計品質為導向，組建了BIM設計小組，全面開展本項目的BIM設計工作。BIM設計小組對目前國內交通行業BIM應用現狀和各軟件平臺的優缺點進行詳細分析，擬定了全專業、全設計周期、多軟件平臺融合的BIM+GIS應用思路[5]。首先，基于北斗衛星導航系統+機載Lidar完成項目的三維地形數據測量，構建滿足全設計周期的三維GIS場景；其次，借助Bentley MicroStation軟件平臺，融合地質、地形、構造等多源勘測數據，建立高精度、小體量、全屬性的三維地質模型；然后針對橋梁特點，采用 Bentley+Autodesk+EIBIM+達索等多平臺協同工作建立全專業設計數字化模型[6]。

表1 祁婺使用軟件平臺表

（2）BIM參數化族庫

公路工程橋梁通常以經濟適用的橋梁為主，數量較多，結構形式簡單，受力明確，施工工藝較為成熟，常規橋上部結構可模塊化施工；互通線性多樣，互通區橋梁結構復雜，樣式多變。本項目橋梁規模大，根據山區建設條件，采用常規T梁橋和60m 跨π型鋼混組合梁兩種形式橋梁結構。為提高橋梁模型建立效率，承接傳統，創新應用，創建常規橋梁參數化族庫，用設計方法和工程經驗來描述工程構件，當路線資料、設計方案、設計原則發生改變時，能夠參數化快速調整設計，實現設計的高效、協同、共享。

為實現模型的快速建立，分別建立了不同類型橋梁部件的參數化構件庫，并通過程序快速實例化形成全橋模型，以模型數據為基礎，分別生成圖紙和工程量。基于達索系統3DEXPERIENCE平臺開展三維協同設計，梳理并定義橋梁設計過程中的模板，并搭建合理的鋼混組合梁構件庫架構，適合橋梁工程三維設計應用和維護。

祁婺高速創建了全線橋梁族庫模型，橋梁族庫文件參數化程度達90%，并配備族庫參數使用說明，出臺相應族庫添加、刪減、更新的使用辦法，規范項目族庫使用。族庫概念源于Autodesk公司基于BIM技術開發的Revit系列軟件，歐特克公司的Autodesk軟件在我國工程領域被廣泛應用，有深厚的基礎，并且該軟件都提供免費試用版，目前在BIM上的應用最為廣泛。Revit提出了“族”的概念[7]，“族”是參數化建模的最好體現。Revit所有圖元都是基于“族”的，類似于AutoCAD里面的圖塊，但又不同于圖塊。每個族在創建時都能定義其類別并且可被修改，每個“族”單元能夠定義多種類別，如橋墩屬于結構基礎類別、橋面屬于結構連接類別。根據“族”創建者的設計，每種類別可具有不同的尺寸、形狀、材質設置或其他參數變量。設計者可不用學習復雜的編程語言，便能創建自己需要構建族，并且可在族編輯器中根據需要加入各種參數，使其成為集成了所有你需要信息的“數據庫”[8]。在BIM中，建筑模型是由這些“族”有機系統“搭建”起來的。又因為被設計師創建的各種類別的“族”包含著該類別構件的所有信息，這樣創建的模型與傳統的幾何模型不同，是真正的建筑信息。

（3）Dynamo智能建模

BIM技術作為一種全新的工作思路，其全面輔助管理、全生命周期跟進的理念為公路行業的發展帶來全新的契機。在 BIM 工作平臺上，項目被分解成一個個信息化、可視化的單元，然后拼裝成一個完整的虛擬現實項目模型。該模型包含著項目設計的全部信息，既可以通過精準的計算和分析，為設計人員提供規劃、設計、變更等過程中的依據，也可以通過圖紙聯動更改和自動輸出，提高工作效率，減少設計人員重復勞動。

Autodesk 公司基于BIM技術開發的Revit系列軟件，歐特克公司的 Autodesk軟件在我國工程領域被廣泛應用，有深厚的基礎，并且該軟件都提供免費試用版，目前在 BIM上的應用最為廣泛。采用Dynamo軟件來實現參數化建模。Dynamo是Autodesk 公司推出的一款功能十分強大，并且十分便捷的可視化編程軟件。它的視覺化程序設計便是為了降低程序開發門檻而誕生的，它以腳本的形式提供一個圖形化的界面，組織連結預先設計好的節點來表達數據處理的邏輯，形成可執行的程序，從而使設計師不用寫代碼就可以享受到計算式設計的好處。Dynamo 程序可以與Autodesk公司其他軟件交互，尤其是可以與現在最常用的建模軟件Revit的BIM模型能及時聯動，無需輸出，對復雜幾何、參數式構造設計、資料連結、工作流程的自動化工作都有很好的支持。

Dynamo是可以基于Revit軟件使用的可視化編程平臺，能夠在revit中創建和處理復雜邏輯關系。Dynamo具有較高的開放性和可塑性，允許用戶自由的創建和編寫應用節點，并在一定范圍內推廣使用。

利用Dynamo軟件來實現橋梁參數化建模[9]，Dynamo是Autodesk公司推出的一款功能十分強大，并且十分便捷的可視化編程軟件。它的視覺化程序設計便是為了降低程序開發門檻而誕生的，它以腳本的形式提供一個圖形化的界面，組織連結預先設計好的節點來表達數據處理的邏輯，形成可執行的程序，從而使設計師不用寫代碼就可以享受到計算式設計的好處。Dynamo程序可以與Autodesk公司其他軟件交互，尤其是可以與現在最常用的建模軟件Revit的BIM模型能及時聯動，無需輸出，對復雜幾何、參數式構造設計、資料連結、工作流程的自動化工作都有很好的支持。

2.2 基于北斗高精點云的三維GIS場景

項目所在區域為山地地貌，地形起伏大，高差930余米，地勢大致由東北向西南傾斜，境內山巒重疊，溪澗縱橫，森林植被茂密，覆蓋率高達82%。考慮到傳統的人工測量手段測量周期長、工作難度大等問題，在本項目勘察設計初期，擬定利用機載 Lidar 技術結合北斗衛星導航系統進行，實現高精度的野外勘測的思路。按照國家基礎航空攝影地區困難類別劃分，本項目攝區困難等級均屬于Ⅳ類。

基于北斗衛星導航系統+機載 Lidar 技術，通過地面建設的婺源站、江灣站和沱川站北斗地基增強網，為飛行提供高精度、實時的坐標基準，實現高精度的外方位控制；飛行自帶高精度POS系統，實時解算內方位參數（毫米級），數據獲取周期短、效率高。

北斗衛星導航系統是我國著眼于國家安全和經濟社會發展需要，自主建設、獨立運行的衛星導航系統，打破了發達國家對衛星導航系統的壟斷。本項目利用機載Lidar技術結合北斗衛星導航系統、北斗基站進行，實現高精度的野外勘測，利用北斗導航系統共完成野外勘測46平方千米，獲取了道路、0村莊、山地、河流、池塘等分類點云數據及數字高程模型（DEM）、數字正射影像圖（DOM）和數字線劃地圖（DLG）等高精度4D成果。飛行自帶高精度POS系統，實時解算內方位參數（毫米級），數據獲取周期短、效率高。項目將北斗技術應用于高速公路勘測設計，基于高精度4D成果，構建滿足全設計周期的真實三維GIS場景，用于道路三維設計和可視化展示。

2.3 基于GIS的高精度三維地質建模

采用動態交互的建模方式，充分融合了地質調繪數據、鉆探數據、物探數據、不良地質數據、地質構造數據及地形數據等全方位勘測數據，建立高精度、小體量、全屬性的三維地質模型。項目通過建立三維輕量化的地質模型，有助于快速核查地質勘察成果，輔助二維勘察圖紙出圖，將地質模型與設計模型整合，直觀核查橋梁樁基隧道等設計方案，輔助橋梁、隧道設計人員的復核審查。

2.4 橋梁BIM設計協同平臺

祁婺高速基于自主研發的設計協同平臺開展工作，可實現多地域、多參與方、多繪圖平臺（2D/3D）的一體化協同設計，實現多地協同工作，實現數據存儲的一體化和集中化管控。平臺對項目整個設計生產過程實現管控，在設計過程中對資料互提、設計評審、設計校審、電子簽名（章）授權、文件出版等關鍵質量管理流程提供真實有效的項目數據，從而有效提高了設計產品質量和項目管理水平。

橋梁設計以經濟適用的簡支橋梁為主，數量較多，結構形式簡單，受力明確，施工工藝較為成熟，項目60m鋼混組合梁規模大，施工難度高。為提高橋梁模型建模效率及探索橋梁BIM正向設計，本項目常規橋梁采用同豪方案設計師BIM正向設計系統，鋼混組合梁橋梁采用Catia及Revit，有利于施工、加工階段模型深化，充分利用BIM模型，實現基于BIM技術的橋梁裝配式建造。

達索系統3Dexperience平臺[10]開展三維協同設計流程：一、梳理和定義出橋梁的骨架基線，基于該骨架進行橋梁的三維協同設計，實現橋梁的三維BIM設計；二、橋梁構件庫搭建，梳理并定義橋梁設計過程中的模板（輸入條件），并搭建合理的構件庫架構，適合橋梁工程三維設計應用和維護；三、橋梁設計管理，設計人員在3Dexperience平臺實現設計管理（BOM）、模型校審、工程文檔管理、模型變更等內容。

（1）常規橋梁BIM正向設計系統

基于Revit+方案設計師，建立常規混凝土橋梁的BIM設計流程。基于Revit軟件，實現了通用構造的三維參數化設計和二維圖紙輸出，應用方案設計師軟件，快速建立全橋模型，依據項目標準加入信息，再由三維模型輸出全橋二維圖紙。常規橋梁的 BIM 設計流程采用正向設計原理，用設計方法和工程經驗來描述工程構件，當路線資料、設計方案、設計原則發生改變時，能夠參數化快速調整設計，實現設計的高效、協同、共享。

方案設計師建立常規混凝土橋梁的BIM設計流程，采用BIM設計手段快速建立全橋模型，依據項目標準加入信息，再由三維模型輸出全橋二維圖紙，實現三維信息模型和二維圖紙的精確匹配和同步交付。

（2）鋼混組合橋梁BIM正向設計系統

基于Revit族庫平臺建立全橋鋼結構精細化模型，借助參數化構件加快建模速度，建立三維模型和二維圖紙的聯動，輔助二維圖紙的出圖和工程量的計算復核，基于精細化模型開展結構輔助計算，為結構空間有限元計算提供高質量的幾何模型。基于Revit的鋼混組合梁三維參數化設計，在組合梁復雜幾何、參數式構造設計中更具優勢，設計直觀，方案更趨合理，以參數化族樣板文件為核心，在設計方案迭代優化過程中，設計出圖效率相對更為便捷。

（3）達索系統3Dexperience協同設計平臺

達索系統3Dexperience平臺建立長灘大橋鋼混組合梁橋梁模型，基于該橋梁工程進行三維協同設計及項目管理。達索系統3Dexperience平臺開展設計階段項目管理，通過在3Dexperience平臺上制定WBS模板，快速定義橋梁項目工作計劃，包括時間、人員、任務等；建立了統一的項目管理平臺，對項目設計計劃進行全過程管理和監控，實現了項目管理和設計能力的提升。

2.5 基于BIM的橋梁結構分析

充分利用BIM模型，基于BIM模型的數值分析是未來土木行業朝著更智能化方向發展的一個重要研究方向。在傳統數值分析中，計算模型需要在計算軟件中生成，由于計算軟件建模功能有限，造成了建模工作量大和模型精度不高的問題。隨著BIM技術的出現，軟件公司開始嘗試通過導入BIM模型進行數值分析，但由于接口問題會不可避免的造成模型數據的損失。軟件集成是解決軟件間接口問題的有效手段，作為主流BIM軟件之一，達索系統3DEXPERIENCE平臺數值分析模塊SIMULIA集成了傳統計算軟件ABAQUS，在平臺中可以直接由建模模塊切換到計算模塊，當建模模塊中的模型參數變化時計算模塊中的計算模型聯動，極大提高了計算效率，Revit軟件同樣可以將模型通過格式無損轉換導入ABAQUS。將提取后的結構導入到計算軟件ABAQUS，按照添加材料參數→劃分單元網格→定義分析類型→定義接觸面→添加荷載→定義邊界條件的順序生成計算模型，在ABAQUS平臺 ProcessComposer 模塊中定義數值分析計算過程，并執行定義的計算流程。

3 結語

橋梁由于采用BIM正向設計手段，各專業協同工作更簡便，橋梁設計表現更直觀，所有模型準確銜接，設計精細度和精準度高。應用三維可視化成果輔助方案溝通、復核審核、設計交底，準確直觀、簡潔明了，幾乎只需傳統溝通方式一半的時間即可完成交流，節約大量時間和精力，溝通效率大幅提升。

北斗衛星導航系統是我國著眼于國家安全和經濟社會發展需要，自主建設、獨立運行的衛星導航系統，打破了發達國家對衛星導航系統的壟斷，祁婺項目使用北斗導航系統使得項目獲取的GIS數據安全可靠、獲取周期短、效率高。