公路工程橋梁結構BIM應用研究

黎丁實, 趙愛軍, 黃太平

(1.四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司, 四川成都 610041; 2.中鐵城市發展投資集團有限公司, 四川成都 610200)

0 引言

隨著經濟的發展和技術的進步,國家及社會各界對于公路工程也提出了更高的要求,公路行業各個參與方也積極的將各種新材料、新工藝及新技術應用于公路工程的各個領域。在這些新技術中,建筑信息模型(BIM)兼具工程數字化與三維可視化的特點,這使其成為公路行業智能化信息化升級的核心要素之一。與傳統手段不同,BIM技術將更先進的數字化技術與三維精細模型進行融合,在提高設計文件表達力的同時,BIM模型也作為公路工程全生命期的數字底座,完成數據傳遞和信息整合,全面提升公路工程全生命期的信息化與智能化水平。本文對過往公路工程項目的BIM應用情況進行總結,對公路橋梁結構的BIM模型創建、模型應用等方面內容進行系統性闡述,并探討當前BIM技術的應用推廣所存在的問題。

1 模型創建基本要求

公路工程設計根據所處階段的不同可分為工程可行性研究、初步設計及施工圖設計,不同階段的側重點和關注要素有所區別,對各個階段的BIM應用也提出了不同的要求。

在工可階段,設計的主要目的是路線走廊帶的比較與選擇,對橋梁BIM的要求為能快速展示不同路線方案的前提下,區分路基、橋梁、隧道等不同構筑物,僅示意重點工段區位的特殊結構橋梁,建模思路上對主線、匝道等的常規結構橋跨及梁墩形式僅做示意性一致性展示;在初步設計階段,BIM模型需要反映橋梁主體構造的準確結構尺寸、重要結構連接、橋梁方案對其他構筑物的影響關系等,復雜橋梁需要在工可選定的橋型方案上繼續深化設計,此階段對于BIM模型的應用除方案三維展示外,也顯著應用于比選橋型方案等應用;在施工圖設計階段,BIM模型需要精確表達橋梁的位置、孔跨組合以及各個部件的細部尺寸與材料參數等詳細數據以指導施工,對BIM模型的精度有了更高的要求。

2 BIM軟件應用現狀分析

BIM軟件是BIM應用的載體與工具,在整個BIM技術的應用實踐中扮演了基礎性作用,并對應用的深度和廣度有著直接的影響。但是由于公路工程的各個專業在不同階段的BIM應用側重點不盡相同,尚無統一的BIM軟件平臺能滿足所有的應用需求,往往需要結合不同軟件的優點進行綜合應用。目前國內公路交通領域主流的BIM應用軟件主要為歐特克、本特利及達索系統旗下CATIA等,其對橋梁結構的三維表達與參數化建模能力各有千秋。其中歐特克及奔特利軟件具有軟件易用性強、模型體量小等優點,但在復雜結構造型及參數化方面稍顯欠缺;CATIA軟件由于其出眾的參數化建模能力與對異形結構的精確表達能力,被廣泛的應用于各種類型橋梁BIM模型創建及應用[1]。因此,下文主要以CATIA軟件為基礎介紹橋梁結構的BIM應用(圖1、圖2)。

圖1 精細化模型(索夾)

圖2 常規橋梁BIM模型

3 模型創建主要流程

由于常規結構橋梁與特殊橋梁區別較大,本節將分別對其模型創建流程進行闡述。

(1)常規結構橋梁的模型創建以路線設計線為基礎,并與橋梁分跨線共同組成模型骨架線。針對柱式墩、T梁及小箱梁等具有較強規則性的結構構件,采用模塊化的建模思路,創建統一的參數化模板,結合設計文件對各個橋梁結構進行參數錄入后,結合模型骨架線進行對象的實例化,完成自動化批量建模(圖3)。

圖3 常規橋梁的模型骨架線

(2)常見的特殊結構橋梁主要包括斜拉橋、懸索橋、拱橋以及鋼與組合結構橋。上述橋梁結構復雜,方案調整造成的工作量較大,因此建立高精度的BIM模型對于提高設計質量與設計效率具有明顯意義。特殊結構橋梁的模型創建流程詳見圖4,首先建立路線中心線及關鍵平面、關鍵點等控制性定位元素,并結合基本參數創建關鍵截面的參數化輪廓,然后通過截面輪廓拉伸生成模型對象的封閉三維曲面,最終填充形成構件幾何模型實體(圖5)。整個過程可由參數進行驅動控制,并結合程序化語言完成批量操作。

圖4 特殊結構建模流程

圖5 鋼結構關鍵截面輪廓

4 模型應用

針對設計階段,通過分析既有項目的施工圖設計文件,由于傳統的二維設計圖紙相互分離,設計的要素零散的分布于不同的設計圖紙中,這不僅不利于設計文件的校核,也一定程度上影響了設計意圖完整準確的傳遞[2]。利用BIM精細模型的三維可視,公路橋梁的BIM模型可對結構碰撞及結構合理性進行方便直觀的檢查,針對部分關鍵復雜節點可將三維模型作為設計交底的手段,增強設計文件的表現力,提高工程項目參與各方的溝通效率;利用BIM模型可量化的特點,可對部分復雜結構進行自動算量,完成結構工程量分類匯總統計(圖6)。

圖6 關鍵復雜節點BIM模型

針對施工階段和養護階段,可利用BIM模型的三維可視化與結構化的數據進行數據集成管理、施工與養護數字化管理、進度管理、施工模擬等應用。

5 存在的問題

由于橋梁固有的結構性強的特點,公路橋梁BIM技術在近年來得到了長足的推廣與應用,雖然在輔助設計等方面取得了明顯的效果,但也日益暴露出一些問題。

首先,由于各大主流BIM軟件平臺均無法對公路工程各專業不同需求提供完美的解決方案,公路項目(尤其是大型復雜結構橋梁)中往往需要多款軟件共同創建BIM模型相互融合與校核,但目前市面上BIM軟件種類繁多,且軟件之間數據格式不統一,模型流轉識別度低,這對BIM技術的應用方提出了很高的要求。以本文應用較多的CATIA為例,其數據格式較封閉,與Autodesk、Bentley等平臺軟件之間的數據交互還有待進一步提高。

其次,公路橋梁是關系到國家經濟社會安全的基礎性行業,其對數據安全性、自主可控性提出了很高的要求。但目前市面上主要的BIM軟件主要為國外廠商的產品,尤其是在當前“國產替代”的大背景下,如何更好地推動橋梁BIM的應用,是擺在每個橋梁BIM從業者面前的問題。

6 結束語

本文詳細介紹了BIM技術在公路橋梁工程中應用狀況,包括建模要求、模型創建方法及模型應用等內容,并詳細分析了當前橋梁BIM應用存在的問題。通過分析可以看出,BIM技術在公路橋梁的設計與建設、養護中,具有廣闊的發展前景與應用價值。