基于BIM技術的道橋工程設計要點研究

張明　汪舟　施舒海

摘要 BIM技術能夠將工程項目在全生命周期的各個不同階段的信息、過程以及資源配置等內容集成在一個模型中，對工程活動的開展具有十分重要的作用。文章結合理論說明與案例分析深入分析BIM技術在市政橋梁工程中的應用情況，明確了BIM技術的技術優勢和關鍵技術，同時對市政橋梁設計建模過程進行詳細分析，給出了以引導曲線為核心建模方式的主要過程；結合案例分析BIM技術在市政橋梁設計建模的步驟，以及各模型內涵蓋的內容，并對BIM技術的碰撞分析、工程量計算等優勢進行詳細分析。研究內容對后續市政橋梁設計工作的開展具有一定借鑒意義。

關鍵詞 BIM技術；市政道橋工程；設計要點分析

中圖分類號 U442.5文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）24-0071-04

0 引言

隨著城市化進程的不斷加深和人們對美好、便捷生活的需求不斷加大，市政道橋工程的建設數量也在逐年增加，這就對市政道橋工程體系的設計提出了更高的要求[1]。在傳統的建筑工程設計工作中，常使用CAD進行圖紙設計，各專業之間相互獨立，各自設計，缺乏有效的溝通協調。建筑信息模型（BIM）技術能夠有效地解決上述問題，BIM技術包含支持所有生命周期過程的完整和足夠的信息，并且可以通過計算機應用程序直接解釋[2-3]。基于此，為進一步提高BIM技術在市政橋梁工程中的應用，該文對BIM技術的自身優勢及其在市政道橋工程中的應用進行深入分析，以期為后續相關工作的開展提供借鑒。

1 BIM技術在道橋設計中的關鍵技術

1.1 BIM技術在道橋設計中的應用

BIM技術在橋梁設計階段的應用包括方案設計、協同設計、參數化建模、碰撞檢查以及BIM與計算分析軟件、輔助設計工具和BIM數據庫的結合[4]。在橋梁工程設計階段，通過對橋梁場地的快速建模，實現橋梁設計方案的選擇、優化和調整。在協同設計層面，通過BIM協同設計系統，可以將設計人員按照專業分工統一納入系統進行協同設計，提高設計信息的流轉效率[5]。BIM協同設計系統管理的整個設計過程可與其他信息管理系統集成，形成信息化架構，如圖1所示。

在橋梁參數化建模層面，借助BIM技術可實現常規標準化橋梁、沉管隧道、主橋主要構件的參數化。其次，可利用BIM技術建立箱梁、墩軸、基礎等橋梁上下構件的三維標準化數據庫[6]。根據原有基礎材料和線路設計資源，可自動分批完成全線引橋的設計建模。此外，在橋梁設計碰撞檢測方面，設計過程中鋼筋、預應力鋼筋的碰撞檢測，橋梁內設施與隧道內機電管線的碰撞檢測，設計階段其他構件的干涉檢測等。

1.2 BIM技術在橋梁設計中的關鍵技術

利用BIM技術進行橋梁設計過程中，首先，建立參數化的橋梁模型，提取設計參數，自動生成設計分析軟件的命令流。其次，將自動生成的節點、截面等命令流進行組合，添加邊界條件，導入到BIM軟件中進行分析計算。通過對模型進行參數化修改，自動生成橋梁構件的指令流程。此外，通過建立局部BIM模型，導入有限元軟件并添加邊界條件，對局部應力進行分析。利用BIM技術建立橋梁結構數字模型，實現BIM數字模型與仿真分析的集成、對接與轉換。

2 橋梁設計中BIM參數化建模要點

在傳統的三維模型中，用戶將預制對象放置在模型上，隨后通過調整對象的參數，如尺寸或相對位置，直到獲得所需的幾何形狀。而參數化模型工作原理如圖2所示，在參數化模型中，用戶對對象進行參數化設置，并直接作用于幾何體自身，參數化模型中的對象并非預制，因此可以做到對各個對象進行編輯操作，更具有人性化且更加便捷，并能夠根據用戶的自主定義提供多種解決方案。參數化模型主要借助對象與對象間的信息與行為進行連接，能夠在計算機中模擬不同參數條件下建筑物建設、使用過程中可能出現的行為和反應。基于BIM技術的參數化設計工作，能夠實現直觀展現建筑物，并通過操作獲取更加精準的模型。對建筑物進行數據分析，模擬材料問題、施工過程，通過分析碰撞檢測、空間分配、結構受力分析等，能夠實現橋梁工程的全生命周期管理，減少工程失誤，降低工程造價等。

2.1 上部結構

由于輸入數據（即橋梁的導向曲線）的特殊性，橋面的開發是橋梁工程參數化最復雜的部分。參數化建模過程中的引導曲線如圖3所示，由于平面圖（或點）列表與剖面圖列表大小相同，只需將剖面圖投影到每個平面圖中即可，至此橋梁工程參數化建模算法已經創建并存儲了一個按斷面類型劃分的列表。然后可以選擇將帶有邊框、人行道（左側或右側）、調整過的斷面或所有這些元素一起投影到斷面列表中。

隨后將橋面設計工作中包含的重要參數進行歸類，包括跨度數、跨度長度或橫截面幾何形狀等典型參數。如表1所示，給出橋面設置中主要參數信息，其中前3個參數以數字的形式存在，用于生成橋面最合理的變量，可用于將引導曲線劃分為代表橋梁跨度的子曲線，以及每個跨度的分段數。與傳統方法不同的是，用戶將通過沿引導曲線手動放置點來表示分段和跨度的位置，參數化算法只要求用戶知道分段的數量和跨度的長度。系統自身將根據提供的數據自動劃分曲線。

橋梁橫截面示意圖如圖4所示，橋梁上部結構參數種類較多，涵蓋不同支撐數量、不同跨度以及不同支撐高度等類型。在進行橋體上部結構參數化設置時，可根據實際情況選擇不同的參數進行輸入。圖4各部分參數中，X1、X2與Y1、Y2為軌道尺寸參數，d、k、e、l、f、c、g等為維度參數，具體為橋梁橫截面各位置具體尺寸，S1、S2為左右側橋面傾斜角度。基于BIM技術的參數化建模方法可輸入的參數量較為豐富，能夠適應大多數類型的橋梁設計需求。

2.2 下部結構

針對橋梁的下部結構，無論是墩帽、立柱還是地基，在采用BIM技術進行參數化建模過程中，相對較為重要的參數輸入是橋梁的導向曲線。參數化建模過程可采用“初始數據-引導曲線-開始的下部結構構建”過程，在引導曲線上放置甲板與立柱/柱帽的交界點。該方法盡管增加了與文件不一定相關的參數，即跨度的數量和長度，但是卻能夠達到簡單且精確的建模效果。有關下部結構需要輸入的主要參數如表2所示，有關下部結構的參數輸入主要分為三個部分，主要是墩帽部位、支柱以及基礎三部分，三部分的參數中分別包含各個部位的幾何參數、位置參數以及尺寸參數等內容。

跨度長度輸入的作用是為了更好地在引導曲線中放置相應元素，在每條曲線的末端創建對應跨度的點，然后繪制垂直于引導曲線并向下定向的直線。此操作用于放置橋墩帽上部的中心，并考慮橋梁可能的坡度：在實際應用中發現，如果橋梁的坡度為15%，橋面的下部將不再垂直于Z軸，會導致其與橋墩蓋頂部的偏移。立柱的幾何構造非常簡單且合乎邏輯，只需提出典型的參數，如立柱的上下標高、橫向立柱的數量及其間距或截面類型及尺寸。三維生成首先是在XY平面上創建柱子的剖面，然后根據需求創建橫向柱子數量和柱間中心距離并進行復制。截面創建完成后，將它們沿著柱子的軸線和標高，沿著引導曲線放置，然后在截面之間進行材料提取。墩帽部位的生成與立柱的生成過程類似。基于上述建模過程，某工程中所生成的立柱與墩帽部位如圖5所示。

3 案例驗證

3.1 基于BIM技術的橋梁設計建模過程

某工程為城市內新建橋梁，為跨越一處泄洪道，橋梁上部結構采用預應力混凝土現澆箱梁，下部結構橋墩采用樁柱式橋墩以及樁柱式橋臺。橋面為雙向2車道，每側設置人行道以及非機動車道，橋梁全長120 m，該工程BIM技術進行設計建模過程如圖6所示，根據設計相關文件，對結構專業、建筑專業和施工專業分別進行建模，并鏈接成整體模型，根據橋梁結構特點，結構專業和建筑專業主要分為橋面系統、墩臺立柱系統以及基礎系統三部分。

在橋梁設計過程中加入BIM技術，以設計成果的CAD文件利用BIM技術進行參數化建模，對結構的各個組成部分進行了定義，并進行了虛擬創建和構建。按照任何施工任務的基本原理，每個結構部件都被考慮在內（氯丁橡膠支座、基腳、橋墩、大梁和預制構件、橋面、伸縮縫等）。為減少后續設計變更所帶來的工作量，該工程對基臺中的地基、橋墩和樁帽及其各自的地基、跨度、支撐線和找平、護欄等部位分別進行參數化建模，設置成BIM軟件中獨立的族。最終建立的橋梁模型如圖7所示。

3.2 BIM技術在橋梁設計中的優勢

BIM方法的使用將確保項目不同階段之間互不干擾。為此，有必要創建橋梁和線性工程的模型。一旦模型制作完成，就可以使用Navisworks等程序進行時間函數干擾分析。還可以使用其他分析手段對所建立模型進行碰撞分析，以避免不必要的工程投資，在該工程中共發現7處碰撞問題，節省約2%工程投資。

除碰撞檢測等技術優勢外，該工程還采用BIM技術對所需建筑材料用量進行計算分析，以達到輔助工程量計算的作用，其中該工程BIM模型中某部位細部構造如圖8所示，采用BIM技術在施工工序模擬的基礎上進行工程量統計，能夠獲取更加精準的建筑材料用量、工期進度等數據，能夠實現對項目工期控制以及項目投資等方面的把控更加精準。

4 結論

該文對BIM技術在市政橋梁設計中的應用要點進行了深入分析，并對BIM技術在市政橋梁設計案例中的應用情況進行研究，所得結論如下：

（1）首先對BIM技術在道橋設計中的應用方式以及關鍵技術進行研究，分析了BIM技術優勢所在。對BIM參數化建模過程進行詳細分析，得出以引導曲線為核心的建模方式的主要過程，以及建模過程中各參數輸入的要點等。

（2）對實際工程案例進行分析，明確了BIM技術在市政橋梁設計建模中的步驟，以及各模型內涵蓋的內容，同時結合工程實際對BIM技術的碰撞分析、工程量計算等方面的技術優勢進行詳細論述，所建模型對于工程后續施工作業的開展具有指導性意義。

參考文獻

[1]翟曉鵬. BIM技術在市政橋梁設計中的應用[J]. 江蘇建材， 2023（3）： 65-67.

[2]石成. 跨河市政橋梁設計要點分析[J]. 城市建設理論研究（電子版）， 2023（14）： 99-102.

[3]劉亞魯. 市政橋梁安全性和耐久性設計分析[J]. 建筑技術開發， 2021（4）： 71-72.

[4]俞琦. 基于BIM平臺的市政橋梁工程設計與應用[J]. 智能城市， 2021（18）： 80-81.

[5]王樹海. BIM技術在市政橋梁設計中的應用[J]. 大眾標準化， 2019（14）： 12+14.

[6]王野. BIM技術在市政橋梁設計中的應用[J]. 科技創新導報， 2019（14）： 26-27.