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(yōu)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(yōu)勢進行詳細分析。研究內容對后續(xù)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(tǒng)的建筑工程設計工作中，常使用CAD進行圖紙設計，各專業(yè)之間相互獨立，各自設計，缺乏有效的溝通協(xié)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(yōu)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(xù)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(xié)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(yōu)化和調整。在協(xié)同設計層面，通過BIM協(xié)同設計系統(tǒng)，可以將設計人員按照專業(yè)分工統(tǒng)一納入系統(tǒng)進行協(xié)同設計，提高設計信息的流轉效率[5]。BIM協(xié)同設計系統(tǒng)管理的整個設計過程可與其他信息管理系統(tǒng)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(guī)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(jié)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(tǒng)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(fā)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(chuàng)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(tǒng)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(tǒng)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(chuàng)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(fā)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(chuàng)建柱子的剖面，然后根據需求創(chuàng)建橫向柱子數量和柱間中心距離并進行復制。截面創(chuàng)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(yè)、建筑專業(yè)和施工專業(yè)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(yè)和建筑專業(yè)主要分為橋面系統(tǒng)、墩臺立柱系統(tǒng)以及基礎系統(tǒng)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(chuàng)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(xù)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(yōu)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(chuàng)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(fā)現7處碰撞問題，節(jié)省約2%工程投資。

除碰撞檢測等技術優(yōu)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(tǒng)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(yōu)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(yōu)勢進行詳細論述，所建模型對于工程后續(xù)施工作業(yè)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(fā)， 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(chuàng)新導報， 2019（14）： 26-27.