基于BIM技術(shù)的橋梁設(shè)計研究

栗振鋒，高峰，李永前，張銳銀

（1.太原科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.江蘇合谷建筑設(shè)計有限公司太原分公司，山西 太原 030000；3.山西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，山西 太原 030001；4.山西交通控股集團有限公司長治高速公路分公司，山西 長治 046000）

0 引言

隨著社會逐步邁向信息化、數(shù)字化時代，相較于傳統(tǒng)二維施工圖設(shè)計，BIM 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)施工圖設(shè)計的三維立體數(shù)字化，不僅提高了設(shè)計效率，更為施工管理帶來便利，因此BIM 技術(shù)在工程施工領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。同時，BIM 技術(shù)的迅猛發(fā)展，也促進交通領(lǐng)域信息化、智能化的發(fā)展，橋梁工程作為交通領(lǐng)域的一個重要分支，橋梁工程中BIM 技術(shù)應(yīng)用的研究，對于實現(xiàn)我國的“智慧橋建”發(fā)展目標而言尤為重要。目前，BIM 技術(shù)在橋梁工程中的實際應(yīng)用尚不成熟，文章以某一大橋工程為例，采用基于BIM 技術(shù)的方案設(shè)計師V5.1、橋梁博士V4.4 等軟件對該大橋上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、橋面及附屬工程等進行設(shè)計及分析，并結(jié)合AUTO CAD 軟件實現(xiàn)了快速導(dǎo)出設(shè)計圖紙，利用MATLAB 語言對大橋沖刷計算方法進行了探討。

1 工程概況

某經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)一連接線道路，沿河岸布置，道路全長621m，紅線寬度16m。該道路工程項目包括大橋一座，該大橋跨河而建，根據(jù)該道路工程可行性研究及工程初步設(shè)計報告，進行現(xiàn)場勘察。該大橋設(shè)計全長150m，寬度16m，橋梁與河道正交，無通航要求，跨徑布置為5×30m 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土小箱梁，先簡支后連續(xù)結(jié)構(gòu)，橫向布置為中間12m 車行道+兩側(cè)2m 人行道。橋梁設(shè)車行道雙向2%橫坡，坡向路外，人行道單向橫坡2%，坡向路內(nèi)；橋梁不設(shè)縱坡。基于BIM 技術(shù)正向設(shè)計系統(tǒng)與現(xiàn)行公路、市政橋規(guī)[1-10]，吸取該類橋梁建造研究經(jīng)驗[11-13]，對該大橋進行施工圖設(shè)計，研究成果已成功應(yīng)用于實際。

2 大橋總體設(shè)計

2.1 上部結(jié)構(gòu)

橋梁上部結(jié)構(gòu)按A 類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，設(shè)計為30m 跨徑預(yù)應(yīng)力組合小箱梁先簡支后連續(xù)結(jié)構(gòu)。組合箱梁中心梁高1.6m，組合箱梁頂面按2%的橫坡設(shè)置，底板按平坡設(shè)置，橋面橫坡通過梁頂進行調(diào)整。橋梁橫斷面布置5 片梁，其中3 片中梁，2 片邊梁，梁間距為3.155m，箱梁間預(yù)留75.5cm 寬、18cm 厚后澆濕接縫。組合箱梁分為中跨和邊跨兩種，中跨箱梁兩端均為連續(xù)端，端部均預(yù)留有后澆中橫梁，邊跨箱梁一端連續(xù)一端非連續(xù)，連續(xù)端預(yù)留有后澆中橫梁，非連續(xù)端設(shè)有預(yù)制端橫梁。預(yù)應(yīng)力箱梁采用后張法施工，預(yù)埋金屬波紋管形成預(yù)應(yīng)力管道，鋼束規(guī)格為直徑15.20mm 的高強度低松弛鋼絞線，標準強度1860MPa，采用OVM 錨具固定。箱梁在連續(xù)端墩頂位置設(shè)有頂板負彎矩鋼束，相應(yīng)在箱梁頂板設(shè)有張拉槽口。預(yù)制箱梁及濕接縫混凝土采用C50 等級，上部結(jié)構(gòu)設(shè)計采用不同軟件進行分析，大橋預(yù)制小箱梁推薦存梁期不超過3 個月。

2.2 下部結(jié)構(gòu)

橋墩采用樁柱加蓋梁，立柱直徑1.2m，下接直徑1.5m 樁基。蓋梁寬1.6m，蓋梁高1.5m，兩端高1.2m，長15.2m，蓋梁頂面為平坡，通過支座墊石高度調(diào)整橫坡。蓋梁、立柱與樁基礎(chǔ)分別采用C30 混凝土、C30 水下混凝土。橋臺采用樁接蓋梁式橋臺，蓋梁高1.5m，寬1.7m，下接直徑1.5m 樁基。臺帽采用C30 混凝土，樁基采用水下C30 混凝土，橋臺背墻寬0.5m，臺后設(shè)置鋼筋混凝土搭板，板厚0.3m，搭板長6m。

2.3 橋面及附屬工程

車行道橋面鋪裝自下而上分別為8cm C50 混凝土（內(nèi)設(shè)D10 鋼筋網(wǎng)）、6cm 中料式AC-20 瀝青混凝土、4cm 細料式AC-13 改性瀝青混凝土。人行道橋面鋪裝自下而上分別為8cm 人行道板、2cm M10 水泥砂漿、4cm 防滑石板。在C50 鋼筋混凝土表面鋪裝DBS形防水層，防水層要求與混凝土實現(xiàn)較好的黏結(jié)，橋面護欄為鋼制欄桿。組合箱梁在橋墩處采用GBZY375X77（NR）板式橡膠支座，在0 號、5 號臺采用GBZYH275X65（NR）四氟板式橡膠支座，0 號、5 號橋臺處設(shè)置GQF-D80 型鋼伸縮縫。

3 基于BIM 技術(shù)的大橋設(shè)計及計算

3.1 施工圖設(shè)計與有限元計算

該大橋設(shè)計基于BIM 技術(shù)的正向設(shè)計軟件——方案設(shè)計師V5.1 與橋梁博士V4.4，進行施工圖設(shè)計與計算。結(jié)合工程初步設(shè)計報告，在方案設(shè)計師V5.1中根據(jù)設(shè)計條件、設(shè)計原則、設(shè)計方案填寫路線表、橋梁表等智慧設(shè)計表，在其橋梁表頁面雙擊后，程序會通過內(nèi)嵌設(shè)計邏輯逐層調(diào)用標準件生成AUTO CAD施工圖紙，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計人員根據(jù)現(xiàn)行公路、市政橋規(guī)，結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗及工程實際，在方案設(shè)計師V5.1（可與AUTO CAD 交互使用）中對施工圖作進一步審查與修改。相較于傳統(tǒng)AUTO CAD 二維設(shè)計，BIM技術(shù)極大地提高了出圖效率。大橋總體布置及主梁部分截面構(gòu)造，如圖1 所示。

圖1 大橋總體布置及主梁部分截面構(gòu)造

依據(jù)橋梁總體設(shè)計，將橋梁結(jié)構(gòu)信息導(dǎo)入橋梁博士V4.4 中，輸入荷載信息，經(jīng)用戶求解設(shè)計，程序會結(jié)合公路、市政橋規(guī)自動進行計算，在相應(yīng)各種作用組合下，各個設(shè)計狀況極限狀態(tài)計算、截面承載力計算、配筋計算、抗裂性計算等計算結(jié)果將自動輸出到micro office 格式的計算書中，計算通過后，繼續(xù)將模型數(shù)據(jù)輸入MIDAS civil 復(fù)核。結(jié)構(gòu)細部、節(jié)點采用ANSYS APDL 語言建立精細化模型進行計算。

3.2 大橋沖刷計算

考慮大橋建橋后橋墩阻水導(dǎo)致橋位處河床受到?jīng)_刷，根據(jù)相關(guān)規(guī)定[14-15]，參閱相關(guān)文獻[16-17]，采用易于掌握的MATLAB 語言編制橋梁沖刷計算程序，進行大橋沖刷計算。橋梁沖刷計算成果，如表1～表3所示。

表1 天然河道沖刷計算

表2 大橋墩臺沖刷計算

表3 沖刷對比

由表1～表3 可知，建橋后橋墩束窄了過流面積，造成橋下流速增大，沖刷加深。建橋后20 年一遇洪水下，沖刷深度加深了1.53m；建橋后50 年一遇洪水下，沖刷深度加深了2.19m。建橋后洪水期沖刷加劇了局部河道下切，對河道產(chǎn)生不利影響。

4 結(jié)語

以該大橋施工圖全過程設(shè)計為例，提出基于BIM技術(shù)的軟件——方案設(shè)計師V5.1、橋梁博士V4.4 與AUTO CAD 相結(jié)合的橋梁施工圖設(shè)計方法，促進BIM 技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用與發(fā)展；采用MIDAS civil 對該大橋進行建模復(fù)核計算，其細部、節(jié)點采用ANSYS APDL 建立參數(shù)化有限元模型進行計算；橋梁沖刷計算耗時大、錯誤率高，結(jié)合現(xiàn)行公路、市政橋規(guī)采用MATLAB 語言自編程序進行橋梁沖刷計算，提高了設(shè)計工作效率。