既有桥梁养护中BIM模型构件拆分与模型细度的讨论

柏平　马志华

摘 要：针对既有桥梁的BIM应用问题，讨论了面向养护的模型构件拆分及模型细度问题。提出在构件拆分方面应考虑结构功能、空间界限、施工次序等因素，确定三维模型细度时需满足位置准确、几何界限清晰和较高的曲线精确度等要求；针对若干实际情况进行了举例说明。该文研究成果对于既有桥梁管理系统的三维化升级具有参考意义。

关键词：BIM 既有桥梁 桥梁养护 构件划分 模型细度

中图分类号：U495 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）01（c）-0028-04

Abstract：Aiming at the problem of BIM application of existing bridge， the division of structural elements and the problem of model fineness are discussed. It is proposed that the factors such as structural function， space boundaries， the construction sequence etc. should be considered for elements division， and for the model fineness， the factors including accurateposition， clear geometric boundaries and higher curve accuracy etc. should be considered.For some practical cases， examples are proposed to illustrate those viewpoints. The research results of this paper have referential meaning for the three dimensional upgrade of existing bridge management system.

Key Words：BIM；Existing Bridges；Bridge Maintenance；Division of Structural Elements；Fineness Degree of the BIM Model

BIM（Building Information Modeling，译为“建筑信息模型”）是目前在国内外工程界较为流行的一项技术，其技术核心在于“信息”，因而该技术的本质属于信息技术领域。在“建筑信息模型（BIM）”这个概念出现之前，“信息模型”就已经存在于信息技术领域了[1]。通过使用信息模型，我们可以使用不同的应用程序对所管理的数据进行重用，变更以及分享。信息模型技术首先应用于制造业[2]，后来扩展至建筑业，形成了建筑信息模型。BIM技术在建筑工业中应用领域非常广泛，不同使用者对BIM的诠释也不尽相同。美国国家BIM标准[3]对BIM的释义相对完整，该释义该由三部分组成：（1）BIM是一个设施（建设项目）物理和功能特性的数字表达；（2）BIM是一个共享的知识资源，是一个分享有关这个设施的信息，为该设施从建设到拆除的全生命周期中的所有决策提供可靠依据的过程；（3）在项目的不同阶段，不同利益相关方通过在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自职责的协同作业。

BIM技术是一项适合进行结构物全寿命管理的有效方法。许多既有桥梁在建设期并未采用BIM技术，在引入BIM技术进行养护管理时，需要重新建立三维BIM模型。与新建项目相比，既有桥梁的一些特点需要我们特别关注。首先，在新建项目中，BIM模型，或者说数字信息模型，是伴随着项目设计、施工过程的自然产品，不需要进行专门的建模工作；而对于建设期未采用BIM技术的既有桥梁，技术资料以二维的纸版图纸或者CAD图纸的形式存在，没有现成的三维图纸，为了实现基于BIM技术的全寿命管理，需要进行专门的建模工作，为后续工作奠定基础。其次，建设期的BIM模型，作为设计的结果，绝大部分几何信息会精确的反映在模型中（一些构造详图的做法有时在BIM模型中会进行忽略）；而作为全寿命期管理的BIM模型，若建立同样细度的模型，会耗费大量的人力及时间成本，而很多几何细节并不是全寿命管理所需关注的，例如：将桥梁拉索作为一个构件时，其锚杯内部的结构信息并不需要三维的形式在管理中来体现。

该文将结合桥梁结构的特点，讨论如何建立拆分合理、细度合适的BIM模型。

1 桥梁BIM模型的构件拆分

建立桥梁养护的BIM模型需研究桥梁的构件拆分方式：拆分过细会导致构件数量繁多，数据库中会被大量价值较低的细节信息占据，增加信息维护和系统运行的成本；拆分过粗会导致必要信息的缺失，使得运营分析工作受到限制。构件拆分方式与信息整理工作密切相关，拆分后的构件作为信息描述的最小单元，其建造、损坏、维修、更换信息都将进行记录。在BIM模型中，构件的几何体与数据库中的构件ID绑定，进而与数据库中所载的构件信息进行挂接。

桥梁养护信息模型的构建是建立在部件、构件对象基础上，目前《公路桥梁技术状况评定标准》[4]已对桥梁部件的划分提出了建议，模型中也根据《评定标准》进行部件划分，但桥梁构件的拆解目前没有统一标准。由于构件是重要的对象，是大部分信息的载体，所以，需要对养护信息模型中构件对象的划分方式进行研究。在信息模型中，对象是“独立的、分离的、用户需要跟踪和报告的事物”，可以从这个角度出发，确定针对桥梁养护工作的构件划分方法。

1.1 构件劃分的考虑因素

养护领域信息模型面向考虑桥梁全寿命的过程，主要从结构功能、施工次序、空间界限和其他构件对象属性区别等方面进行划分。

1.1.1 结构功能

桥梁各个部件，如：上部承重部件、支座部件、桥墩部件、桥台部件等，实际上已经将构件按照功能进行了初步的分类。但部件中的各个构件又有其功能上的区别，如：桥墩部件中的墩身、盖梁、系梁等构件。另外，对于箱梁节段而言，翼缘、顶板、底板、腹板等部位分别呈现出悬臂受弯、主要受拉、受压和受剪等受力特征，且不同位置的病害对结构整体的影响方式也不相同，因而，在以养护为目的的模型中，宜将各部分划分为不同的构件，如图1所示。

1.1.2 空间界限

大部分构件在空间上界限都是清晰的，如，系梁和横梁、梁体与支座、钢结构的各个杆件等。有些构件虽然连接面较大，但各个部分空间界限清晰，比如：支座垫石和盖梁（如图2所示），由于各自发生病害时的影响也是不同的，所以这种情況宜按照空间界限划分为不同的构件。由于根据空间界限划分的各部分，结构功能也都相对独立，因而这一因素与前述“结构功能”因素有所交叉。

1.1.3 施工次序

有些体量较大的结构体需要分批次施工制作，例如：大跨径预应力混凝土连续箱梁，会根据施工方便分为若干的节段，每个节段依次进行独立悬臂浇筑，在记载构件浇筑时间等施工期信息时，各节段有所不同，此时应该将各个节段分划分为不同构件。另外，如图3所示钢拱肋，在制作时，采用了分段制作，现场焊接的工艺、考虑到各段之间并非一个整体，在建造时也有各自的制作、安装进度，这种钢结构构件也应划分为不同的构件。

1.1.4 其他属性区别

由于信息模型中会记录构件的材料类型、强度等级、施工方等信息，当一个结构件中的不同组成部分存在不一致的信息时，宜将该结构件中的不同组成部分划分为独立构件。

1.2 桥梁构件拆分方式举例

构件划分宜尽量满足上述各因素，即将构件对象划分至信息层面的最小单位，以免信息主体划分过粗，导致一些信息没有对应的存储位置。下文对常见的几类桥型的结构划分进行详细说明。

1.2.1 上部结构构件划分

（1）装配式梁桥。由于这种梁在空间上是相互独立的，所以每一跨上部承重部件分为各独立的预制梁组成，上部一般部件大多为连接预制梁的构件。举例如下：①1跨空心板梁桥有12片空心板梁，那么上部承重部件梁体的构件总数即为12，上部一般部件分为11道铰缝。②4跨T形梁桥，每跨有7片T形梁，那么上部承重部件梁体的构件总数即为28；上部一般部件分为每跨6个湿接缝及横隔板。

（2）整体现浇箱梁。由于该桥型截面高度和宽度均较大，且顶底板及翼缘板等均有独特受力特性，故而将每一跨箱形梁分为左翼板、左腹板、底板、顶板、右翼板和右腹板6个构件。例如：3跨现浇箱梁即存在18个承重构件，一般构件根据横隔板自然个数确定。

（3）悬臂浇筑/拼装连续箱梁。悬臂浇筑/拼装连续箱梁在施工时为分节段浇筑而成，每个节段在施工期均相互独立。因而建议将桥梁沿纵向按块段划分后，再分为顶板、腹板、翼缘板等构件。例如：1座（50+80+50）的悬浇连续箱梁共有0#至10#块10个悬浇块段、2个边跨现浇段、2个边跨合拢段及1个中跨合拢段，那么上部承重部件梁体的构件即为270个构件对象，一般构件根据横隔板自然个数确定。

1.2.2 下部结构构件划分

下部结构中，桥墩、桥台、墩台基础部件较为复杂，其所包含构件存在“空间界限”及“结构功能”的区别。其余构件数量的划分基本上按照构件的自然单位进行计算。举例如下：（1）桥台。U型桥台：台帽、前墙、侧墙；一般分为1个台帽、1个前墙、2个侧墙；肋板式桥台：台帽、肋板、承台。柱式台：台帽，承台及台柱。（2）桥墩。柱式墩：墩柱、盖梁、横系梁；重力式墩：墩身、墩帽。（3）基础。桩基础：桩身、系梁；扩大基础：基础。

1.2.3 桥面系构件划分

主要有桥面铺装、伸缩缝装置、人行道、栏杆、排水系统及照明标志。桥面系所含部件均为构件组成较为简单的构件，故而按照构件的自然单位进行计算。例如：1个3孔的高速公路桥梁，含有3孔桥面铺装构件，0#、3#台顶2个伸缩缝，无人行道，左右2个护栏。

2 桥梁构件的模型细度

在确定构件划分方式之后，确定合适的建模细度。在业内，关于BIM三维建模有一个形象的说法：“搭积木”。构件划分的过程是确定桥梁由哪些“积木块”组成，在确定构件划分方式之后，需确定构件合适的三维模型细度，即确定“积木块”的精细程度。过于粗糙的模型，几何形状与现场实物有较大出入，会导致尺寸偏差大、关键点位高程、桩号等信息失效等问题，无法充分利用BIM技术发挥三维模型的价值；过于精细的模型，可能会使得大量没有价值的信息占据模型，例如：栏杆上的雕花等，不仅会大幅增加建模工作量，也无谓地消耗大量的三维显示系统软、硬件资源。

构件三维模型细度与BIM三维模型的使用方法有关系。严格来说，设计、施工阶段对于BIM的细度要求本身也不完全相同，如同设计图纸、施工图所表达的信息不同。因此，在BIM的相关工作流程中，各阶段人员在项目开始时就需介入，协调建模、文件版本、数据传输等各类问题。同样的，养护运维阶段也有其特定的需求。该节即从桥梁养护工作的需求出发，阐述关于构件三维模型细度的若干要求。

以养护为目的的BIM三维模型，需要反映出结构形体、病害分布，以满足分析构件受力特征、制定维修加固方案、进行工程量计算以及设施管理等工作的要求。以下从构件的位置、构件内部几何界限、曲线精确度方面阐述具体的细度要求，并讨论了一些细节可以忽略的情况。

2.1 位置准确

距离或者角度参照应准确。在用“积木”搭建模型的时候，需要从两方面考虑：积木块自身形状的细致程度和积木块的放置方式。同样的，BIM三维模型中的构件也是这样。构件在三维模型中放置时，通过高程、轴网系统或者其他构件的关键点、线、面对构件进行定位：将构件的“基点”根据参照距离放置在模型中，并通过参照角度进行旋转。一个构件上除了放置“基点”外，还有很多反应其空间位置的点，如一个立方体构件的8个顶点。此时，除了基点位置准确外，构件其他、关键点的位置也应该与实际位置一致，才能保证构件的模型形状与实际构件基本相同、与相邻各个构件的相对位置关系正确。

以连续梁各节段是否需反映桥梁纵坡为例，来说明上述问题：单就某一节段而言，只要根据底面或顶面标高进行放置即可，即便不考虑纵坡，前后端的高程位置不会有较大偏差；但是，当各个节段连接的时候，中间节段和端部节段由于距离较远，顶面高程相差较大，如果不考虑纵坡，所有节段的顶面中心线高程都按照中间节段（或者端部节段）顶面中心线高程确定，导致端部节段（或者中间节段）位置远远偏离其实际位置，进而使得支座位置、桥墩顶面高程发生较大偏移（如图4所示），因而，在桥梁建模时，桥梁纵坡导致的桥梁节段前后端高程差应予以反映。

2.2 几何界限清晰

清晰的界限是桥梁检查时的重要参考，在可见区域，构件各个面之间明显的几何界限应在模型中保留。构件的关键点、线信息应能反映出构件上各明显的明显界限。如箱梁内部可见部分的腋角（如图5所示）、齿板等，均建议在模型中加以反映。

2.3 曲线精确度

在工程结构中，经常存在一些曲线，例如拱、悬索的轴线等。此时在模型中尽量按照曲线的实际情况确定——在加工时根据函数精确放样的预制构件，如钢拱肋，按曲线建模；对于在施工时以弦代弧的曲线，如：连续梁的立面下缘线，以折线建模。对于曲线建模的情况，对于高阶建模软件中，能够用精确函数描述的应采用函数描述的方式进行建模，如：二次曲线、双曲线等；对于一些曲线功能较弱的软件，会以样条曲线代替，此时应保证各控制点的点位准确。以钢拱肋为例，应保证各风撑高程位置准确，而避免使用仅由顶点和支座三点确定的样条曲线表示拱肋的几何形状，如图6所示。

其他曲面也总是可以由曲线（或者直线沿曲线）的平移、旋转生成，在考虑模型细度时，也可参照上述原则进行处理。

2.4 细节信息的处理

在满足前述要求的前提下，对构件的一些几何细节可以适当放松要求，这将对于三维显示效率有所帮助。

对于构件非关键点位处的几何信息，可以采取以直代曲、忽略内部细节等方式进行简化：对于一些矩形截面桥墩的倒角、伸缩缝的内部构造等可以忽略。

对于隐蔽区域，可适当简化。如封入拱肋的锚头、混凝土构件中的钢筋等。当然，很多隐蔽区域的信息对于养护工作来说也非常重要，信息模型的重点也在于管理那些可见物体背后的信息，此时，可以通过其他方法显示，如，在构件对象中加挂相应的图纸链接，通过查看相应部位的图纸来获取相关资料。

3 结语

针对目前BIM技术在桥梁养护阶段应用较少的情况，该文讨论了针对桥梁养护工作的构件划分和三维模型细度问题，得到如下成果：（1）构件划分时考虑结构功能、空间界限、施工次序和其他属性区别，并结合具体桥梁形式给出了构件划分示例；（2）确定构件的三维模型细度需满足位置准确、几何界限清晰和较高的曲线精确度；同时讨论了可忽略之细节的信息承载方法。

参考文献

[1] John M.Information modeling in the time of the revolution[J].Information Systems，1998， 23（3）：127-155.

[2] Lee Y T.An Overview of Information Modeling for Manufacturing Systems Integration[R].Manufacturing Systems Integration Division National Institute of Standards and Technology，1999.

[3] National Institute Of BuildingSciences. National Building Information Model Standard[S].2007.

[4] 交通運输部公路科学研究院.公路桥梁技术状况评定标准（JTG/T H21-2011）[S].2011.