基于BIM技术的城市异形桥塔斜拉桥设计研究

朱殷桥， 何 畏， 王 亮

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

基于BIM技术的城市异形桥塔斜拉桥设计研究

朱殷桥， 何 畏， 王 亮

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

作为一个热点应用技术，BIM在建筑工程与桥梁工程中的应用存在重要的联系，但也有明显的差异。文章以广东省珠海市横琴新区依依桥为背景工程，介绍了斜拉桥初步设计过程中的BIM技术应用研究工作，主要包括构件分类、族库建模、可视化设计、参数化设计、半自动化出图等。针对桥梁工程的应用特点，进一步提出了基于XML格式的桥梁设计BIM信息分类存储和传递技术的方法。通过分析BIM建模软件与其他软件的数据交互，并依托具体案例验证基于XML的实现对斜拉桥塔、梁、索的结构化信息和非结构化信息数据存储和传递的可行性。研究表明，在异型斜拉桥中应用BIM技术，可有效提升设计效率，减少人工、时间和资金成本，采用基于XML格式的信息存储技术可解决桥梁BIM中信息存储复杂的问题，为桥梁全寿命管理提供重要支撑。

斜拉桥； BIM技术； 桥梁全寿命管理； 存储与传递； XML格式

传统的计算机辅助设计与管理方法及流程已经越来越难满足目前建筑工程和交通领域越来越复杂的需求，建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)概念的出现突破了土建行业信息管理发展新阶段的瓶颈，为工程行业提供一个全新高效的工作平台，使工程设计建造周期显著缩短、效率和品质全面提高。

然而桥梁工程运用BIM技术核心是实现桥梁工程信息的共享与转换[1]，因此结合桥梁工程信息特点探索桥梁工程信息交换和共享机制，通过构建桥梁工程 BIM 数据集成管理框架体系和基于BIM的桥梁信息模型数据分类与存储模式，对促进桥梁工程BIM技术的发展应用有重大意义。

1 工程背景

1.1 BIM技术在桥梁中应用现状

由于桥梁工程的高速发展，如今出现越来越多的桥梁异型构件，其构造复杂，对材料和力学性能的要求更高，同时还需要保证桥梁长期服役状态下的高标准、高质量。因此为了适应桥梁工程技术的发展与应用，桥梁工程BIM技术应运而生[2]。国外BIM在科研、设计、施工和维护重建等领域均有应用，但国内针对桥梁BIM应用更多的是在施工阶段，在桥梁设计阶段仍处于初步探索状态，而BIM技术在设计阶段的应用主要表现为以模型为主导的设计，具体表现有构件分类、族库建模、可视化设计、参数化设计、半自动化出图等应用。在沪昆客专北盘江特大桥(图1)设计中，中铁二院进行了基于BIM技术的设计，建立了详细的全桥模型、劲性骨架局部模型、节段模型及场地模型等(图2)。

图1 沪昆客专北盘江大桥

1.2 桥梁工程BIM与建筑工程BIM的异同

建筑工程对BIM应用的要求主要以减少重复工作、解决碰撞、利于工程各方沟通和管理为主，便于运营维护管理，是一定场地范围内建筑、结构、机电工程的集成[3]。而桥梁工程较之建筑工程，对结构的受力性能要求更为突出，桥梁工程的BIM研究不存在建筑、机电和结构相互协调的问题，而是由于其跨度大、使用寿命长、荷载大、易损伤，需长期监测检修，因此其主要以包含性能信息在内的全寿命模型应用为主，以结构受力性能为主要关注对象，倾向于生命期内结构和性能信息的集成和流动管理。两者的应用侧重点见图3。

图2 沪昆客专北盘江大桥BIM应用

图3 BIM在建筑工程、桥梁工程中应用的侧重点

1.3 依依桥工程背景

本文以珠海市横琴新区依依桥桥梁工程为项目背景，桥梁总长188 m，全长196 m，布跨方式为4×30 m+68 m =188 m，通航孔设置在主跨跨径内。本桥结合周围环境和桥位建设条件，在对传统有背索斜拉桥深入研究的基础上，取独具东方之美且象征世界性的凤凰文化的“凤首箜篌”，提出的一种新型的有背索前倾曲塔斜拉桥，桥塔前索面向北岸弯曲倾斜约40°，配合竖琴形前索，整体外观呈“凤首箜篌”造型。从倾斜曲塔上设置两组背索锚固于边跨的外缘，与前索在空间上形成稳定的四面体构型(图4)。设计结构形式既区别于常规斜拉桥，又区别于传统无背索斜塔斜拉桥[4]，全桥结构力线明确，与周围景观协调统一。

图4 依依桥空间造型

依依桥主桥桥宽为31～38 m，主塔采用变截面倾斜曲塔结构，塔身曲线线形采用圆曲线拟合，桥面采用双向6车道布置，全桥共设23根拉索, 包括17根前索和6根背索。

2 BIM技术在斜拉桥设计中的应用

2.1 依依桥特殊部件的优化及构件族的建立

依依桥为钢结构异形斜曲塔斜拉桥，也可看作协作体系斜拉桥，采用的是塔梁固结、塔墩分离的结构形式，主梁主跨采用变截面钢箱梁，边跨也采用了钢箱梁结构形式。桥梁上部结构包括钢箱梁主梁、前倾曲线钢塔和斜拉索系统三大部分。下部结构包括桥墩和桩基础、桥台等内容，具有结构复杂、异型构件众多、工程信息量巨大等特点。为顺利实现该桥的设计，从概念设计开始就采用了基于BIM技术的空间三维模型设计思想，并一致贯穿到施工图设计阶段[5]。

桥塔采用了前倾式曲塔方案，桥塔立面线形复杂，设计过程中采用曲线拟合的方式实现立面线形拟定，并利用BIM专业软件Autodesk Revit的参数化功能实现曲线各段的平滑拟合。在桥塔设计过程中，三维模型对空间的展示使得用户通过比平面图更直观的方式选择了造型更优的设计方案一(图5)。

图5 桥塔立面优化设计

锚固构造的设计在整个设计过程中占了很大比例的工作量，同时锚固构造也由于桥梁的特殊造型变得空间性很强，且其本身构造复杂，传统二维设计很难表达设计成果，因此通过BIM对锚固构造进行三维设计[6]。由于桥面布置渠化范围向南侧移动30 m，考虑相关构造和受力特性，使得梁上后锚块设计多次进行优化调整，使之和桥面板、横隔板、腹板、加劲肋、封板等的相互关系明确和统一，并构成合理传力结构(图6)。

图6 锚固传力优化设计

在依依桥项目设计建模时，首先需要根据结构构件类别对项目桥梁结构进行分类(表1)。构件族可由多人分别建立，导入项目文件中进行族的调用，采用关键的点线面定位拼装方法组建全桥结构；若某构件族结构发生变化，可直接由项目进入构件族中进行修改，重新导入项目即可完成结构的调整，大大提高了桥梁设计的效率。

表1 桥梁构件族分类

2.2 可视化设计

由于设计过程中建立了相对完善的三维空间模型，因此可以认为设计过程实现了可视化。基于BIM的设计将很好地规避桥梁结构构造空间位置不合理或相互干扰的问题，在设计细节的处理上，桥梁设计中常常被忽略或容易出错的细部构造问题在三维模型中有很好地展示，因此其出错率将大大降低。还有在空间障碍的分析中，通过三维模型更利于分析施工可行性，如本桥的钢结构焊接空间是否足够等，都可以通过三维模型形象量测和展示(图7)。

图7 局部构造可视化设计

2.3 参数化设计

利用Revit强大的参数化性能对依依桥的构造进行设计，通过的相关约束和特征方程，可以快速计算得到需要的点位、交线等空间位置信息，极大方便了构造设计过程[7]。这种参数化设计在模型建立过程中频繁应用，对提高建模效率起到了重要作用。图8为和索塔结构族参数化驱动模型，展示了下部结构中可以被驱动的参数。

图8 下部结构族参数

2.4 半自动出图

依依桥在设计过程中基本完成了全桥重要部位的详细三维建模，因此在设计图出图过程中充分利用了建立好的三维模型，利用三维模型的平面投影来实现平面图出图工作。根据投影比例补充标注和相关细节信息即得到详细的设计图[8]，图纸生成比人工根据平面投影关系手绘更加便捷准确。以梁上后锚块为例，由三维模型直接生成部分图纸，辅助施工图绘图(图9)。

2.5 BIM技术对传统设计及管理优化

BIM技术的应用优势主要体现在两个方面，一是改传统以图纸为主导的二维设计为以模型为主导的三维设计；二是能够实现桥梁全寿命周期的有效信息管理[9]。

传统设计难以直观地表现设计对象，在概念设计和方案设计阶段，特别是造型比选方面天生劣势。基于BIM的设计可以得到直观形象的三维立体模型，而以模型为主导的三维设计质量必然高于二维设计，各专业之间基于模型的协同设计也能够有效避免传统设计中较多存在的碰撞和错漏问题。另一方面，传统设计的信息呈分散状态，信息断层和信息孤岛现象严重，对上一阶段的信息难以有效继承和利用。基于BIM的设计为信息集成提供一个平台，使得信息的继承利用得以快速实现，同时基于BIM的桥梁设计信息还可以与VR技术[10]、3D打印技术进行结合，发挥出更大的优势。

(a) 三维轴测

(b) 平面

(c) 侧视

(d) 立面

尽管BIM这项新技术在桥梁工程领域得到了越来越多的关注和持续的发展，但其基础理论还不尽完善，适合桥梁工程的BIM平台尚无较好的解决方案，基于BIM的桥梁设计、施工、管理等的实施方案还在探索阶段，导致BIM技术在桥梁中的应用目前未取得明显优势。正因为如此，针对桥梁BIM应用的基础性研究需要重点先行开展，为之后的程序开发管理提供理论支撑。

3 基于XML的数据信息存储与传递

3.1 桥梁BIM信息分类与编码

信息分类与编码是指对某一领域的事物按照一定的原则进行分类组织，然后按照一定规则完成统一编码。作为BIM标准中信息语义标准的重要组成部分，桥梁工程要实现BIM应用也必须按一定的原则进行分类编码，特别是强调全寿命设计的要求下，还需要实现对桥梁项目全生命周期各种信息数据的分类和编码，才能实现桥梁工程项目在全生命周期中各阶段、各相关方及各类信息应用平台对桥梁BIM信息的规范利用[11]。

3.2 XML数据格式简介

XML，全称Extensible Markup Language，可扩展标记语言XML主要被设计来存储和传递数据，可以对文档和数据等内容进行“结构化”处理，其具有开放性、可扩展性、平台无关性、内容与形式可分离、结构化、自描述性、异构性等特点。

XML作为一种数据存储和交换的标准，提供了对信息系统内组件建模的方法。XML自身的构造很简单，只使用四个基本“组件”来表达信息，这四个“组件”分别是标记、属性、数据元素和层次结构。与传统数据建模相比，XML信息建模的优点在于它非常直观地模拟了现实，使信息传达更为便捷[12]。

3.3 基于XML的桥梁数据存储与传递

桥梁工程中涉及到的信息除了结构化信息外，还有很大一部分非结构化信息，包括文本、图形图像、文档、单独文件等，这些信息都是存在异构环境中，异构数据集成可以靠XML来描述并保存。因此XML也可以作为跨平台的非结构化信息交换和互操作的一种实现方式。这样，统一的数据XML模型屏蔽数据来源和数据结构的异构性，还可将多个数据纳入同一XML文件模型。把XML作为桥梁工程非结构化信息的存储和转换媒介是一种可行的选择。

4 结论

本文依托珠海市依依桥的设计，针对斜拉桥设计过程中的BIM应用进行研究，分析了现阶段BIM应用存在的问题，针对存在的问题进行了基于BIM的桥梁设计信息管理框架、数据存储与传递技术的基础研究，并总结如下[13]：

(1)依依桥设计过程中运用到了可视化设计、参数化设计、半自动化出图、导出计算模型等BIM技术应用，利用REVIT建立了自定义构件库并组拼全桥BIM模型，BIM技术的应用对提高桥梁设计质量和设计效率具有一定的促进作用。

(2)在桥梁领域中BIM信息更关注桥梁受力信息以及全寿命相关信息。要实现桥梁工程BIM信息集成管理必须按一定的规则对桥梁工程全生命周期信息进行分类和编码。

(3)XML可以作为桥梁BIM信息存储的有效载体。利用对桥梁工程结构化信息和非结构化信息的XML格式存储研究，证实了选用XML作为桥梁BIM信息存储数据格式具备可行性，为桥梁信息数字化存储提出了一种新的实现途径。

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朱殷桥(1991～)，男，硕士研究生，研究方向为桥梁概念设计；何畏(1972～)，男，副教授，研究方向为桥梁概念设计；王亮(1989～)，男，助理工程师，研究方向为桥梁概念设计。

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[定稿日期]2017-03-10