BIM技术在桥梁抗震中的应用

庄欠国 济南市市政工程设计研究院（集团）有限责任公司

1 前言

我国经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段，近几十年来，桥梁数量和里程也得到快速的发展，在由交通大国转变为交通强国的战略下，推动桥梁的高质量发展是当前和今后一段时期的要求。对于桥梁抗震设计而言，由于社会的快速城市化发展，人口、建筑以及财富的高密度特征，需要切实解决好桥梁的抗灾能力不足，减少桥梁对灾患的暴露性和受灾脆弱性，满足人们对抗灾能力的更高、更全面要求，提高对灾患的预警、应灾、灾后复原、恢复和重建能力。

2 BIM技术概述

BIM技术及建筑信息模型，是20世纪70年代诞生于美国建筑业建筑施工管理理论和管理方法，其是将建筑设计、施工管理、项目协同、施工运营等诸多与建筑施工密切相关环节纳入管理范畴内，将建筑视为一个完整的生命体，通过合理规划、模型建构、协调运营的方式将建筑整体工程细化、量化，通过优化建筑施工的各个环节来推动建筑工程整体质量的提高。现代BIM技术是在原始BIM技术基础之上结合了现代计算机技术、三维数字技术、多媒体建模技术基础上发展而来的一种信息化、数字化、集成化的建筑信息模型系统。将其搭载在计算机设备之上，通过专业的软件进行建筑信息数据编辑即可将建筑工程的数据信息转化为可视化的2D或3D模型，从而帮助设计师或工程施工人员进行工程方案设计或施工管理。现代BIM技术将原有的需要实地考察的工作内容转化为可视化的信息数据，从而能够大大提高建筑工程作业的效率，因此在建筑业中广泛使用。截至目前，在发达国家BIM技术已广泛应用于市政工程、道路交通、房屋建筑、开山探矿等工程作业中，成为了现代建筑工程施工、规划、设计、管理的首选技术手段。随着我国的经济发展、科技进步，BIM技术逐渐在我国建基建行业落地生花并取得了相应成效，在提高施工效率、完善工程质量管理中有着活跃表现。

3 BIM技术在桥梁抗震中的应用

3.1 承载能力抗震设计方法

这是我国规范现阶段采用的设计方法。对于常遇地震，利用反应谱计算底部剪力，然后按一定规则分配至结构全高并与其他荷载组合，进行结构的强度设计，使结构各部分都具有足够的承载能力，然后再进行变形验算。承载能力设计方法的优点是易于使用，性能概念清楚，细部设计可靠，通过非线性静力分析验算，进一步增强了对结构非线性反应的控制，可以更好地达到预期性能目标；缺点是该方法基于弹性反应，对于非弹性反应仅用与结构类型有关的系数加以折减，表面上它控制整个性能目标，实际上却只是保证了一种性能目标。

3.2 性能为核心的抗震设计

以性能为核心开展的抗震设计，属于桥梁工程整体的抗震设计策略。抗震性能具体指桥梁工程结构在承受地震力时，地震力具有不规律性，桥梁工程结构的抗震性能具有预期对抗地震力的目标性能。应设计目标范围，对受损情况予以控制，保障桥梁工程在地震完成时，其交通性、安全性能够继续保持。性能为核心的抗震设计的应用优势在于：从宏观视角保障抗震设计可行性，完成定性向量化目标的过渡，调整抗震设计的核心价值。由保障桥梁工程安全性，转化为各类地震作用桥梁工程性能建设目标，以此借助多重设计视角、多层次抗震设计元素，最大限度地保障桥梁工程结构稳定，减少地震灾害带来的负面应用。桥梁工程结构性能的建设预期内容，具体表现如下：①针对地震危险因素采取科学定义确定方式。②针对桥梁工程结构在各类地震灾害作用下有可能性形成损坏、性能降低等问题，确定桥梁工程结构建设形式，保障其震后使用的有序性。③抗震性能设计包括多种方法，具体表现为承载力确定、位移控制、能量设计等。

3.3 强化结构体系的桥梁抗震设计措施

桥梁的整体结构属于比较复杂的构件体，由于地震灾害对桥梁的各个结构比较容易造成不可避免地损害，如螺丝脱落的现象时有发生，尤其是桥梁的重要部位，若出现被损害或者螺丝脱落等其他的故障问题，将会使桥梁的安全性能以及稳固性能受到很大的影响。为使桥梁的各个构件提升其稳定性能，须优化设计方案，注重桥梁各个构件之间的连接设计，从其稳定性与抗震害的强度方面加以提升，以达到桥梁的每个部位结构间空间的合理性，促进了桥梁各个部位的连接性，突出了抗震设计效果的合理性。需注意桥梁各个构件的受压程度以及抗震害的承受能力，因此，在实际的设计工作中，应减低抗震害风险、稳定桥梁构件的抗压能力为设计目标，加强对桥梁结构的稳定性能。采用科学有效的措施，提高桥梁在面临地震灾害时的抵御能力，加强结构的刚度设计，可防止地震灾害时出现变形的现象；提高桥梁结构的延性设计，可有效预防桥梁在地震灾害中承受地震超强的冲击力所带来的损坏。同时还须注意加强采取有效的措施使结构的刚度、强度和延展性得以提升，不仅对桥梁起到了保护的作用，而且对预防破坏性的问题以及结构抗震性能的提升有较大帮助。

3.4 模型信息编码

根据BIM模型数据编码规则，将红河大桥设计步骤分为3阶段：项目工可阶段、初步设计阶段和施工图设计阶段。项目工可阶段具体包括：①提供前期资料，明确工程工可阶段范围和内容；②进行桥梁方案设计，确定梁式大桥工可模型和设计信息；③进行方案可行性分析，通过工可模型确定最优方案；④将桥梁初步工可模型上传到协同共享平台，为其他专业进行工可阶段模型设计提供协同参照。初步设计阶段具体包括：①在工可设计成果的基础上进一步加深方案模型，并简述施工方案为施工图设计做准备；②完善总体设计信息，包括跨径、桥梁总长及横断面布置，确定桥面标高及坡度等总体初设信息；③完成桥梁初步设计内容后，提交桥梁专业负责人进行初设专业校审；④将桥梁初步的初设模型上传到协同共享平台以提供协同参照。施工图阶段是桥梁工程设计最后阶段，具体包括：①在初步设计阶段的桥梁模型基础上加以具体和加深，深化主要构造和细部设计；②注明施工过程中的注意要点等信息，使得各种技术指标满足规范要求；③完成施工图设计后，将模型提交至桥梁专业负责人进行校审；④将模型上传到协同共享平台提供协同参照。

3.5 能量法

假设结构破坏的原因是地震输入的总能量，地震对结构物及其内部设施的破坏是由其输入的能量与结构物所消耗的能量共同决定的。能量设计法的优点在于能够直接估计结构的潜在破坏程度，对结构的滞回特性以及结构的非线性要求概念清楚。另外，耗能元件的设置可以更好地控制损失。缺点在于应用方法不够简化，不确定因素较多。

3.6 桥梁的抗震设计分析

通过MADIS/CIVIL单独建立桥墩、最大悬臂及成桥三个不同的施工阶段分别进行反应谱分析，并同时进行RC抗震分析。单独桥墩阶段各内力均小于其他施工阶段，最大悬臂阶段桥墩底部单元弯矩最大。在进行塑性铰抗剪验算时，单墩模型墩顶首先出现塑性状态。墩顶位移结果在各阶段均能满足规范要求。

3.7 数据传输处理更加高效

上文已经提到，传统的有线传输和现场信息处理模式已经不适应于现今桥梁建设的发展。而现今随着物联网系统的来临，将物联网技术与桥梁构造相结合，设计一个桥梁智能健康监测系统成为可能。基于物联网将各桥梁结构安全信息接入互联网，实现集中管理，信息交换，进一步提高系统智能化水平，降低人工的强度与难度。利用传感器感测所监测的桥梁的数据，通过无线传输建立与云数据之间的联系，使传感器能实时传输桥梁的相关参数的监测数据。同时云数据终端对数据进行分析处理后，通过实现车载、船载等客户端与云数据处理中心终端的连接，让驾驶员更加了解桥面的具体情况。

3.8 BIM在工程进度管理中的应用

在工程施工中，进度管理也是工程管理的重要内容，但是在实际的施工过程中会遇到各种各样的问题，很难对施工进度进行精确控制管理。而进度管理不仅仅影响到工程施工，还会对工程成本产生影响，精确控制进度是每一个工程企业都应当重视的问题。BIM技术的仿真模拟不局限于工程自身，还可对人员配置、设备运用、环境影响等进行综合模拟，工程管理者可在BIM中模拟施工的全过程，明确工程管理的各个细节，从而避免一些不必要的问题，最终有助于实现工程进度的精确管控。同时BIM技术独到的动态模拟可以做到一边施工一边调整细节，尤其是BIM对时间维度的模拟可加入环境因素的测算，对于工程资源分配、工程人员配置、工程时间运用均有所帮助，有助于工程施工效率的提高。

4 结束语

（1）通过Prostructures支持导出Parasolid格式与ANSYS支持导入Parasolids格式，成功完成了三维模型和有限元模型的交互。（2）通过导出的ANSYS有限元模型和MADIS/CIVIL有限元模型进行模态分析对比结果表明，验证了将BIM模型导入ANSYS中的可行性。（3）通过MADIS/CIVIL有限元模型进行三个不同施工阶段的反应谱分析得出，如果在桥梁处于最大悬臂阶段承受地震荷载后对桥墩影响最大，如在此阶段发生地震，应及时对桥梁进行检测以确保桥梁施工质量。（4）通过RC抗震设计结果，单墩存在最大墩顶位移，这是由于卧龙沟主墩墩高163m，在地震作用下产生鞭梢效应。（5）RC抗震设计结果表明，高墩结构在强烈地震作用下，大部分将进入弹塑性变形阶段，而墩顶位移结果满足规范要求，这说明在非线性状态下，结构是否破坏将取决于塑性变形能力或耗散能量的能力，而不取决于强度，强度条件并不能恰当地评估结构的抗震能力。