基于BIM技术的山区大跨径悬索桥设计研究

向正松 郭玉龙 李金阳 秦春伟

(四川公路桥梁建设集团有限公司,成都 610041)

引言

2016年交通运输部印发了《关于打造公路水运品质工程的指导意见》，制定总目标围绕BIM技术发展和行业发展需要，有序推进公路水运工程BIM技术应用，在条件成熟的领域和专业优先应用BIM技术，逐步实现BIM技术在公路水运工程中的广泛应用。交通运输部指出了我国交通运输行业在应用BIM 过程中的探索方向，阐述了BIM 的基本原则和发展目标[1]。

近年来BIM 技术在桥梁领域的应用也在逐渐增多，比如夜郎河双线特大桥、沪通长江大桥、湖北鄂东长江公路大桥、土坎乌江大桥、中心滩黄河大桥、北盘江特大桥等都已或正在运用BIM 技术服务于项目[2]。这些项目不同程度上应用了BIM 技术，利用BIM 技术解决了不少工程中的难点和重点，为以后使用BIM 技术的工程提供了现实依据[3]。

根据交通运输部有关要求，结合我司在公路行业的发展现状和目标，科学制定BIM技术发展规划，以项目示范试点、标准化、技术研究等为先导，在条件成熟的领域优先应用 BIM 技术，总结经验，统筹推进，逐步实现 BIM 技术在我司公路工程广泛应用。赤水河大桥是四川路桥集团投建一体化示范项目，路桥集团以该项目为依托探索投建一体化项目BIM技术应用新模式，寻找一条有效推广BIM技术的路径。

1 工程概况

赤水河大桥位于习水县习酒镇，横跨川黔两省界赤水河，连接贵州江习古高速与四川叙古高速，大桥全长2 009m，主桥设计为1 200m双塔单跨钢桁梁悬索桥，造价17亿元，是江津经习水至古蔺高速公路重要控制性工程。大桥建成时是世界山区同类型桥梁中第一高塔、第二大跨的峡谷大桥。

图1 总体布置图(单位：cm)

赤水河大桥主桥长为(325m+1 200m+205m)，宽27m，主梁为板桁结合钢桁梁，带竖腹杆的华伦式桁架结构。贵州岸引桥跨径布置为2×30m+4×(4×40m)，四川岸引桥跨径布置为3×33m，引桥宽24.5m，两岸引桥均为先简支后结构连续T梁。全桥共2根主缆，主缆采用预制平行高强钢丝索股结构(PPWS)，主缆紧圆后直径737mm。主塔采用C50混凝土，贵州岸主塔高243.5m，四川岸主塔高228.5m。主塔均采用钻孔桩基础形式，贵州岸为重力锚碇，锚碇采用扩大基础形式，四川岸为隧道锚碇，锚碇长度78.35m，总体布置见图1所示。

赤水河大桥在同类型桥梁中具有示范意义，其工程特点突出，表现在桥位处地形地质情况复杂，施工地势险要，项目选线难度高，悬索桥结构体系复杂。

赤水河大桥是整个项目的控制性工程，对桥位的选择关系到整个线路的走向。本桥段主要受控因素是两岸的岔角滩煤矿采空区及压矿影响，桥位选择从穿越采空区及避绕采空区两个思路拟定，其中Q、K、S为穿越贵州境采空区的方案，Y、X为穿越四川境采空区的方案，V线为避绕采空区的方案。

赤水河大桥位于不对称的峡谷地形，贵州岸为缓坡地段，四川岸为陡崖，设计高程与地面高程之间的最大高差约为300m。根据工程地质测绘勘察，赤水河特大桥桥位区主要有崩塌、危岩及岩溶等不良地质。桥位四川岸地形陡峭，局部坡面最大坡度接近90°，平均坡度40°左右。主塔顶距赤水河面约450m，桥位正下方为车流量较大的县道X013古习路，施工安全风险大，且索塔设计直接关系到工程开挖防护的规模。

在结构体系方面，悬索桥是目前跨越能力最大的一种桥型，主要由悬索、索塔、锚碇、吊杆、桥面系组成。悬索桥的锚碇属于隐蔽工程，预留孔洞多而且定位复杂，同时锚碇内部的钢筋、预应力钢束、冷却水管等构件穿插交错，极易产生“错、漏、碰、缺”等问题[4]，一旦出错可能造成后期返工甚至延长工期。此外，隧道锚是空间变化曲面，现场测量人员依据实际施工进度自行推算锚碇构造截面空间曲面坐标和众多索股的空间坐标，放样效率低下，且易于出错。其次，悬索桥钢桁梁结构复杂、杆件多、螺栓多、节点散件多。最后，本桥索夹种类多、数量多，全桥索夹多达158个，且每个索夹耳板角度不一样。

基于悬索桥设计过程中存在的困难，在设计过程中引入BIM技术，辅助工程师进行设计工作。

2 BIM实施路线

依托本项目探索投建一体化BIM应用新模式，建设伊始应用BIM技术的目标是提高项目设计质量，减少施工阶段变更，提升沟通效率和设计施工效率，节约建设工期，从而节约投资，同时兼顾考虑特大桥建、管、养全生命周期的建设理念，发挥投建一体化的优势。具体应用目标主要有以下几方面：

1)建立高精度BIM模型，进行设计深化应用，解决悬索桥设计难点、痛点，提高设计质量，同时为特大桥建设——运维提供模型载体。

2)探索二三维结合的出图模式，保障设计意图的高效传达； 利用三维模型及其参数信息，自动生成所需要的图纸及文档。

3)研发项目管理平台，打通各软件厂商数据互通壁垒。二次开发建模插件及出图插件，提高建模及出图效率。

根据应用目标，制定项目实施方案，利用BIM技术辅助解决悬索桥重难点设计，实施路线如图2所示。

图2 实施流程图

四川路桥勘察设计分公司BIM中心团队联合路桥集团各部门技术力量，以及中交公规院、北京跨世纪组成的设计团队开展协同工作。四川路桥进行总体统筹管理，各专业在统一平台上协同设计。为更好地将BIM技术应用与赤水河大桥项目中，公司成立包含道路、桥梁、地质、测绘、计算机等专业的专人BIM小组，将BIM小组统一纳入赤水河大桥项目组管理，各专业设计人员负责相关专业模型的深化设计、版本管理、成果输出管理等。

项目团队依托本项目组织制定企业内部《BIM协同设计管理体系》、《BIM建模标准》、《BIM信息模型应用与编码标准》三部标准。

在项目应用过程中，为了满足项目的实际需求，主要运用的Bentley和达索软件，采用Bentley的Microstation、Powercivil、Prostructure建立线路、测绘、地质、桥梁主体BIM模型，采用达索平台建立悬索桥的缆索及索夹模型。

在公司技术中心及项目组等多方支持下，项目BIM团队配备了高性能的工作站、服务器、VR设备等硬件环境。

3 BIM设计应用

根据项目特点，采用Bentley、CATIA等软件完成全桥建模工作，全桥模型精度为LOD300。通过软件建立精确的桥梁模型实体，能够根据模型进行构件的加工制造，构件信息包括几何尺寸、材料类别、工程数量、构件编码等产品信息，模型信息量与施工图设计完成时的CAD图纸上的信息量保持一致。利用模型进行主桥复杂构件的三维出图与钢结构的加工制造，同时对主索鞍、散索鞍、索夹和钢桁梁等钢结构做深化设计，能够精确统计用钢量。模型完成后将模型上传至基于超图开发的GIS平台，进行BIM+GIS展示。

运用多旋翼无人机加上倾斜相机航拍项目现场，对项目场地做三维地形测绘，可视化采集桥位区地形地貌。无人机航拍的数据导入ContextCapture进行实景建模，建立场地的三维数字模型。采集和可视化现有场地条件，形成详细、精确的三维数字模型。项目初步设计阶段测绘精度为1： 2000，施工图设计阶段测绘精度为1： 500。利用这些数据辅助科学决策，加快方案设计流程。通过三维场地测绘，能够解决现场险要地势测绘困难及采样点不足，加快方案设计效率和降低成本。

通过基于Microstaion自助研发的三维地质模型生成模块，基于地质钻孔数据，快速生成场地范围内的地质模型，如图3所示。三维地质模型展示复杂地质结构，如溶洞不良地质、结构物与管线关系、任意地质剖面切割，二次利用可进行岸坡数值模拟计算、土石方量精确计算，如图4所示。

图3 三维地质图

图4 四川岸数值模拟

另外赤水河大桥桥位选址是整个线路的控制性节点，本段线路考虑的控制因素较多，同时受控于岔角滩煤矿采空区及压矿区影响。项目采用ORD生成Q、K、S、Y、X、V六条路线方案后导入GIS平台，如图5所示。GIS技术能够直观反映主线方案桥位处不良地质和采空区的分布情况，运用三维可视化技术快速分析出路线节点工程如桥梁、隧道、高边坡等三维数字场地，便捷查询桥梁主要构件位置处的地形地貌，辅助桥址选择。结合三维倾斜摄影，对索塔、锚碇设置场地的施工难度和合理性进行分析，实现精细化设计。

赤水河大桥桥位处地势陡峭，现场踏勘困难，为了缩短便道方案设计周期。借助于GIS三维可视化技术辅助便道方案比选，如图6所示。GIS平台快速统计工程数量，确定工程规模，缩短便道的设计周期。本次方案高效确定了隧道长度最短，造价最低的方案四作为实施方案。

图5 主线方案

图6 便道方案

同时三维数字场景直观呈现桥位区地形地貌、构造物空间位置关系，运用BIM技术快速、合理规划场地大临设施布置，如图7所示，优化施工组织。

BIM技术在深化设计方面也有其独特的优势，如锚碇精细化设计、索夹设计、钢梁设计等方面。

悬索桥锚碇混凝土断面尺寸大、单次浇筑混凝土方量大、浇筑时间长，锚碇施工属于大体积混凝土施工，如果分层浇筑时间较长，混凝土水分蒸发过快，导致混凝土收缩开裂。而传统设计只提供分层原则，逐层数量统计困难。在建立锚碇时，按照构件拆分原则将重力锚分为散索鞍支墩、支墩基础、锚体后浇带。建立锚碇模型，依照分层浇筑原则，锚碇分为15层，每层模型为一个对象，对象有几何属性和非几何属性，三维设计能够高效统计逐层数量如图8所示，优化材料供应，严控浇筑水化热，提升浇筑质量与品质。

图7 施工场地布置

图8 锚碇分层和工程统量

锚碇系统精确定位是施工难点，传统设计图纸提供相对坐标、施工累计误差大、放样效率低。根据预应力管道中心线定位锚碇拉索，确定各拉索的相对位置，锚碇模型根据道路中心线组装后确定其坐标。三维模型可精确输出索股空间坐标如图9所示，解决二维设计索股定位困难，提升设计效率。同时，通过三维模型可动态查询隧道锚曲面任意空间截面控制点坐标，施工单位无需根据进度自行计算控制点坐标，可直接导入全站仪进行现场放样，随时修正模板定位，提高放样精度与效率。

另外，由于锚固系统的钢绞线拉索、索股锚固件数量繁多且空间位置复杂。对锚碇模型按照“系统、构件、零件”层级进行结构拆分，通过BIM模型建立锚碇钢筋三维模型，避免索股、冷却水管、定位型钢和钢筋的空间碰撞如图10所示，优化索股角度和钢筋布置，提高设计质量。

锚碇排水是悬索桥中的一个难点，本项目利用BIM模型分析隧道锚与主线的空间位置关系，将锚碇的排水引入主线隧道排水系统中如图11所示，创造性地解决了隧道锚永久排水问题。同时，BIM模型与三维场景的结合，提出重力锚利用地形设置引洞方案将锚碇内明水排出地表，解决重力锚的排水难题，降低运维安全风险，节约运维成本。

图9 锚碇定位

图10 锚碇索股精准设计

图11 锚碇排水

悬索桥索夹的精度要求高，索夹角度调整带来的工作量大，计算工序繁多，且索夹的设计精度直接关系到运营期吊杆的受力和钢桁梁结构的耐久性，传统设计手段难以保证索夹铸造构件的高精度要求。全桥索夹共有7钟类型，索夹主要由上半索夹、下半索夹、耳板组成。索夹顺桥间距与钢桁梁节段距离相匹配，索夹高程为主缆理论标记点高程，索夹中轴线与主缆定位点相切，因此索夹有竖向和横向夹角。将索夹的角度设置为可变参数，使索夹尺寸与角度联动，其构造按一定规则适应主缆线形变化，实现异形结构可视化设计，解决悬索桥索夹设计痛点。

钢桁梁板件多而空间小，操作难度相对较大，钢桁梁几乎所有弦杆都需要预拼装，一旦杆件设计出错导致杆件返工，严重耽误施工工期。二维传统设计无法进行钢结构的虚拟拼装，同一个节点板的设计意图需要多张图纸结合表达，对参建单位人员专业技能要求高，否则会导致现场拼装失败。利用BIM技术参数化钢桁梁设计，在模型中对钢结构进行虚拟拼装，在设计阶段消除钢桁梁设计误差，通过虚拟安装，优化结构尺寸，使得结构设计更合理可靠，节约工程造价。钢桁梁复杂节点采用“三维+二维”相结合的出图方式，将三维模型图和二维投影图有机结合，设计意图更加清晰直观。三维设计模型与二维图纸关联，一方面可以确保图模一致性，另一方面可以实现便捷的联动批量修改，形成自动化的智能交互过程，大大节省了设计制图时间，避免了调整带来的重复工作量。并且采用三维+二维结合表达方式能够减少图纸张数，节约自然资源，更加环保。

BIM 最直观的特点在于三维可视化，利用BIM 的三维技术在前期可以进行碰撞检查，优化工程设计，查找钢桁梁吊装工艺中潜在的碰撞，优化施工方案组织，减少在悬索桥在施工阶段可能存在的错误损失和返工的可能性，而且优化杆件拼装空间和泄水管排布方案。

4 BIM拓展应用

自主开发项目管理平台，以IFC数据格式为基础，打通了传统软件间数据互通的技术壁垒，确保数据信息的高效流通。平台具有BIM模型拆分、模型轻量化和统一数据格式的功能，可根据相关编码标准对构件快速编码，经过平台处理完成后的数据通过GIS端展示，管理平台为项目的建设和运维提供基础模型载体，平台如图12所示。

图12 项目管理平台

为提高建模效率和高效查询相关模型信息，自主研发出图插件、桩号查询、批量坐标输出和快速打孔等工具，辅助本项目BIM技术的应用。出图插件能快速将三维模型转换为二三维结合的图纸，提高出图效率； 查询桩号工具方便建模人员随时查阅、定位设计桩号。查询坐标工具方便建模人员批量查询关键部位坐标，校审图纸，现场人员能够快速查询模型坐标进行施工放样、定位； 钢桁梁快速打孔工具能批量打孔并生成螺栓、螺母构件，辅助钢结构建模。

运用VR技术，将大桥竣工效果虚拟呈现，展现大桥整体设计景观效果如图13所示。同时，借助VR技术进行项目沉浸式漫游、可直观查看钢桁梁、索塔、锚碇和索鞍等复杂结构设计和空间位置的合理性。此外，通过仿真驾驶，检验公路停车视距，识别视距是否满足要求，标志标牌设置是否合理、醒目等。

图13 VR仿真分析

5 结论

BIM技术给工程建设带来多维度可视化解决方案，对于大体量、投资高、周期长、参与方多的公路项目来说，BIM技术将众多工程信息集成，通过信息化的方式实现可追溯、可继承，改变了传统的点对点信息传递模式，解决“信息孤岛”的问题，贯彻了全生命周期的建设运维理念，为智慧公路打好基础。针对公路工程民生属性的要求，BIM技术的可视化、模拟性提供了直观边界的沟通方式，协助项目决策，通过BIM与新兴技术的结合，为传统建设难题提供了多样化的解决方案。

具体表现为以下方面：

(1)在管理层面通过协同管理机制，建立一系列的BIM标准和制度，将信息化、移动化办公技术融入项目设计流程中，采用统一数据编码和标准的项目交付，为投建一体项目后续施工、运维阶段打下信息基础，提升工程全寿命周期应用价值。

(2)项目利用BIM三维技术，进行锚碇系统精细化设计，精确高效的坐标输出和碰撞处理方式，解决传统二维设计难点和痛点； 依托BIM+GIS技术技术提出的锚碇永久排水方案，解决锚碇排水难题。通过BIM+GIS技术快速、科学合理地场地规划，优化场地布置，提高施工场地利用率，避免二次搬迁。

(3)通过VR技术进行复杂节点检查，优化结构设计，VR驾驶体验不仅能呈现大桥整体景观及视觉效果，还能检查标志标牌设置是否合理，醒目等。

(4)通过精细化建模进行深化设计，共发现114处错、漏、空、缺，提前发现项目设计中存在的问题，避免后期变更，节约成本。三维可视化交底突出隐蔽工程风险点，规范施工流程，解决现场人员识图慢、识图难的问题，确保设计意图的清晰传递。

本项目运用BIM技术解决山区大跨径悬索桥设计中的难点问题，并提出相应解决方案，收到良好的效果，对同类型项目具有较强的借鉴意义，具有一定的推广应用价值。