BIM技术在钢箱拱组合梁桥三角区钢筋碰撞分析中的应用

李 建 朱飞飞

(华东交通大学土木建筑学院 江西南昌 330013)

1 引言

钢箱拱组合梁桥结构造型复杂，结构行为与受力特点不易把握，尤其在三角区V腿交叉位置和梁拱结合部受力较为复杂[1－3]。因此，钢箱拱组合梁桥三角区局部钢筋布置困难，钢筋之间容易发生碰撞、冲突。BIM精细化模型能够精确建立钢筋及预应力钢束布置位置，并对钢筋进行碰撞检查，避免施工过程中发生位置冲突[4－9]。鉴于BIM技术在钢筋碰撞检查方面的优异作用，国内已有一些学者对该方向展开了研究。韦华威等[10]以西安火车站改扩建项目中梁柱节点为例，建立梁柱节点的BIM钢筋模型，对BIM技术在梁柱节点配筋优化设计中的应用进行了研究。黄聚生[11]依托济南绕城高速公路，利用BIM技术，检查了梁体钢筋、预埋件等构件的碰撞点。钱搏健[12]基于Revit二次开发，研究了桥梁工程中钢筋的建模方法与应用。叶兆平等[13]在浙江建工嘉兴港区滨海会展中心项目中应用了BIM技术进行钢筋碰撞检查，分析并总结了信息化技术在大型公建项目钢筋集中加工中的应用前景。张鹏程[14]对常见钢筋碰撞节点进行分类分析并提出建议措施，将其归纳为4类，同时提出基于BIM的钢筋深化设计流程。孟卓[15]对钢结构BIM模型与钢筋BIM模型优化整合，通过模型模拟预判碰撞位置，对型钢混凝土梁柱节点进行三维模型展示。结合节点部位的型钢构造，优化排布节点部位梁、柱钢筋的排布方式。目前，国内采用BIM技术在钢筋布置方面的应用主要集中在房建领域，对于钢箱拱组合梁桥三角区局部钢筋碰撞分析的研究较少，本文依托实际工程项目—象山大桥，对钢箱拱组合梁桥三角区局部钢筋碰撞分析进行了研究，提出了一些优化碰撞分析操作的方法，避免了象山大桥三角区钢筋施工时发生冲突，为以后类似工程项目提供了参考与借鉴。

2 工程概况及研究技术路线

2.1 工程概况

象山大桥位于江西省鹰潭市内，主桥上部结构为(80＋160＋80)m预应力混凝土梁拱组合桥，由主梁(变截面预应力混凝土连续梁)、拱肋结构(主拱上下弦、副拱)、吊杆及系杆组成。主梁横截面采用单箱三室斜腹板截面，顶板宽26.5 m，顶面横坡为2.0%，变截面箱梁底缘为二次抛物线，主梁采用纵、横、竖三向预应力体系。主墩采用V型实体墩桩基承台结构。P12号墩高23.5 m，V型墩斜腿高6.5 m，V型墩墩座高7.0 m。P13号墩高22.5 m，V型墩斜腿高16.5 m，V型墩墩座高6.0 m。V型墩斜腿厚2.5 m，采用C50钢筋砼。V型墩墩座采用C40钢筋砼，长×宽＝12.428 m×6.2 m。象山大桥剖面图如图1所示。

图1 象山大桥剖面图

2.2 技术路线

当全桥BIM模型考虑钢筋布置时，对计算机硬件等配置和软件性能要求较高，极大影响建模效率。因此，本文首先采用Autodesk Revit软件建立象山大桥BIM全桥三维模型，然后从全桥模型中提取三角区关键区域的构件族，补充该区域钢筋模型，进行三角区钢筋碰撞分析。技术路线如图2所示。

图2 技术路线

3 三角区BIM模型建立

3.1 桥梁构件建立

首先，依据设计图纸将该钢箱拱组合梁桥进行构件层面的拆分；其次，通过Revit族中放样、融合等功能模块，分别对桥梁各个构件进行建模；最后，获得象山大桥桩基础、拱肋、桥墩和主梁等构件。该钢箱拱组合梁桥主桥箱梁为单箱三室变截面箱梁，建模过程较为复杂，下面以象山大桥主梁3＃块为例。

(1)在Revit族样板中选择“公制轮廓族”，依照主梁3＃块截面的轮廓图纸，分别创建内、外轮廓族，定义轮廓参数，添加约束，实现箱梁轮廓参数化建模。

(2)在Revit族样板中，选择“公制常规模型”，然后将箱梁构件族所需的参数属性、参照平面系统和相关标识添加到族样板中。使用“公制常规模型”样板文件中的放样融合工具定位放样中心线，载入箱梁截面轮廓族，然后创建箱梁模型，如图3所示。

图3 象山大桥箱梁3＃块族模型

3.2 全桥模型搭建

当桥梁中所有构件族搭建完成后，便可以通过新建桥梁项目文件创建轴网、设定标高、确定参照平面；再将各个构件族文件载入到新建的项目文件中；最后通过轴网和标高的控制，根据设计坐标放置各个构件族，拼接成完整桥梁模型。象山大桥全桥BIM模型如图4所示。

图4 象山大桥全桥BIM模型

3.3 三角区钢筋模型建立

3.3.1 主桥V墩钢筋模型建立

主桥V墩钢筋多为常见的钢筋样式，所以，本文使用Revit软件自带的钢筋功能创建此处钢筋模型。

(1)选择合适视图。Revit软件中，支持多种视角、视图模式，包括三维模式，其在空间上自由度很高。在建模过程中，可根据情况来确定视图，以达到准确、快速建模的目的。因钢筋模块是基于混凝土构件，所以在创建钢筋模型时，对主桥V墩局部选择合适的位置增加剖面，采用剖面视图进行配筋设计。

(2)确定混凝土保护层厚度。根据结构施工图纸及相关规范，确定相应保护层厚度。Revit软件中保护层设置应先选择主体单元，然后进行保护层的设定。

(3)选择钢筋参数设置及绘制。Revit软件中拥有自带的钢筋族库，对于常见的普通钢筋形状，可以通过钢筋浏览器查看所需的钢筋形状。选择对应形状的钢筋，按照设计图纸更改钢筋编号、创建钢筋实例，方便后期相同钢筋的放置与查找。钢筋放置之前应按照设计图纸设定钢筋材质、直径、弯曲半径、弯钩长度及角度等参数。设置完钢筋信息后，通过手动调节钢筋防锈长度，放置于混凝土主体内。对于非常规钢筋(如弧形钢筋)，Revit软件中有“绘制钢筋”的功能，在确定合适的剖面视图后，根据设计图纸手动对钢筋路径进行绘制，再添加钢筋参数。主桥V墩钢筋BIM模型如图5所示。

图5 主桥V墩钢筋BIM模型

3.3.2 主梁预应力钢筋模型建立

主梁预应力钢筋类型较多，各类型预应力钢筋尺寸不一，且在项目中定位不规则，直接使用Revit软件自带的钢筋功能创建模型的工作量较大。本文在创建预应力钢筋模型过程中，采用与创建桥梁构件模型相同的方法，先创建预应力钢筋族库，再在项目中进行拼装，搭建完整模型。具体流程如下:

(1)划分主梁预应力类别。将复杂的主梁预应力按放置位置与模型相似度划分为顶板横向预应力束、主梁预应力顶板悬臂束(底层)、主梁预应力顶板悬臂束(顶层)、主梁预应力顶板悬臂束(中层)、主梁预应力腹板弯起束、竖向预应力筋等6个类型进行族模型的创建以及主梁预应力整体模型的搭建。

(2)主梁预应力束参数化建模。选择Revit软件中的“公制常规模型”作为族样板，使用放样功能绘制主梁预应力束路径和截面，添加长度和弯起角度等共享参数。

各类别预应力束只需创建一个模型，其余模型可以通过修改参数的方式快速建模。

(3)主梁预应力钢筋整体模型搭建。在项目文件中载入主梁预应力束族模型，选择合适的视图，通过不同截面上的位置调整，对每根预应力束进行精确定位放置，拼接成完整的主梁预应力束模型。预应力束模型放置完成后，利用Revit自带的钢筋功能创建竖向预应力筋模型。主梁预应力钢筋BIM模型如图6所示。

图6 主梁预应力钢筋BIM模型

4 三角区钢筋碰撞分析

基于已建立的三角区BIM模型，选用Navisworks软件对象山大桥三角区进行钢筋碰撞分析。Navisworks与Revit模型之间的交互较为简便，且Navisworks具有操作简便、碰撞类型丰富等优势，是目前最常用的碰撞分析软件之一。

钢箱拱组合梁桥三角区由主梁0＃块和V腿墩相交形成，构件之间钢筋交叉布置，且数量多、位置密集，要完成该部位碰撞分析工作，对电脑配置有较高要求，且模型分析耗时较长。本文将此工作划分为3个分项目分别进行碰撞分析。

4.1 主梁预应力钢筋碰撞分析

使用Navisworks软件对主桥预应力钢筋模型进行碰撞分析，具体流程如下:

(1)Navisworks软件不能直接读取Revit模型，需要经过中间文件格式的转换达到模型间的交互。Revit软件可以将主桥预应力钢筋模型导出为nwc文件格式供Navisworks软件读取。

(2)在Navisworks中打开模型nwc文件，使用Clash Detective功能，添加检测项目，在检测项目中选择预应力钢筋以及三角区其他构件作为碰撞模型并勾选自碰撞选项，设置碰撞类型为硬碰撞、碰撞公差为1 mm，然后运行检测。

(3)碰撞检测结束后，可以根据用户所需的内容选择需要导出的信息，导出碰撞报告。

(4)Navisworks导出的碰撞报告对模型每个碰撞点都进行了描写，但这种形式的碰撞报告在实际项目中并不适用，所以需要人工筛选整合同类型的碰撞信息，编写可供项目使用的碰撞报告。

4.2 主桥V墩钢筋碰撞分析

使用Navisworks软件对主桥V墩钢筋模型进行碰撞分析的操作流程与4.1节相似，由于桥梁V墩内部除钢筋外并无其他构件，选择碰撞模型时只需选择结构钢筋进行碰撞分析即可。

4.3 墩梁结合部钢筋碰撞分析

象山大桥主桥V墩钢筋设计时，在主桥V墩上部有一部分钢筋伸入箱梁内部，这部分钢筋容易与主桥预应力钢筋发生空间位置上的冲突，所以需要对主桥预应力钢筋与主桥V墩钢筋之间的碰撞情况进行分析。

为了进行两个模型之间的碰撞分析，需要将两个模型的Revit项目文件结合。将构件数较少的主桥预应力钢筋模型链接进入主桥V墩钢筋模型文件，形成三角区局部钢筋BIM模型。Revit可以根据链接模型原项目文件的坐标在新文件中放置模型，因此，在三角区局部钢筋BIM模型，主桥预应力钢筋模型与主桥V墩钢筋模型的空间位置并不会产生变化。

模型修改完成后，碰撞分析的具体流程与4.1节相似。分别选择主桥预应力钢筋模型与主桥V墩钢筋模型为碰撞模型进行相互碰撞，由于4.1节、4.2节中已进行过钢筋的自碰撞，所以该部分碰撞分析不勾选自碰撞选项。

4.4 碰撞分析结果

(1)通过对主梁预应力钢筋进行碰撞分析得到如下结果:主桥下弦拱脚与横向预应力、纵向预应力4-T0、4-J06、4-T13、4-T3 有位置冲突。主梁预应力钢筋碰撞报告示例如图7所示。

(2)通过对主桥V墩钢筋进行碰撞分析得到碰撞位置如下:桥墩钢筋 N1与钢筋 N2、N3、N3a、N4a、N6、N7、N8、N9、N10、N11、N12、N16、N19；桥墩钢筋 N2与钢筋 N5、N6、N7、N8、N10、N11、N12、N19；桥墩钢筋N3 与钢筋 N4、N5、N6、N7、N11、N12；桥墩钢筋 N4 与钢筋 N5、N6、N11、N12、N16；桥墩钢筋 N5 与钢筋 N7、N8、N11、N12；桥墩钢筋 N6 与钢筋 N7、N8、N9、N11、N12。

(3)通过对墩梁结合部钢筋进行碰撞分析得到如下结果:竖向预应力筋与钢筋N7、N15、N20有位置冲突。

图7 碰撞报告示例

5 结束语

(1)基于Revit软件介绍了象山大桥BIM参数化建模步骤，建立了象山大桥全桥BIM模型，为后续钢筋模型的创建提供了载体，从三维角度能够更加直观地反映钢箱拱组合梁桥构件之间的冲突关系。

(2)基于Revit软件建立象山大桥三角区钢筋模型，采用将模型分割后独立创建的方法创建钢筋模型，降低了对电脑配置的需求，提高了建模速度。将预应力钢筋分类型创建，使其能够应用参数化建模，提高建模效率。

(3)介绍了Navisworks软件对Revit模型进行碰撞分析的操作流程。基于Navisworks软件，将象山大桥三角区钢筋模型碰撞分析分割为3个分项目分别进行碰撞检查，降低了该项工作对电脑配置的需求，加快了软件进行碰撞分析的速度。将导出的碰撞报告手动筛选、整理后得到可供项目使用的碰撞报告，为象山大桥三角区钢筋图纸的优化提供参考。