基于B I M技术的预应力变截面桥梁参数化设计

朱俊

（广州市市政工程设计研究总院有限公司，广州510000）

1 引言

BIM技术最早发展于欧美等国家，我国对BIM技术的了解和应用起步较晚，现阶段BIM技术在建筑行业已经得到了应用，但在桥梁工程中的技术表现还不成熟。所以，我国学者开始了对BIM技术在桥梁设计中的研究。刘勇[1]等人通过相关研究介绍了桥梁直线变截面的特点，以及Revit建模的优缺点；蒋为刚[2]通过程序编写，对桥梁的信息模型系统进行了开发，通过工程实例测试了该系统的实用性。通过以上作者的研究分析可知，我国对于BIM技术在桥梁中的应用还不完善，需要进一步提高，所以，本文研究方向仍具有很重要的意义。

2 B I M技术分析

2.1 B I M技术优点

通过对比传统设计方式与BIM技术的优缺点可以得出该技术的5大优点如下：

1）BIM技术的数字化使构件在进行修改时可通过调整参数进行，信息对模型的描述由二维上升到三维的形式，除了结构几何特性的描述，还包括物理特性、材料特性等的描述[3]。

2）BIM技术可以应用于桥梁建设的全寿命周期内，主要阶段包括设计阶段和运营阶段。在整个过程中可以实现随时对模型材料属性、物理特性等的修改，以及工程量的变动。

3）BIM技术可以通过对施工现场条件的模拟以及材料统计来进行进度控制和成本估算。

4）BIM技术在进行变更时，能及时对信息进行修改并保存，项目的各参与方可以实时掌握变更内容和次数，使各方协调进行工作。

5）BIM技术能够完成信息共享，这种方式可以使设计的各项数据通过各个平台展现出来，使决策速度和质量得到提高。

2.2 B I M技术缺点

BIM技术作为一项新研发的技术，在诞生阶段既存在优点也存在不足之处。BIM技术想要取得较好的发展，应进行不断的研究和改善，这是一个长期的过程。现阶段BIM技术主要应用领域是建筑行业，在公路桥梁的设计中应用较少，目前还处于摸索阶段，技术水平存在一定的不足，主要表现在以下方面：

1）成本高。桥梁设计既需要人才还需要技术，但是，BIM技术的研发尚处于初期阶段，人才培养更是落后，技术的利用率较低，软件的后期升级费用较高。对人员与技术进行综合分析可知，BIM技术想要普遍使用具有一定的难度。

2）模式转变困难。传统的桥梁设计方法首先被使用，且使用年限较长，人们会产生先入为主的心理，设计人员对于传统的设计观念和设计手段较为熟悉，技术掌握驾轻就熟。BIM技术尚且存在较多缺点，当设计要求达不到业主的要求时，要进行修改，这样会严重影响设计进度和经济效益。设计人员的固有思维限制了BIM技术的运用，设计维度由二维转向三维，由平面升级成立面，改变了工作的性质，思维转变存在一定的局限性。

3 案例分析

3.1 工程概况

本项目为某箱梁桥，桥梁全长为637 m，采用预应力T构箱梁，箱梁顶板存在1.5%的双向横坡。桥梁的桩号范围为K8+080~K8+717,桥梁的中心桩号为K8+318.5，桥梁下部结构主要形式为群桩基础。行车道的设计荷载为城市-A级，标准横断面为人行道（2 m）+行车道（8.5 m）+人行道（2 m），安全等级采用一级，设计基准期为100 a，行车速度为30 km/h。

3.2 方案设计

本项目在进行方案设计时，利用BIM技术中的Civil 3D和Revit创建环境模型，主要信息应包括地形条件、地理环境等。利用Civil 3D软件将经处理的等高线生成地形，并建立地质模型，然后，对模型中的地面坡度、地面高程等进行分析。该地形可以导入Revit，生成数字三维地形。

通过Revit对桥台、桥墩、主梁等进行创建族操作，然后，将所有构件（包括三维地形）载入到同一项目文件下，根据桥梁的结构位置进行拼装成桥。最终桥梁经Lumion渲染后的效果图如图1所示。

图1 桥梁效果图

3.3 施工图设计

施工图设计主要任务是给模型构件进行属性定义，主要包括使用的材料、构件的尺寸等，然后，建立LOD300的模型。该模型具有以下特征[4]：

1）桥梁的构件归于同一模型中，有助于分析桥梁各个组件间的空间关系，有助于设计缺陷的发现，构件之间的相互冲突可以被检测出来，给设计审核与审图带来较大的方便。

2）该模型所有各类平、立、剖三视图都对应同一个模型，若发生设计变更，只需直接对模型进行修改即可，所有相关视图都会随着模型的更改而自动更改。极大地提高了施工图出图效率。

3）模型有助于进行相应工程量的统计，可根据定义材料的属性和参数对工程量进行自动计量，输出构件明细表[5]。

4）LOD300模型还可制定该项目的施工进度计划，对施工进度进行模拟分析，根据分析结果来制定施工组织方案，起到指导施工的作用[6]。

4 桥梁结构计算

利用BIM技术进行桥梁设计时，提高了设计的效率和质量，改变了设计方式，减少了变更的次数和工作量。在进行设计后应对成桥后的刚度、强度、稳定性进行相关验算，保证其满足相关规范要求。

桥梁进行结构计算时采用的永久荷载有：结构自重（主梁自重和二期恒载）、预应力钢筋产生的荷载、混凝土自身的收缩徐变以及基础变位（主墩002 m、边墩0.01 m）。本文采用的混凝土和钢筋的各项参数如表1和表2所示。

表1 本文采用的混凝土参数

表2 本文采用的预应力钢筋参数

桥梁进行结构计算时采用的可变荷载有：温度荷载、活荷载、风荷载、雪荷载。

本文采用的桥梁组合设计如表3所示。

表3 桥梁荷载组合

4.1 上部结构计算

利用有限元模型构建结构静力图分析成桥状态的应力。模型中的梁单元有242个、节点317个、板单元48个。通过计算结果表明：成桥状态下主梁的最小压应力为2.39 MPa，最大压应力为9.78 MPa，且应力分布较为均匀。

4.2 主梁抗裂验算

通过对短期效应组合下主梁正截面上、下缘应力以及收缩徐变10年后短期效应组合的最大拉应力计算可知，主梁截面下缘未出现拉应力，上缘只有中墩对应的截面出现了少许拉应力，该部分构件与桥墩刚性连接，杆系单元模拟该结构较为保守。

通过对成桥和成桥10 a后组合4（见表3）的荷载组合作用下主梁斜截面混凝土的最大拉应力进行计算可知，该组合下，斜截面最大主拉应力σtp为1.088 MPa，该值小于0.4倍混凝土抗拉强度标准值（1.096 MPa），所以，该值满足设计要求。

4.3 刚度验算

由相关规范规定可知，汽车荷载下的挠度值应小于220 mm，通过计算结果可知，构件在活载下的挠度最大值为36 mm；当混凝土采用C40~C80时，挠度长期增长系数为1.35~1.45，C55的混凝土挠度长期增长系数为1.413，满足设计要求。

5 结语

1）BIM技术可通过参数调整实现数字化，输出信息的表达可从二维上升到三维。在进行桥梁设计时，BIM技术提高了工作效率，弱化了专业间的衔接错误，减少了设计变更，实现了信息共享。同时，也存在成本高、思维模式转变困难的缺点。

2）在进行方案设计和施工图设计时，充分体现了BIM技术的可视化，通过LOD300模型对桥梁的构件进行碰撞、工程量统计和进度分析结果表明，原设计存在一定的不足。

3）对桥梁进行有限元分析，通过验算不同荷载组合下上部结构、主梁抗裂性能以及刚度，验算结果均符合规范规定要求。通过结构计算表明：基于BIM技术的桥梁设计的力学性能符合规范要求。