基于BIM技术钢混组合梁桥设计及施工的应用研究

张海林

（山西路桥第六工程有限公司，山西 晋中 030600）

0 引言

公路桥梁工业化、信息化和智能化是未来桥梁行业发展的新趋势。BIM作为新兴热门技术，将它与桥梁全生命周期设计与管理理念结合，有助于推动桥梁产业向信息化技术的发展。钢混组合梁桥具有受力性能好、施工周期短、便于工业化生产、经济性能突出，且资源可回收持续发展的优势，同样是未来中小跨径公路桥梁的发展潮流[1]。为实现钢混组合梁桥高效设计、快速施工及便于管理，将BIM技术与钢混组合梁桥建造方式相结合，采用设计、施工一体化的信息化建造模式，可全面提高桥梁的设计效率、施工速度，并有效降低建造成本，为实现桥梁产业向信息化和工业化方向转型发展提供技术保障。

1 基于BIM技术的钢混组合梁桥参数化设计

钢混组合梁桥的BIM设计可按照传统的初步设计、技术设计和施工设计3个阶段依次进行，主要的区别是从传统的CAD图纸和分散的工程资料转向为信息集成的BIM设计模型。创建设计模型时，可通过控制参数将各比选方案在同一个BIM模型中切换。以BIM全生命周期理念为基础，通过虚拟模拟、AI等新技术的应用，BIM模型设计所包含的内容和深度都将远优于传统的设计方式[2]。现阶段具体做法可通过BIM核心建模软件创建参数化模型，并完成信息集成，以数字化模型为基础，对模型进行二维平面出图、工程量统计和碰撞检测等深化设计应用，并为设计方与业主和施工方搭建起一个有效的数据交流平台。

1.1 参数化BIM模型

针对钢混组合梁桥构造特点，开发一个面向对象的BIM建模系统，将桥梁上、下部构件拆分，形成固定形式的构件对象。以Revit为例，面向对象称之为族，由于Revit系列软件主要针对房屋建筑行业，缺乏桥梁族构件[3]，因此，在BIM模型设计过程中，选择合适的控制参数，分别创建参数化构件族，通过参数驱动模型几何型体，并添加非几何信息。将创建的构件族载入共享族库中，根据工程实际需求从族库数据中载入类似的标准化族构件，再利用共享参数调整构件的尺寸和空间位置，以及模型属性信息，从而完成族构件的创建和桥梁BIM模型的建立，加快建模速度，提高设计效率。

图1 参数化构件模型

具体做法是将创建好的族构件载入至Revit“钢混组合梁桥”项目文件中，按照桥梁空间位置关系和逻辑关系依次拼接，创建完成后输入项目相关的属性信息，最终完成钢混组合梁桥的设计BIM实体模型。模型具有高度的信息关联性，调整其中任一构件的参数值，与它相联系的所有参数信息都将实现自动更新，利用参数信息控制模型构造，实现模型调控智能化。

1.2 参数信息自动集成

BIM技术的核心是“I”，即Information（信息），实现桥梁全生命周期各阶段的应用，需要在设计阶段将各参数信息输入到模型中，以达到参数信息的集成目的。

钢混组合梁桥构件数量多，信息参数多类，若以手动方式在族构件属性栏中将参数输入到模型中，容易出错且工作效率低，同时不易查找错误和调整，不符合BIM技术高效快速的理念，因此，本文尝试基于Dynamo二次插件可视化编程，通过程序流方式快速地将参数信息数据批量录入到设计模型中。Dynamo可通过可视化编程帮助Revit和Excel中的数据进行交互，实现信息的双向传递，因此，可先在Excel中创建与族构件一一对应的参数信息，再利用Dynamo中的程序流将表中信息自动录入到模型中。以钢主梁为例，腹板、顶板、底板尺寸厚度、构件材质、极限应力大小、材料标号等参数都可以根据设计要求和取值范围进行设置，如表1所示。

表1 项目参数值批量导入结果

当项目参数信息需要调整时，修改Excel中的参数值，重新运行Dynamo中的程序流便可实时数据更新，从而通过驱动模型参数信息值进行相应的调整，实现智能联动效果，提高工作效率，减少错误和节约成本。

2 基于BIM技术可视化施工

2.1 虚拟施工分析

传统的钢混组合梁桥施工方式是通过二维平面图纸和文档资料反复查阅对比，并通过人工或电脑进行记录和标记，而后再传输至现场进行指导施工。这种方式需要耗费大量的人力和时间，而且经常会出现“差、漏、错、重”等情况，导致施工难以正常进行。现基于BIM技术可视化的重要特征，通过施工模拟提前分析桥梁整个建造过程，优化施工方案，用于现场指导施工工艺，并通过4D施工模型虚拟分析、控制施工进度。具体做法可通过设计单位向施工单位提供BIM设计模型及相关文件，施工单位对模型进行交互处理，并利用Navisworks等施工分析软件创建BIM施工模型，实现科学精确的对接和管理。为实现BIM模型在钢混组合梁桥施工阶段最大化的利用，需要对已有的设计模型进行深化应用和开发，在3D的初始信息模型基础上，定义施工阶段的进度、成本、质量、安全等多维信息，建立nD-BIM信息模型，将BIM的应用从3D模型转变到nD模型，使得桥梁多种信息联合在一起，更好地模拟整个施工过程，以信息化的方式指导施工，并科学规划资源和优化配置，节约成本，加快施工周期。当前在桥梁领域，已初步探索BIM的4D和5D模型[4]，即在3D信息模型基础上根据施工方案定义时间参数，创建4D施工进度模型，通过施工不同阶段以3D可视化的方式模拟分析桥梁的施工状况，控制施工进度，在4D进度模型基础上，定义现金流或成本预核算创建5D成本模型，按工程进度对建造成本进行动态模拟，从而达到科学管理、节约成本的目的。

2.2 施工信息化管理

为实现施工资料和信息模型的高度整合，并进行统一的管理，可借助施工管理平台对施工阶段进行信息化控制。以往是基于二维数据资料，具有很大的局限性，不易理解和沟通，当前引入BIM技术，将信息模型输入到管理平台中，通过不同建模软件数据格式的交互，主要对导入的模型进行进度管理、各种文档资料的管理、各环节流程和协同工作的管理，平台对模型的属性信息主动识别，并根据读取到的构件编码系统建立树状管理目标，第三方可通过选择构件编码、所在分类或直接点击查看具体的信息[5]。

施工管理平台将业主、设计单位、施工单位以及其他所属部门的项目信息录入到系统中，根据实际要求和规定设置访问权限，并将项目流程展示在平台不同的操作界面上，依据施工方案分配至各个阶段的参与人员，实现钢混组合梁桥的施工全过程协同作业。

3 工程应用

3.1 项目背景

龙马洪水河特大桥位于广西壮族自治区来宾市忻城和兴宾区交界处，由南至北，跨越红水河，主桥跨径为180 m。为减轻自重和避免腹板开裂，主梁采用波形钢腹板的钢混组合结构，由于结构复杂和工程信息量大，项目设计难度加大，平面出图协同度要求高，因此在桥梁建造过程中引入了BIM技术，并快速高效地完成了该桥梁的设计应用和运维阶段的信息化管理。

3.2 参数化设计

采用桥梁BIM核心建模软件实现建模过程全参数化控制，主要做法是通过修改列表的参数值控制整个模型的尺寸和空间位置。对于主梁波形钢腹板，具体做法是先设定钢腹板长度和钢板厚度为控制参数，而后将钢腹板上、下缘定位曲线作为定位几何元素输入，并由定位曲线决定钢腹板高度空间位置。设计过程中，利用批量化出图工具实现钢混组合梁的二维出图。模型中的各类构件可进行碰撞分析，导出碰撞报告，并及时调整参数，达到优化结构模型的目的。

3.3 构件编码信息化

为了让BIM模型在运维阶段方便协同检查，发挥更大的作用，依据公路桥梁技术状况评定标准对桥梁构件进行分类编码，并进行项目信息的集成，实现智能高效管理。此外，利用轻量化模型进入协同平台实时流转，方便审查者实时地查看和批阅。

4 结语

BIM技术被称为当今建筑行业最新的技术变革，它与互联网、计算机技术紧密结合，能有效整合传统工程项目的信息资源，其必然会给桥梁行业的生产模式带来革命性的变化。本文将BIM技术与钢混组合梁桥相结合，对桥梁BIM核心软件进行了比较分析，现阶段Revit软件可基本满足钢混组合梁桥的建模需求。提出了基于BIM技术在设计阶段的参数化建模和深化设计应用方法，并引入Dynamo插件进行信息的可视化编程，通过程序流的方式实现参数信息值的自动录入，对桥梁施工阶段BIM模型可视化应用和信息化管理、运维阶段桥梁的养护和维修模式等不同阶段进行了探讨研究，并通过工程实例验证了基于BIM技术实现钢混组合梁桥参数化设计和信息化管理的可行性，可为最终实现BIM技术在钢混组合梁桥全生命周期的应用提供借鉴，有利于钢混组合梁桥向工业化和信息化模式的转变，同时在桥梁BIM技术中也具备一定的参考价值。