桥梁群桩基础结构BIM正向设计技术及工程应用

张广海、段广

（中电建路桥集团有限公司，北京 100000）

1 BIM 技术概述

随着科学技术发展水平的不断提升，BIM 技术应运而生，该项技术在建筑工程行业中的应用，由于技术自身特性非常契合建筑工程的发展需求，因此，得到了业内各界人士的广泛关注。就该项技术的具体应用来看，其中仍然存在着一系列亟须改进的问题。BIM 技术以其独特的优势，能够获取大量的建筑信息数据。BIM 技术可用于整个工程项目建设的各个环节，所以，在保障工程建设质量的同时，还能缩短工期，提升工程项目的建设效率。此外，BIM 技术还能用来分析建筑结构，而且该项技术的应用门槛相对较低，将其用在数据挖掘中，可通过对大量数据信息进行编辑、整理以及更新，才能够进一步提升数据信息的精准性和科学性，从而为开展建筑桥梁设计工作提供可靠的保障[1-3]。

2 桥梁常用群桩类型

2.1 端承型群桩

对于端承型群桩，由于其是由端承桩组成的，通过承台将其分配至各桩桩顶的竖向荷载，荷载大小将通过桩身传递至桩端，这样一来就会降低桩侧阻力承载的荷载量，受桩侧剪应力相互作用的影响，传递到桩端平面的应力重叠效应将随之降低。再加上桩端的持力层比较硬，随着桩的单独贯入变形减小，承台底板的反力也将随之降低，此时，对于承台底地基土分担的荷载可忽略不计。

因此，端承型群桩中的桩基性能和独立单桩比较接近，群桩和单桩的简单集合相等，桩和桩的相互作用以及土和承台的相互作用都可以忽略不计。由于端承型群桩的桩端持力层刚度比较大，通常可以忽略不计。但是，在桩端硬持力层下方存在软卧层时，需要计算单桩对软下卧层的冲剪。

2.2 摩擦型群桩

群桩是由承台和摩擦桩组成的，因受到竖向荷载作用的影响，沉降的变形形状通常来源于承台、桩以及地基土之间的相互影响。在高承台桩基中，群桩中的各桩顶荷载会经过端阻力以及侧摩阻力传递至地基土以及相邻的桩基，由此产生的应力将会改变桩和土的受力状态，这种状态反过来又会影响群桩的端部阻力大小和桩群侧摩阻力，进而增加其与单桩受力形状之间的差异。在低承台桩中，侧摩的阻力以及端阻力会受到桩群应力重叠效应的影响，由于承台和下地基土之间存在着接触应力，就会增加承台、桩以及地基土之间的复杂程度。承台不仅会影响上部桩土的位移，还会减小桩上部的摩擦阻力，改变荷载的传递过程，也就是随着外荷载的不断增加，侧摩阻力就会从桩的中、下部分逐渐向上或者向下发挥。同时，承台的地面接触应力也会使桩和地基的受力状态发生变化，最终影响端阻力和侧摩阻力。由此可见，低承台群桩效应在改变单桩侧摩擦力的同时，还改变了侧摩阻力的分布、大小以及分布状态，同时会影响地基土的受力状态[4]。

3 桥梁群桩基础结构BIM 正向设计技术及其应用

3.1 工程概况

某大桥作为跨海通道工程的通航孔桥，跨径布置为100m+280m+720m+720m+280m+100m，为主跨跨径2×720m 的独柱塔双索面三塔斜拉桥。主梁采用分离式钢箱梁+横向连接箱，钢箱梁梁高4.0m 帘度50m。个桥共设置3×4×24=288 根斜拉索，中塔设置4×5=20 根辅助索。索塔采用混凝土独柱塔，索塔基础采用变截面群桩基础和椭圆形承台，上部设置锥台形塔座。

该大桥若采用传统的设计方法，存在以下问题：一是全桥桩基、承台塔座尺寸种类多，配筋方式也不尽相同，因此设计人员需要根据不同尺寸来绘制钢筋构造图，工作量重复。二是后期基础尺寸、钢筋设计方案的修改带来图纸绘制、钢筋数量统计的重复工作量。三是二维图纸数量统计不精准，复核较为烦琐，且不一定能发现错误。如采用正向设计，对同类型不同尺寸的基础构造，只需建立一个参数化驱动的模型，后期基础尺寸改动、钢筋配筋方案改动等可直接通过修改驱动参数来调整模型，二维图纸随之更新，后期设计复核只需检查三维模型，也可避免二维设计过程中的错漏碰缺等问题。因此，基础钢筋构造采用正向设计，由三维模型交付出的二维图纸，在确保图模数据一致的同时，还可实现便捷的联动修改，自动化地完成大量重复的工作，提高深化设计的效率。

3.2 基于BIM 的正向设计

3.2.1 群桩基础结构BIM 设计思路

基于基础构造的参数化BIM 模型，通过参数模板实例化的建模方式，调节控制参数，构建承台、桩基、塔座的钢筋模型构件库，驱动模型以适应不同的构件尺寸和设计方案。通过三维参数化模板二维出图的模式，满足施工图设计的深度，实现斜拉桥基础钢筋构造的正向设计。斜拉桥正向设计具体的技术路线如图1 所示。

图1 斜拉桥正向设计技术路线

3.2.2 群桩基础结构BIM 设计软件平台比选

桥梁领域内应用较为广泛的建模软件有Bentley、Revit 和Inventor。

（1）Bentley。Bentley 通过一种描述语言PCL（Parametric Component Language）并 在MieroStation平台上开发了相应的语言解释器，以实现结构体的参数化。对于驱动参数较多的构件，这种方法定义输入参数较为复杂、容易出错，不适用于参数化便捷驱动。

（2）Revit。Revit+Dynamo 模式可实现参数化模板，但存在一些问题：其一，Dynamo 是主要建立模型的软件，而Revit 是建立的模型载体，二维出图系列操作需在Revit 中进行，相互之间的调用关系复杂。其二，Revit 中的标注是基于构件进行标注，而Dynamo每次生成的模型是将之前的模型删除，重新生成一个新的模型，因此相关标注会消失。

（3）Inventor。Inventor 零件+装配模式可以较好地解决Bentley 和Revit 软件在设计过程中存在的问题：其一，在几何草图的基础上，通过拉伸、放样、扫掠等多种方式满足不同的三维造型要求。其二，结合构件特性和后期修改的需要，在几何草图中可使用几何约束功能，以减少相关的输入参数，精简实例模板的驱动参数。

（4）Invento。Invento 的自动创建视图功能和绘图工具，较大提高了输出二维图纸的效率。另外，工程图与三维模型是相关联的，对关联模型进行更改后，工程图均可自动更新。Inventor 零件+装配的模式可将不同类型的钢筋定义成零件，形成多种钢筋零件库，在部件中进行零件装配，不同零件相互之间的位置关系可通过约束定义确定，也方便统计不同种类钢筋的数量。综上所述，Inventor 软件符合基础钢筋正向设计的需求，最终选定Inventor 作为BIM 正向设计平台软件。

3.3 参数驱动BIM 模型的创建

目前桥梁专业的BIM 模型主要采用“骨架+模板实例化”的建模技术，这是一种“自顶向下”和“自底向上”相结合的混合建模方法。桩基、承台、塔座的三维模型即骨架，作为钢筋构造的承载体，然后利用“模板技术”为同类型构件定义参数化模板，并利用“批量实例化技术”，以自底向上的方式批量生成完整的项目模型。首先确定桩基、承台、塔座的混凝土构造驱动参数，在构造模型的基础上，输入保护层厚度，确定钢筋边界位置；接着根据各种类型钢筋的尺寸、位置、根数，输入相关参数形成参数化模板，并基于软件iPart组件构建关键结构的构件库。

表1 正向设计驱动参数

3.3.1 混凝土构造

BIM 模型以中索塔为例，中塔桩顶以下37m 桩径3m，37m 以下到桩底桩径为2.5m，承台为长轴51m、短轴40m 的椭圆形，高6m。上部设置3m 厚的塔座，塔座为锥台形式。中塔基础BIM 模型如图2 所示。

图2 基础构件BIM 模型

3.3.2 钢筋BIM 模型

先定义好主驱动参数并赋予初值，再将创建的钢筋驱动参数与几何草图中的尺寸约束关联起来，实现尺寸标注有参数驱动。为了减少参数数量，尽可能采用几何关系约束建模，例如以镜像阵列的方式。实际工程中钢筋存在弯钩，钢筋BIM 模型由于出图限制，可将钢筋弯钩省略，统计工程量时将弯钩部分的数量加上即可。创建参数化模板流程：首先在二维草图中建立钢筋的骨架，测试保护层厚度、钢筋间距、根数等驱动参数的可适应性；然后在骨架的基础上赋予钢筋直径轮廓；最后通过阵列、镜像等方式形成完整的钢筋参数化模型。

3.4 自动化二维出图

目前二维图纸仍是最终的设计交付物，如何快速准确地生成符合施工要求的二维图纸，是实现正向设计的关键。三维设计出图是协同设计的一个环节，离不开统一的协同设计规则，同时对建模也有一定的要求，形成标准规范的设计图纸。三维设计出图的主要流程：一是统一出图样式。在出图前统一图框设置、标题栏设置、标注样式、文字样式、线型线宽、剖切样式等图纸要素。二是切图模型筛选。三维设计模型和工程图在两个文件中进行，工程图文件中选定设计模型作为基础视图，在此基础上，根据图面布局选择投影、剖视或局部视图，并针对不同视图的特点控制局部模型的显示或隐藏，保证画面清晰整洁。三是动态切图剖分。三维动态切图可以切二维剖面图及详图大样图，也可以切出三维线框图和三维立体彩图等新型图纸表达方式。剖视图可控制剖面位置以及剖切深度，剖面位置可约束到模型上，当设计模型更改时，剖切位置不会随意变动。局部视图可展示局部大样图或1/2 视图、1/4 视图。针对细长类型的桩基钢筋构造图，选定合适的位置添加断裂符号，在有限的图幅内表达清楚设计思路和保证图面布局。四是图纸标注布局优化。标注比如：钢筋符、钢筋编号、剖面符号、断面符号、净保护层厚、标高、剖断面标题等常用符号做成草图，形成制图常用符号库，以加快制图速度。传统钢筋图的钢筋用线条或点来表示，钢筋三维设计时，工程图中的钢筋构造剖切出两根轮廓线和圆的效果，更能体现出钢筋之间相互交错的关系。然后，进行尺寸标注，各类型的钢筋按照间距大小从内到外依次标注，最外层标注混凝土构造尺寸。完成图纸标注后，将平面图、立面图、俯视图、大样图等按照图幅大小调整比例尺绘图，目的是能清晰表达设计方案且图面布局整洁。五是工程量统计分析。三维BIM 模型通过开发的插件一键导出各种类型钢筋的体积，在excel 中计算出钢筋长度、重量等数量，同时将弯钩的数量计入，再通过工程图链接excel 的方式插入钢筋明细表。

4 结语

总而言之，基于对大跨径斜拉桥基础钢筋进行BIM 正向设计，创建了融入设计关联参数的参数化BIM 模型库；基于BIM 平台构建尺寸线、标注符号、颜色、线宽、图幅、字体和视图等配置系统，介绍了图纸标注、调整布局以及工程量统计的方法，最终形成二维图纸交付成果。后期设计方案修改时，只需修改三维模型，二维图纸即可更新，效率远高于传统的制图方法，并且减少了图纸出错的概率。BIM 正向设计技术在某大桥工程基础中的应用，为今后实现大跨径斜拉桥的三维参数化设计提供了工程实践经验。