基于BIM技术的桥梁设计研究

栗振锋，高峰，李永前，张锐银

（1.太原科技大学车辆与交通工程学院，山西 太原 030024；2.江苏合谷建筑设计有限公司太原分公司，山西 太原 030000；3.山西省城乡规划设计研究院有限公司，山西 太原 030001；4.山西交通控股集团有限公司长治高速公路分公司，山西 长治 046000）

0 引言

随着社会逐步迈向信息化、数字化时代，相较于传统二维施工图设计，BIM 技术能够实现施工图设计的三维立体数字化，不仅提高了设计效率，更为施工管理带来便利，因此BIM 技术在工程施工领域的应用越来越广泛。同时，BIM 技术的迅猛发展，也促进交通领域信息化、智能化的发展，桥梁工程作为交通领域的一个重要分支，桥梁工程中BIM 技术应用的研究，对于实现我国的“智慧桥建”发展目标而言尤为重要。目前，BIM 技术在桥梁工程中的实际应用尚不成熟，文章以某一大桥工程为例，采用基于BIM 技术的方案设计师V5.1、桥梁博士V4.4 等软件对该大桥上部结构、下部结构、桥面及附属工程等进行设计及分析，并结合AUTO CAD 软件实现了快速导出设计图纸，利用MATLAB 语言对大桥冲刷计算方法进行了探讨。

1 工程概况

某经济技术开发区一连接线道路，沿河岸布置，道路全长621m，红线宽度16m。该道路工程项目包括大桥一座，该大桥跨河而建，根据该道路工程可行性研究及工程初步设计报告，进行现场勘察。该大桥设计全长150m，宽度16m，桥梁与河道正交，无通航要求，跨径布置为5×30m 预应力钢筋混凝土小箱梁，先简支后连续结构，横向布置为中间12m 车行道+两侧2m 人行道。桥梁设车行道双向2%横坡，坡向路外，人行道单向横坡2%，坡向路内；桥梁不设纵坡。基于BIM 技术正向设计系统与现行公路、市政桥规[1-10]，吸取该类桥梁建造研究经验[11-13]，对该大桥进行施工图设计，研究成果已成功应用于实际。

2 大桥总体设计

2.1 上部结构

桥梁上部结构按A 类预应力混凝土构件，设计为30m 跨径预应力组合小箱梁先简支后连续结构。组合箱梁中心梁高1.6m，组合箱梁顶面按2%的横坡设置，底板按平坡设置，桥面横坡通过梁顶进行调整。桥梁横断面布置5 片梁，其中3 片中梁，2 片边梁，梁间距为3.155m，箱梁间预留75.5cm 宽、18cm 厚后浇湿接缝。组合箱梁分为中跨和边跨两种，中跨箱梁两端均为连续端，端部均预留有后浇中横梁，边跨箱梁一端连续一端非连续，连续端预留有后浇中横梁，非连续端设有预制端横梁。预应力箱梁采用后张法施工，预埋金属波纹管形成预应力管道，钢束规格为直径15.20mm 的高强度低松弛钢绞线，标准强度1860MPa，采用OVM 锚具固定。箱梁在连续端墩顶位置设有顶板负弯矩钢束，相应在箱梁顶板设有张拉槽口。预制箱梁及湿接缝混凝土采用C50 等级，上部结构设计采用不同软件进行分析，大桥预制小箱梁推荐存梁期不超过3 个月。

2.2 下部结构

桥墩采用桩柱加盖梁，立柱直径1.2m，下接直径1.5m 桩基。盖梁宽1.6m，盖梁高1.5m，两端高1.2m，长15.2m，盖梁顶面为平坡，通过支座垫石高度调整横坡。盖梁、立柱与桩基础分别采用C30 混凝土、C30 水下混凝土。桥台采用桩接盖梁式桥台，盖梁高1.5m，宽1.7m，下接直径1.5m 桩基。台帽采用C30 混凝土，桩基采用水下C30 混凝土，桥台背墙宽0.5m，台后设置钢筋混凝土搭板，板厚0.3m，搭板长6m。

2.3 桥面及附属工程

车行道桥面铺装自下而上分别为8cm C50 混凝土（内设D10 钢筋网）、6cm 中料式AC-20 沥青混凝土、4cm 细料式AC-13 改性沥青混凝土。人行道桥面铺装自下而上分别为8cm 人行道板、2cm M10 水泥砂浆、4cm 防滑石板。在C50 钢筋混凝土表面铺装DBS形防水层，防水层要求与混凝土实现较好的黏结，桥面护栏为钢制栏杆。组合箱梁在桥墩处采用GBZY375X77（NR）板式橡胶支座，在0 号、5 号台采用GBZYH275X65（NR）四氟板式橡胶支座，0 号、5 号桥台处设置GQF-D80 型钢伸缩缝。

3 基于BIM 技术的大桥设计及计算

3.1 施工图设计与有限元计算

该大桥设计基于BIM 技术的正向设计软件——方案设计师V5.1 与桥梁博士V4.4，进行施工图设计与计算。结合工程初步设计报告，在方案设计师V5.1中根据设计条件、设计原则、设计方案填写路线表、桥梁表等智慧设计表，在其桥梁表页面双击后，程序会通过内嵌设计逻辑逐层调用标准件生成AUTO CAD施工图纸，在此基础上，设计人员根据现行公路、市政桥规，结合设计经验及工程实际，在方案设计师V5.1（可与AUTO CAD 交互使用）中对施工图作进一步审查与修改。相较于传统AUTO CAD 二维设计，BIM技术极大地提高了出图效率。大桥总体布置及主梁部分截面构造，如图1 所示。

图1 大桥总体布置及主梁部分截面构造

依据桥梁总体设计，将桥梁结构信息导入桥梁博士V4.4 中，输入荷载信息，经用户求解设计，程序会结合公路、市政桥规自动进行计算，在相应各种作用组合下，各个设计状况极限状态计算、截面承载力计算、配筋计算、抗裂性计算等计算结果将自动输出到micro office 格式的计算书中，计算通过后，继续将模型数据输入MIDAS civil 复核。结构细部、节点采用ANSYS APDL 语言建立精细化模型进行计算。

3.2 大桥冲刷计算

考虑大桥建桥后桥墩阻水导致桥位处河床受到冲刷，根据相关规定[14-15]，参阅相关文献[16-17]，采用易于掌握的MATLAB 语言编制桥梁冲刷计算程序，进行大桥冲刷计算。桥梁冲刷计算成果，如表1～表3所示。

表1 天然河道冲刷计算

表2 大桥墩台冲刷计算

表3 冲刷对比

由表1～表3 可知，建桥后桥墩束窄了过流面积，造成桥下流速增大，冲刷加深。建桥后20 年一遇洪水下，冲刷深度加深了1.53m；建桥后50 年一遇洪水下，冲刷深度加深了2.19m。建桥后洪水期冲刷加剧了局部河道下切，对河道产生不利影响。

4 结语

以该大桥施工图全过程设计为例，提出基于BIM技术的软件——方案设计师V5.1、桥梁博士V4.4 与AUTO CAD 相结合的桥梁施工图设计方法，促进BIM 技术在桥梁工程中的应用与发展；采用MIDAS civil 对该大桥进行建模复核计算，其细部、节点采用ANSYS APDL 建立参数化有限元模型进行计算；桥梁冲刷计算耗时大、错误率高，结合现行公路、市政桥规采用MATLAB 语言自编程序进行桥梁冲刷计算，提高了设计工作效率。