BIM技术在空间曲线变截面桥梁设计中的应用

湖北省城建设计院股份有限公司，湖北 武汉 430051

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广泛应用，但在桥梁工程中的技术表现还不成熟。许多学者已开始了对BIM技术在桥梁设计中的研究，刘勇等[1]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；蒋维刚[2]通过程序编写，开发了桥梁的信息模型系统，通过工程实例测试了该系统的实用性。通过以上学者的研究分析可知，我国对于BIM在桥梁中的应用技术还不完善，需要进一步提高。

1 BIM技术的优点

通过对比传统设计方式与BIM技术的优缺点可以得出BIM技术的五大优点如下：（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[3-4]。（2）BIM技术可以应用于桥梁建设的全寿命周期，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[5-6]。

2 案例分析

2.1 工程概况

某箱梁桥梁全长637m，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，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2m人行道+8.5m行车道+2m人行道，安全等级采用一级，设计基准期为100年，行车速度为30km/h。

2.2 方案设计

该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、主梁等创建族，然后将所有构件（包括三维地形）载入同一项目文件下，根据桥梁的结构位置拼装成桥，最终桥梁经Lumion渲染后的效果如图1所示。

图1 桥梁效果图

2.3 施工图设计

施工图设计的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：（1）桥梁的构件归于同一模型中，不仅有助于分析桥梁各个组件间的空间关系，还有助于发现设计缺陷，构件之间的相互冲突也可以被检测出来，能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）模型有助于统计相应的工程量，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。（4）LOD300模型还可制订该项目的施工进度计划，对施工进度进行模拟分析，根据分析结果来制订施工组织方案，起到指导施工的作用。

3 桥梁结构计算

利用BIM技术进行桥梁设计可提高设计的效率和质量，改变设计方式，减少变更的次数和工作量。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包括结构自重（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0.02m、边墩0.01m）。文章采用的混凝土和钢筋的各项参数如表1、表2所示。

表1 混凝土参数

表2 预应力钢筋参数

桥梁进行结构计算时采用的可变荷载包括温度荷载、活荷载、风荷载、雪荷载。文章采用的桥梁组合设计如表3所示。

表3 桥梁荷载组合

3.1 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、节点有317个、板单元有48个，计算结果表明，成桥状态下主梁的最小压应力为2.39MPa，最大压应力为9.78MPa，且应力分布较为均匀。

3.2 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进行计算可知，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年后组合4下主梁斜截面砼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1.088MPa，该值小于混凝土轴心抗拉强度标准值1.096MPa，因此该值满足设计要求。

3.3 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220mm；由计算结果可知，构件在活载下的挠度最大值为36mm。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。

4 结论

（1）BIM技术可通过参数调整实现数字化，输出信息的表达可由二维上升到三维。在进行桥梁设计时，BIM技术可帮助提高工作效率，弱化专业间的衔接错误，减少设计变更，实现信息共享。（2）在进行方案设计和施工图设计时，可充分体现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，结果均符合规范规定要求，基于BIM技术的桥梁设计力学性能符合规范要求。