公路工程桥梁结构BIM应用研究

黎丁实, 赵爱军, 黄太平

(1.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司, 四川成都 610041; 2.中铁城市发展投资集团有限公司, 四川成都 610200)

0 引言

随着经济的发展和技术的进步,国家及社会各界对于公路工程也提出了更高的要求,公路行业各个参与方也积极的将各种新材料、新工艺及新技术应用于公路工程的各个领域。在这些新技术中,建筑信息模型(BIM)兼具工程数字化与三维可视化的特点,这使其成为公路行业智能化信息化升级的核心要素之一。与传统手段不同,BIM技术将更先进的数字化技术与三维精细模型进行融合,在提高设计文件表达力的同时,BIM模型也作为公路工程全生命期的数字底座,完成数据传递和信息整合,全面提升公路工程全生命期的信息化与智能化水平。本文对过往公路工程项目的BIM应用情况进行总结,对公路桥梁结构的BIM模型创建、模型应用等方面内容进行系统性阐述,并探讨当前BIM技术的应用推广所存在的问题。

1 模型创建基本要求

公路工程设计根据所处阶段的不同可分为工程可行性研究、初步设计及施工图设计,不同阶段的侧重点和关注要素有所区别,对各个阶段的BIM应用也提出了不同的要求。

在工可阶段,设计的主要目的是路线走廊带的比较与选择,对桥梁BIM的要求为能快速展示不同路线方案的前提下,区分路基、桥梁、隧道等不同构筑物,仅示意重点工段区位的特殊结构桥梁,建模思路上对主线、匝道等的常规结构桥跨及梁墩形式仅做示意性一致性展示;在初步设计阶段,BIM模型需要反映桥梁主体构造的准确结构尺寸、重要结构连接、桥梁方案对其他构筑物的影响关系等,复杂桥梁需要在工可选定的桥型方案上继续深化设计,此阶段对于BIM模型的应用除方案三维展示外,也显著应用于比选桥型方案等应用;在施工图设计阶段,BIM模型需要精确表达桥梁的位置、孔跨组合以及各个部件的细部尺寸与材料参数等详细数据以指导施工,对BIM模型的精度有了更高的要求。

2 BIM软件应用现状分析

BIM软件是BIM应用的载体与工具,在整个BIM技术的应用实践中扮演了基础性作用,并对应用的深度和广度有着直接的影响。但是由于公路工程的各个专业在不同阶段的BIM应用侧重点不尽相同,尚无统一的BIM软件平台能满足所有的应用需求,往往需要结合不同软件的优点进行综合应用。目前国内公路交通领域主流的BIM应用软件主要为欧特克、本特利及达索系统旗下CATIA等,其对桥梁结构的三维表达与参数化建模能力各有千秋。其中欧特克及奔特利软件具有软件易用性强、模型体量小等优点,但在复杂结构造型及参数化方面稍显欠缺;CATIA软件由于其出众的参数化建模能力与对异形结构的精确表达能力,被广泛的应用于各种类型桥梁BIM模型创建及应用[1]。因此,下文主要以CATIA软件为基础介绍桥梁结构的BIM应用(图1、图2)。

图1 精细化模型(索夹)

图2 常规桥梁BIM模型

3 模型创建主要流程

由于常规结构桥梁与特殊桥梁区别较大,本节将分别对其模型创建流程进行阐述。

(1)常规结构桥梁的模型创建以路线设计线为基础,并与桥梁分跨线共同组成模型骨架线。针对柱式墩、T梁及小箱梁等具有较强规则性的结构构件,采用模块化的建模思路,创建统一的参数化模板,结合设计文件对各个桥梁结构进行参数录入后,结合模型骨架线进行对象的实例化,完成自动化批量建模(图3)。

图3 常规桥梁的模型骨架线

(2)常见的特殊结构桥梁主要包括斜拉桥、悬索桥、拱桥以及钢与组合结构桥。上述桥梁结构复杂,方案调整造成的工作量较大,因此建立高精度的BIM模型对于提高设计质量与设计效率具有明显意义。特殊结构桥梁的模型创建流程详见图4,首先建立路线中心线及关键平面、关键点等控制性定位元素,并结合基本参数创建关键截面的参数化轮廓,然后通过截面轮廓拉伸生成模型对象的封闭三维曲面,最终填充形成构件几何模型实体(图5)。整个过程可由参数进行驱动控制,并结合程序化语言完成批量操作。

图4 特殊结构建模流程

图5 钢结构关键截面轮廓

4 模型应用

针对设计阶段,通过分析既有项目的施工图设计文件,由于传统的二维设计图纸相互分离,设计的要素零散的分布于不同的设计图纸中,这不仅不利于设计文件的校核,也一定程度上影响了设计意图完整准确的传递[2]。利用BIM精细模型的三维可视,公路桥梁的BIM模型可对结构碰撞及结构合理性进行方便直观的检查,针对部分关键复杂节点可将三维模型作为设计交底的手段,增强设计文件的表现力,提高工程项目参与各方的沟通效率;利用BIM模型可量化的特点,可对部分复杂结构进行自动算量,完成结构工程量分类汇总统计(图6)。

图6 关键复杂节点BIM模型

针对施工阶段和养护阶段,可利用BIM模型的三维可视化与结构化的数据进行数据集成管理、施工与养护数字化管理、进度管理、施工模拟等应用。

5 存在的问题

由于桥梁固有的结构性强的特点,公路桥梁BIM技术在近年来得到了长足的推广与应用,虽然在辅助设计等方面取得了明显的效果,但也日益暴露出一些问题。

首先,由于各大主流BIM软件平台均无法对公路工程各专业不同需求提供完美的解决方案,公路项目(尤其是大型复杂结构桥梁)中往往需要多款软件共同创建BIM模型相互融合与校核,但目前市面上BIM软件种类繁多,且软件之间数据格式不统一,模型流转识别度低,这对BIM技术的应用方提出了很高的要求。以本文应用较多的CATIA为例,其数据格式较封闭,与Autodesk、Bentley等平台软件之间的数据交互还有待进一步提高。

其次,公路桥梁是关系到国家经济社会安全的基础性行业,其对数据安全性、自主可控性提出了很高的要求。但目前市面上主要的BIM软件主要为国外厂商的产品,尤其是在当前“国产替代”的大背景下,如何更好地推动桥梁BIM的应用,是摆在每个桥梁BIM从业者面前的问题。

6 结束语

本文详细介绍了BIM技术在公路桥梁工程中应用状况,包括建模要求、模型创建方法及模型应用等内容,并详细分析了当前桥梁BIM应用存在的问题。通过分析可以看出,BIM技术在公路桥梁的设计与建设、养护中,具有广阔的发展前景与应用价值。