超大跨度钢桁架桥设计阶段BIM技术应用实例

2019-07-20陈柳花

城市道桥与防洪 2019年7期

陈柳花

（上海公路桥梁（集团）有限公司，上海市 200433）

0 引言

近年来，BI M软件作为一个新兴技术，常被应用于隧道、综合管廊、水力水电、房建等诸多领域。然而在桥梁领域，特别是大跨度钢桥，由于BI M软件中的桥梁模块在国内适用性不强以及设计过程中各专业人员存在协调困难等诸多原因，导致该软件还无法针对钢桁架桥开展正向设计，因此，BI M软件在大跨度钢桥的设计上，其深度应用较少，而现有的相关应用基本上都是施工图设计的翻模工作，有别于真正的BI M应用。

本文将钢结构行业应用成熟的T E K L A软件应用于大跨度钢桁架桥梁的设计阶段。采用一个工程设计案例，介绍了T E K L A软件在方案比选、参数化建模、构件自动算量、三维节点辅助自动出图等方面的应用，为BI M技术应用于钢桁架桥梁设计提供一个参考。

1 工程概况

1.1 项目概况

三官堂大桥位于浙江省宁波市，该大桥南起高新区江南路，北接镇海中官西路，主桥全长785m，采用变高度连续钢桁架桥，跨径布置为160m、465m和160m，标准宽度45.9m，见图1。主桥设非机动车道和人行道，主桥两侧通过引桥与地面道路连接，非机动车及行人采用主墩两侧的桥头堡与地面沟通。

图1 160 m+465 m+160 m连续钢桁架桥

三官堂大桥主桥上部结构为三跨连续钢桁梁，桁架采用变高桁，桁式采用“N”形桁桥，如图2所示，主墩处桥面下设置V撑，桥面为正交异性板。全桥结构用钢量约为29 400 t。

图2 桥梁结构线形图

1.2 项目应用背景

受设计单位委托，本项目尝试利用BI M软件进行大跨度桥梁的设计应用，以此来提高设计工程师画图和出图效率，研究并探索BI M软件在大跨度钢桥上的设计应用点。

2 BIM总体策划

本项目由一名资深BI M工程师与设计单位进行协同设计，过程中，BI M工程师建立直观的三维模型，与设计人员就方案进行比选讨论。方案确定后，进行施工图阶段的BI M模型整合和深化，并交付给施工单位。

本项目主体结构采用美国天宝公司的钢结构详图设计软件—T e k l a S t r u c t u re s进行建模工作，该软件具备混凝土深化、参数化截面型材、自动算量、自动出图等功能。环境模型选用欧特克公司的I N FRA W O R K S软件，该软件主要用于前期规划的模型建立，具有快速建模、环境逼真、自带地理信息等优点。模型浏览讨论采用T e k l a自带的免费软件—BI M si g h t，其具有轻量化、速度快、可制作小动画等特点。机具设备的建模采用S k e t ch U p软件。通过这些BI M软件的协同使用，可完成本项目模型的建立、展示和工艺模拟。

3 初步设计阶段的BIM应用

3.1 基于模型的桥梁方案比较

在初步设计阶段，BI M软件主要应用于比选桥梁的桥型和线型。通过三维模型，可对桥梁采用三片主桁或两片主桁进行美学、工艺造型上的比选，见图3。本项目最终确定采用三片主桁的桥梁方案。

图3 不同桥梁结构形式的比选

本项目桥梁的节点结构形式繁多且复杂，每个节段的线型、角度、长度不一。BI M软件的三维可视化功能有助于设计人员讨论节点形式并确定最终方案。

3.2 合理施工方案的考察及施工空间边界的确立

在设计的初期，对钢桁架分块吊装的施工方案进行初步的模拟，见图4。该施工模拟可给出施工所需的临时征地范围，并提前了解施工场地的占用以及对现状重要基础设施的影响，见图5。

3.3 专业之间重大空间干涉的查找

初定的主桥模型建立后，可查找该桥梁与周边加油站、未来规划轨道交通车站、现有地下管线之间存在的多专业重大位置干涉问题，从而可提前在设计阶段规避多专业干涉问题，见图6和图7。

图4 施工方案初步模拟

图5 现状码头与新建桥梁的位置关系模拟

图6 主桥与加油站位置关系

图7 引桥桩位与地下管线位置关系

3.4 主桥上部结构初步复核图纸工作量

初设阶段的桥梁BI M模型建立后，可利用软件自动提取清单功能计算出用钢量。T e k l a软件的钢材重量分为净重和毛重，净重为钢结构加工部件的实际重量，毛重为钢结构加工部件所需的材料总重量。本项目采用毛重计量，提前估算桥梁的用钢量，合理优化结构。

4 施工图设计阶段的BIM应用

4.1 建立详细的参数化BIM模型

利用BI M软件对主桥的主桁、平联及横联、桥面系、桥梁附属（防撞护栏、桥面排水、桥面铺装、支座、人行栏杆等）、主墩基础、边墩盖梁、立柱及基础等进行详细地建模。模型数据包括钢材截面参数、钢材型号、构件名称、构件重量和体积等。在建模的过程中就将其信息录入，便于后续快速查看修改。模型中可体现加劲肋、横隔板、过焊孔、人孔、封头板、主墩钢筋等细部构造。模型深度达到类似房建专业《建筑工程设计信息模型交付标准》中L OD400建模精度要求，见图8。

图8 全桥精细化BIM模型

通过与负责主桁设计的工程师进行讨论，对相同形式、长度不同、截面参数不同的标准节段上弦杆和下弦杆进行参数化开发。利用软件的参数化组件功能，对弦杆的下顶板、腹板和加劲肋进行参数化设置，使得截面尺寸数据之间形成联动，大大提高了建模效率，见图9。同样对相同形式、角度相同的标准化节点板进行参数化开发，使其角度和长度可以随数值不同而变化，见图10。

图9 参数化弦杆展示

4.2 全专业的模型干涉检查

（1）桥梁结构模型的干涉检查。在桥梁深化建模过程中，共发现了近60处设计问题，包括两个结构专业之间尺寸未统一、图纸与数量表数据不统一、材料表统计遗漏、标注错误、材料表中构件尺寸有误等各种小问题，也存在图纸上同个节点的剖、立面二维图不一致的大问题。通过及时与设计人员沟通后，这些问题在正式出图前都被解决，大大减少了图纸校对工作，并提高了图纸的质量。

图10 参数化节点展示

（2）不同专业之间的模型干涉检查。桥面系上有多处附属结构，在二维平面图上对路灯基座、防撞护栏基座、排水孔和人行栏杆立柱进行初步排布，随后利用BI M软件对这几个附属结构建立三维模型，该三维模型和桥梁结构整合后发现有一处路灯和主桁斜腹杆有冲突（见图11）。通过BI M软件，可给出路灯最佳摆放位置并反馈给电气工程师进行图纸修改。

图11 路灯与主桁腹杆冲突布置

4.3 主桥上部结构精细化算量

三官堂大桥的上部结构为钢桁架形式，基于详细的桥梁结构模型，利用T e k l a软件自动算量的功能，对桥梁结构 V1、V2、V3、X7、X14、X8、X13、S11、X5等多个复杂节点的用钢量进行自动统计，如截面尺寸、重量、材质、数量等，并形成汇总表与图纸工程量进行比对复核，进一步提高了图纸工程量的精确度。将本项目最复杂的节点V2进行自动算量与人工算量的数据比对，见图12。该自动算量数据可导出成e x c el格式，并交付于设计人员进行校核。

图12 软件自动算量和CAD图纸算量比对（单位：kg）

从图12可知，软件自动算量的数据为169 833.4k g，人工算量的数据为175 208.6 k g，两者数据较接近。由于人工计算工程量时存在一定的人为误差，而软件计算的工程量是通过模型中的数据分析得到，数据更加准确且精度也更高。因此只要BI M模型准确，软件可以计算更准确的用钢量，且计算效率更高。

4.4 三维节点辅助自动出图以及优缺点

（1）自定义图框

利用BI M软件图框编辑功能，可对出图的图框尺寸、平面图和立面图比例、平面图和立面图位置摆放、样式、格式以及公司lo g o等进行自定义，调整到和现有图框一致时，可保存在软件中等待自动调用（见图13）。

图13 软件自动出图和CAD出图的样式比对

（2）三维自动出图

软件中编辑图纸的界面和CA D界面相似，操作简单。利用软件三维出图功能，对S11、X14、X8、X5等复杂节点处的构件进行自动出图。调用前面定义好的图框后，自动显示出节点的平面图、立面图、剖面图、局部详图、构件3D视图，然后对标注样式、虚实线表达、箭头符号和方向、线条颜色、标注尺寸类型、文字样式和大小、标注尺寸单位、标注线条的粗细、标注文字摆放位置、背景底色等进行编辑，调整成现有的风格。

（3）人工绘图与软件绘图的比对

人工绘图与软件绘图功能比对见表1。从表1可知，软件自动绘图基本能实现人工绘图中的功能，同时软件绘图能自动出构件三维视图，整体上使人更能理解图纸。

软件可对桥梁复杂节点进行出图，软件的剖切立面功能可在平面和立面图中任意位置剖切，剖切线可以随时调整，实现剖面图和立面图的联动。软件可以自定义剖切范围，只要模型详细准确，可以显著减少出图的工作量，且图纸可清晰地展示桥梁复杂节点的内部构造。同样道理，局部大样图可以实现平面图和大样图的联动，节约出图的时间。

图纸完成后如有修改的部分，软件的改图可以产生联动。例如，在平面图上修改后，立面图和剖面图会自动进行修改，改图更加方便和高效，且不易出错。

但是软件自动出图后的标注工作依然繁多，由于标注样式带有强烈的个人风格和习惯，具有随机性，因此没法直接在软件中自动标注，标注工作目前依然需要人工操作。