孙建诚，蒋浩鹏，杨文伟，朱双晗，王 坤

(1. 河北工业大学 土木与交通学院，天津 300400； 2. 河北省交通规划设计研究院，河北 石家庄 050000)

0 引 言

随着建筑信息模型(building information modeling，BIM)在建筑领域中不断开拓和应用，在公路桥梁及水运行业发展BIM技术已迫在眉睫。BIM技术以三维数字为基础，不仅包括工程项目各种信息的数字化模型，同时也包括项目各阶段与各参与方的信息共享[1]。随着BIM技术的发展，某些桥梁建设项目中已经应用到了BIM技术，例如：张忻[2]通过对环线高架工作现状进行分析，以BIM建模为手段，引入GPS和GIS实现了道路桥梁设施管养的信息化。在桥梁病害处理方面，李成涛等[3]基于Revit软件开发了WebGL的三维可视化软件，完成了对桥梁裂缝和其他局部病害、构件损伤程度的三维可视化展示，并实现了对图文信息位置实时查询，提高了桥梁后期养护的效率。

以上应用中的工程数据文件交互十分困难，这就不仅要求各个软件之间相互协同，同时模型数据信息和应用更需要标准去规范操作并进行明确界定。目前，BIM技术应用于桥梁方面主要是结构建模和碰撞检查等方面，并不注重如何传递模型信息和减少信息丢失量等。

笔者立足于BIM特点和标准，研究了BIM标准之间的关系，同时探索并构建了基于BIM桥梁设计和施工管理标准化技术路线，利用IFC标准规范了BIM桥梁设计具体思路，为三维BIM桥梁模型建立提供了理论依据和基础。同时利用Revit软件规范了三维桥梁结构设计模式，最终得到了整体BIM模型，并通过深化设计得到了主梁工程数量表。研究结果表明：桥梁BIM模型方便了工程人员查阅构件信息，运用标准化技术路线可有效提高结构设计效率，可减少重复设计工作量，相比传统设计手段更加方便与准确。

1 BIM概述

1.1 BIM特点

BIM技术是以三维动态显示为基础，包含了诸多信息的模型，其中包括项目设计、施工、运维信息等。BIM技术具有可视化、协同性、模拟性、优化性、出图性等基本特点[4]。

可视化程度高代表了可更直观使用整体模型，作为专注于三维设计桥梁模型的BridgeMaster、Midas与实际设计方案之间还存着相当大差距，不仅包括构件尺寸，其信息处理方面也不完美。目前桥梁形式多样，结构较为复杂，传统设计手段已不能满足工程人员需要，BIM通过技术和方式的提升真正实现了设计阶段的“眼见为实”。不仅对外形结构可以三维了解，对桥梁各构件信息也可实时掌握，例如：使用混凝土体积、混凝土生产日期、使用钢筋数量等。

协同性是BIM技术改变整个桥梁工程建设行业的关键[5-6]。对传统桥梁设计方案而言，设计阶段后期施工图修改往往费时费力，但通过建筑信息模型可允许跨专业添加、传递、修改、保存结构等信息，这就保持了原有模型信息的实时更新，改善了以往松散的管理体系，并利用数字模型将各方协同到同一平台，这样不仅减少信息流失和错漏，也可在施工阶段之前找到模型问题所在。

优化模拟性是BIM技术最重要的组成部分[7]。BIM模型信息之所以能够相互应用和传递，是因为其强大的三维模拟性，可通过gbXMI标准模拟光照时间和阳光位置，并进行可持续设计。同时对施工进度和施工组织方案也可规划4D时间表，之后对于5D造价管理能准确快速的计算出时间和经济成本，生成对应的工程概预算，从而提高工程效率，缩短工期。

1.2 BIM标准

对于BIM标准，国际上将其分为3类：IFC、IDM、IFD。作为 BIM 技术主流数据交换标准IFC(industry foundation class)提供了一个不依赖于任何具体信息管理系统、适合于计算机处理的建筑数据表示和交换标准[8]。而IDM(information delivery manual)标准即为信息交付手册标准[9]。此外，IFD(international framework for dictionaries)为国际字典框架标准。这3种标准关系如图1。

图1 BIM标准关系Fig. 1 BIM standard relationship

其中：IFC作为最主要的BIM标准在建筑领域总共分为4个层面，分别为资源层、核心层、共享层和领域层。桥梁工程项目类型虽不同于公路工程，但其构件类型相对较多，例如墩台数据、上部梁板尺寸数据、护栏、标线等都需要信息处理；而IFC标准强大的数据交换和兼容能力可极大程度解决桥梁构件信息数据交换和共享问题，方便工程人员更直观查看三维桥梁模型和桥梁构件信息。

IDM描述的是项目指定时间和地点基于特定目的的信息集合，对于桥梁工程项目而言，例如施工开始时间和预估结束时间，施工地点精确位置等信息都可以通过IDM标准进行制定。IDM旨在将IFC所定义桥梁构件信息自动整理并标准化处理后交给领导层人员或工程项目人员使用，这样不仅减少时间成本提高了效率，同时减少了传递过程中信息缺少、丢失的可能性。

IFD采用GUID(global unique identifier)的方式可进一步降低全球语言差异带来的编码问题。IFC与IDM只是给技术人员提供了信息交互方式，但缺少信息编码标准。在设计过程中，国内桥梁构件的建造编号与国外可能大不一样，在此利用IFD可保证国内外工程数据互相共享，且构件编码统一方便工程的顺利进行。

2 基于BIM的技术模型

对于我国桥梁工程传统设计项目，可分为下部结构设计、上部结构设计和交通附属物设计。下部分为桥墩、桥台、承台、盖梁等，上部分为支座、梁板、上部铺装层等。交通附属物包括标线、路灯等。传统设计步骤简练，符合工程人员设计思路和习惯，但往往设计过程之中会出现尺寸标注错误、桥梁位置误差、钢筋数量计算等问题。

目前，我国已尝试将BIM技术应用到桥梁建设项目中，也已取得了相当丰富的成果[10-12]，而目前正朝着交通与水运行业发展。但BIM设计软件类型较多，设计方式也不尽相同，这就导致了设计文件并不能统一和共享。且这些设计路线并没有完全与BIM标准融合在一起，导致设计成果五花八门，进而降低了效率、拖延了工期，故有必要在构建桥梁设计路线中结合BIM标准。为此，笔者通过结合IFC标准领域层思路，建立了基于BIM的桥梁设计标准化技术模型，如图2。

图2 BIM桥梁设计标准化技术模型Fig. 2 The technical model of BIM bridge standardization design

目前桥梁施工和运营问题还是相当严重，由于管理不当或施工方案不合适等原因经常会导致工期反复进行进而延误工期。将IFC标准理念与施工组织相结合可有效提高工程信息传递效率，降低信息传输风险。BIM在桥梁施工时主要应用包括：三维可视化施工、物料实时管理、施工图及统计报表的输出等。为此，笔者在BIM桥梁设计标准化技术路线的基础之上继续构建了BIM桥梁施工管理标准化技术模型，如图3。

图3 BIM桥梁施工管理标准化技术模型Fig. 3 The technical model of BIM bridge standardizationconstruction and management

3 基于BIM的参数化桥梁模型建立

3.1 软件选择

BIM桥梁构件模型较多且其种类、位置等都存在差异，故采用传统BIM软件并不能参数化建立模型，还可能产生较多错误和误差。在建立BIM模型过程中，不仅要考虑可行的设计方案，同时要为各个构件添加工程信息，在工程运维阶段中也要考虑后期的养护和车辆通行等问题。笔者通过综合对比BIM软件，选择Autodesk公司系列软件作为核心技术支持与主要设计手段。

Autodesk Civil 3D：主要应用于公路或铁路工程项目建模，其可建立三维地形图，并在此基础上进行选线、平曲线、纵断面及横断面等主体设计。

Autodesk Revit 2014：主要功能为结构性建模，其可以通过拉伸、融合、放样融合等功能对桥梁结构进行建模，同时内置的Dynamo插件对于异形结构也可精细化建模。

Autodesk Navisworks 360：主要功能为桥梁结构、公路及铁路项目的深化设计，其可对工程的全生命周期进行模拟，例如施工图设计、概预算设计和三维施工模拟等。Autodesk Infraworks360：可将三维地形图与三维路线、桥梁和交通附属设施整合到一个文件中，且其信息处理功能非常强大。

3.2 项目概况

该项目为我国延崇高速公路赤城南互通式立交中红河大桥建设工程。该大桥全长282 m，荷载等级为公路-Ⅰ级，桥面净宽为16.5 m，全桥共3联，分别为(4×25 m)+(4×25 m)+(3×25 m)。上部结构设计为第1、2联采用预应力砼小箱梁结构，第3联采用预应力砼现浇箱梁结构。下部结构设计总共为10墩，桥台采用肋板台，桥台采用柱式墩，墩台采用桩基础。

3.3 设计步骤

不同于传统设计思路，为建模更方便和准确，笔者采用由下部结构向上设计，具体如下：

对下部结构设计流程是先设计墩高、系梁，故而设计柱和盖梁；对桥台也可先设计墩、承台、肋板，进而设计盖梁。

桥梁桩、承台和盖梁等构件都是直接通过Revit软件的“族”功能。首先在文件中设置好参照标高线和参照平面，以方便绘制桥台和桥墩平面尺寸，通过拉伸和融合操作创建出桥台和桥墩三维实体模型，最终在模型基础之上添加工程参数和材质信息。

该桥梁整体造型设计并不复杂，但需注意的是箱梁高度会随着高程的改变而改变，且三联箱梁纵坡坡度也各不相同，故在上部结构建模时需将三联箱梁分开建模以保证两边桥台位置更加精确。

对上部结构构件具体设计时可先设计箱梁结构，由于本项目为3联，且分属不同形式，故可分开设计，其后设计上部铺装层、护栏及标线和其他交通附属设施。

笔者以Revit 2014为主要设计软件，其分为两个设计文件：族文件与项目文件。在设计过程中，具体桥梁构件会以族文件形式展现，将下部与上部结构设计完成后载入到项目文件中进行拼装，载入族文件的过程中需要注意单位变换，族文件和项目文件中的单位默认为mm。

3.4 参数化建模

Revit是面向建筑结构所制作的BIM软件，其本身携带的构件族库较少，无法满足桥梁建模需要。特别是墩台构件，由于墩台数量较多，逐个建模定会效率低下，故笔者采用参数化建模方式对下部结构进行建模。在使用族库创建下部结构模型过程中，Revit可先将大桥平面图以Cad格式导入，可在项目文件中按照桥墩、桥台位置摆放即可，如图4。

图4 BIM下部结构布置Fig. 4 BIM substructure layout

在族文件中建立上部结构过程中，需考虑第2、3联箱梁之间结构形式的不同，且梁板纵坡分别为2.8%和2.95%。经过与该大桥平面位置校核，构建了预应力砼小箱梁结构与现浇箱梁结构，并将两个结合进行组合拼装，如图5。当在族文件中分别对上部结构和下部墩台模型建立完成之后，可先导入护栏标准图对左右护栏和中央分隔带进行建模，按照标线标准图将标线位置导入到铺装层上，最后将族库中所有模型文件整合到结构项目文件中，但需要注意的是大桥两侧桥台高程位置不容错误，在项目文件整合之中可先按照1、11号桥台的高程位置设置结构平面。整合之后的桥梁整体参数化模型如图6。

图5 现浇箱梁与预应力砼小箱梁结构对比Fig. 5 The comparison of cast-in-place box girder and prestressed concrete box girder structure

图6 BIM参数化桥梁整体模型Fig. 6 Overall model of BIM parameterized bridge

3.5 深化设计及应用

笔者在建模过程之中对桥面铺装和标线信息进行了附加，通过提取项目文件可了解到桥梁各个构件信息。例如在“参数和材质”对话框中添加桥面铺装层参数，材质定义为沥青，同样标线也添加了参数以方便查看，在墩台设计和箱梁设计中选择了将钢筋附着到主体之中，更直观表达了桥梁整体模型的结构形式。

在工程量统计方面，笔者按照构件数量利用Navisworks自定义了材料数据文件格式，并自动输出不同格式的材料文件，更加提高了设计效率和准确率，同时方便了工程人员查看材料数量，如表1。在与路线对接方面，笔者利用Revit所建立的桥梁三维模型成功导出FBX格式文件，将其导入到Infraworks360之中与三维路线进行对接，得到了集道路桥梁于一体的BIM模型。

表1 主梁部分预应力材料及钢筋数量Table 1 Partial prestressed material of girder and the number of reinforcing bars

4 结 语

随着桥梁设计手段不断革新，以BIM技术为主体的设计方式逐渐增多。其中BIM在国外应用方式较为成熟，基本上形成了设计、施工、运维集一体的管理模式；相对于我国而言，BIM技术仅还在发展阶段。笔者以IFC标准为基础，构建了BIM桥梁设计及施工管理标准化技术路线，为三维模型建立提供了理论基础，也为今后BIM技术在桥梁建设中应用提供了一条可靠的技术路线。同时以河北延崇高速公路红河大桥为例，成功将BIM应用到了该桥梁设计当中，证明了BIM技术优势所在，为BIM在我国桥梁设计中应用积累了实践经验。

随着桥梁结构的复杂程度以及BIM软件的局限性，BIM桥梁设计及施工管理标准化技术路线需进一步改善，且BIM技术的优势并未完全体现，例如出图模式需更符合我国工程人员设计习惯等。总体而言，BIM技术能极大提高效率，降低工程时间和经济成本，提高桥梁建设项目管理和运营水平。