橋梁群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)BIM正向設(shè)計(jì)技術(shù)及工程應(yīng)用

羅樂(lè)根

(黃茅?？绾Ｍǖ拦芾碇行?，廣東 珠海 519000)

0 引言

BIM廣泛應(yīng)用于橋梁工程領(lǐng)域，從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維階段，貫穿橋梁全生命周期。在設(shè)計(jì)階段，BIM技術(shù)最重要的功能——正向設(shè)計(jì)，BIM正向設(shè)計(jì)即在三維環(huán)境中直接開(kāi)展設(shè)計(jì)的行為，包括分析項(xiàng)目需求、總體設(shè)計(jì)、方案比選、構(gòu)件設(shè)計(jì)、輸出設(shè)計(jì)成果等基本過(guò)程。常泰長(zhǎng)江大橋應(yīng)用BIM技術(shù)分別對(duì)鋼桁梁[1]和主塔[2]進(jìn)行正向設(shè)計(jì)，介紹了不同構(gòu)造的正向設(shè)計(jì)思路；周曉陵[3]對(duì)全鋼結(jié)構(gòu)斜拉橋橋塔區(qū)錨固構(gòu)造進(jìn)行了正向設(shè)計(jì)，并將BIM模型和有限元計(jì)算模型關(guān)聯(lián)起來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力計(jì)算。

BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)中發(fā)揮的作用越來(lái)越大，目前對(duì)于多塔斜拉橋的BIM正向設(shè)計(jì)技術(shù)，針對(duì)鋼梁、主塔、鋼錨梁等構(gòu)造分別進(jìn)行了探索，但是對(duì)于鋼筋構(gòu)造BIM的正向設(shè)計(jì)尚未涉及，因此本文依托黃茅海大橋工程，通過(guò)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)樁基、承臺(tái)、塔座鋼筋正向設(shè)計(jì)。

1 工程概況

黃茅海大橋作為黃茅?？绾Ｍǖ拦こ痰耐ê娇讟颍鐝讲贾脼?00m+280m+720m+720m+280m+100m，為主跨跨徑2×720m的獨(dú)柱塔雙索面三塔斜拉橋。主梁采用分離式鋼箱梁+橫向連接箱，鋼箱梁梁高 4.0m，寬度50m。全橋共設(shè)置3×4×24=288 根斜拉索，中塔設(shè)置4×5=20根輔助索。索塔采用混凝土獨(dú)柱塔，索塔基礎(chǔ)采用變截面群樁基礎(chǔ)和橢圓形承臺(tái)，上部設(shè)置錐臺(tái)形塔座。橋梁總體布置如圖1所示。

黃茅海大橋的基礎(chǔ)樁基、承臺(tái)、塔座的尺寸見(jiàn)表1，若采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，存在以下問(wèn)題：

表1 主橋基礎(chǔ)尺寸(單位：m)

(1)全橋樁基、承臺(tái)塔座尺寸種類(lèi)多，配筋方式也不盡相同，因此設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)不同尺寸來(lái)繪制鋼筋構(gòu)造圖，工作量重復(fù)。

(2)后期基礎(chǔ)尺寸、鋼筋設(shè)計(jì)方案的修改帶來(lái)圖紙繪制、鋼筋數(shù)量統(tǒng)計(jì)的重復(fù)工作量。

(3)二維圖紙數(shù)量統(tǒng)計(jì)不精準(zhǔn)，復(fù)核較為繁瑣，且不一定能夠發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。

如采用正向設(shè)計(jì)，對(duì)同類(lèi)型不同尺寸的基礎(chǔ)構(gòu)造，只需建立一個(gè)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的BIM模型，后期基礎(chǔ)尺寸改動(dòng)、鋼筋配筋方案改動(dòng)等可直接通過(guò)修改驅(qū)動(dòng)參數(shù)來(lái)調(diào)整模型，二維圖紙隨之更新，后期設(shè)計(jì)復(fù)核只需檢查三維模型，也可避免二維設(shè)計(jì)過(guò)程中的錯(cuò)漏碰缺等問(wèn)題。因此基礎(chǔ)鋼筋構(gòu)造采用BIM正向設(shè)計(jì)，由三維模型交付出的二維圖紙，在確保圖模數(shù)據(jù)一致的同時(shí)，還可實(shí)現(xiàn)便捷的聯(lián)動(dòng)修改，自動(dòng)化地完成大量重復(fù)的工作，提高深化設(shè)計(jì)的效率。

2 基于BIM的正向設(shè)計(jì)

2.1 群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)BIM設(shè)計(jì)思路

基于基礎(chǔ)構(gòu)造的參數(shù)化BIM模型，通過(guò)參數(shù)模板實(shí)例化的建模方式，調(diào)節(jié)控制參數(shù)，構(gòu)建承臺(tái)、樁基、塔座的鋼筋模型構(gòu)件庫(kù)，驅(qū)動(dòng)模型以適應(yīng)不同的構(gòu)件尺寸和設(shè)計(jì)方案。通過(guò)三維參數(shù)化模板+二維出圖的模式，滿(mǎn)足施工圖設(shè)計(jì)的深度，實(shí)現(xiàn)斜拉橋基礎(chǔ)鋼筋構(gòu)造的正向設(shè)計(jì)。斜拉橋正向設(shè)計(jì)具體的技術(shù)路線(xiàn)如圖2所示。

圖2 斜拉橋正向設(shè)計(jì)技術(shù)路線(xiàn)

2.2 群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)BIM設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)比選

橋梁領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的建模軟件有Bentley、Revit和Inventor。

2.2.1 Bentley

Bentley通過(guò)一種描述語(yǔ)言PCL(Parametric Component Language)并在MicroStation平臺(tái)上開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的語(yǔ)言解釋器,以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體的參數(shù)化[4]。對(duì)于驅(qū)動(dòng)參數(shù)較多的構(gòu)件，這種方法定義輸入?yún)?shù)較為復(fù)雜、容易出錯(cuò)，不適用于參數(shù)化便捷驅(qū)動(dòng)[5]。

2.2.2 Revit

Revit+Dynamo模式可實(shí)現(xiàn)參數(shù)化模板，但存在一些問(wèn)題：

(1)Dynamo是主要建立模型的軟件，而Revit是建立的模型載體，二維出圖系列操作需在Revit中進(jìn)行，相互之間的調(diào)用關(guān)系復(fù)雜。

(2)Revit中的標(biāo)注是基于構(gòu)件進(jìn)行標(biāo)注，而Dynamo每次生成的模型是將之前的模型刪除，重新生成一個(gè)新的模型，因此相關(guān)標(biāo)注會(huì)消失。

2.2.3 Inventor

Inventor零件+裝配模式可以較好地解決Bentley和Revit軟件在設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的問(wèn)題：

(1)在幾何草圖的基礎(chǔ)上，通過(guò)拉伸、放樣、掃掠等多種方式滿(mǎn)足不同的三維造型要求。

(2)結(jié)合構(gòu)件特性和后期修改的需要，在幾何草圖中可使用幾何約束功能，以減少相關(guān)的輸入?yún)?shù)，精簡(jiǎn)實(shí)例模板的驅(qū)動(dòng)參數(shù)。

(3)Inventor的自動(dòng)創(chuàng)建視圖功能和繪圖工具，較大提高了輸出二維圖紙的效率。另外，工程圖與三維模型是相關(guān)聯(lián)的，對(duì)關(guān)聯(lián)模型進(jìn)行更改后，工程圖均可自動(dòng)更新。

(4)Inventor零件+裝配的模式可將不同類(lèi)型的鋼筋定義成零件，形成多種鋼筋零件庫(kù)，在部件中進(jìn)行零件裝配，不同零件相互之間的位置關(guān)系可通過(guò)約束定義確定，也方便統(tǒng)計(jì)不同種類(lèi)鋼筋的數(shù)量。

綜上所述，Inventor軟件符合基礎(chǔ)鋼筋正向設(shè)計(jì)的需求，最終選定Inventor作為BIM正向設(shè)計(jì)平臺(tái)軟件。

3 參數(shù)驅(qū)動(dòng)BIM模型的創(chuàng)建

目前橋梁專(zhuān)業(yè)的BIM模型主要采用“骨架+模板實(shí)例化”的建模技術(shù)，這是一種“自頂向下”和“自底向上”相結(jié)合的混合建模方法。樁基、承臺(tái)、塔座的三維模型即骨架，作為鋼筋構(gòu)造的承載體，然后利用“模板技術(shù)”為同類(lèi)型構(gòu)件定義參數(shù)化模板，并利用“批量實(shí)例化技術(shù)”，以自底向上的方式批量生成完整的項(xiàng)目模型。

首先確定樁基、承臺(tái)、塔座的混凝土構(gòu)造驅(qū)動(dòng)參數(shù)，在構(gòu)造模型的基礎(chǔ)上，輸入保護(hù)層厚度，確定鋼筋邊界位置；接著根據(jù)各種類(lèi)型鋼筋的尺寸、位置、根數(shù)，輸入相關(guān)參數(shù)形成參數(shù)化模板，并基于軟件iPart組件構(gòu)建關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的構(gòu)件庫(kù)。

表2 正向設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)參數(shù)

3.1 混凝土構(gòu)造BIM模型

以中索塔為例，中塔樁頂以下37m樁徑3.0m，37m以下到樁底樁徑為2.5m，承臺(tái)為長(zhǎng)軸51m、短軸40m的橢圓形，高6m。上部設(shè)置3m厚的塔座，塔座為錐臺(tái)形式。中塔基礎(chǔ)BIM模型如圖3所示，模型中基礎(chǔ)構(gòu)件驅(qū)動(dòng)參數(shù)如圖4所示。

圖3 基礎(chǔ)構(gòu)件BIM模型

圖4 基礎(chǔ)構(gòu)件驅(qū)動(dòng)參數(shù)

3.2 鋼筋BIM模型

先定義好主驅(qū)動(dòng)參數(shù)并賦予初值，再將創(chuàng)建的鋼筋驅(qū)動(dòng)參數(shù)與幾何草圖中的尺寸約束關(guān)聯(lián)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)尺寸標(biāo)注有參數(shù)驅(qū)動(dòng)。為了減少參數(shù)數(shù)量，盡可能采用幾何關(guān)系約束建模，例如以鏡像陣列的方式。實(shí)際工程中鋼筋存在彎鉤，鋼筋BIM模型由于出圖限制，可將鋼筋彎鉤省略，統(tǒng)計(jì)工程量時(shí)將彎鉤部分的數(shù)量加上即可。

創(chuàng)建參數(shù)化模板流程：首先在二維草圖中建立鋼筋的骨架，測(cè)試保護(hù)層厚度、鋼筋間距、根數(shù)等驅(qū)動(dòng)參數(shù)的可適應(yīng)性；然后在骨架的基礎(chǔ)上賦予鋼筋直徑輪廓；再通過(guò)陣列、鏡像等方式形成完整的鋼筋參數(shù)化模型。樁基、承臺(tái)、塔座的鋼筋BIM模型如圖5～圖7所示。

圖5 樁基參數(shù)化BIM模型

圖6 承臺(tái)參數(shù)化BIM模型

圖7 塔座參數(shù)化BIM模型

4 自動(dòng)化二維出圖

目前二維圖紙仍是最終的設(shè)計(jì)交付物，如何快速準(zhǔn)確地生成符合施工要求的二維圖紙，是實(shí)現(xiàn)正向設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。三維設(shè)計(jì)出圖是協(xié)同設(shè)計(jì)的一個(gè)環(huán)節(jié)，離不開(kāi)統(tǒng)一的協(xié)同設(shè)計(jì)規(guī)則，同時(shí)對(duì)建模也有一定的要求，形成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的設(shè)計(jì)圖紙。

三維設(shè)計(jì)出圖的主要流程：

(1)統(tǒng)一出圖樣式。在出圖前統(tǒng)一圖框設(shè)置、標(biāo)題欄設(shè)置、標(biāo)注樣式、文字樣式、線(xiàn)型線(xiàn)寬、剖切樣式等圖紙要素。

(2)切圖模型篩選。三維設(shè)計(jì)模型和工程圖在兩個(gè)文件中進(jìn)行，工程圖文件中選定設(shè)計(jì)模型作為基礎(chǔ)視圖，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)圖面布局選擇投影、剖視或局部視圖，并針對(duì)不同視圖的特點(diǎn)控制局部模型的顯示或隱藏，保證圖面清晰整潔。相關(guān)放置視圖如圖8所示。

圖8 視圖放置方式

(3)動(dòng)態(tài)切圖剖分。三維動(dòng)態(tài)切圖可以切二維剖面圖及詳圖大樣圖，也可以切出三維線(xiàn)框圖和三維立體彩圖等新型圖紙表達(dá)方式。剖視圖可控制剖面位置以及剖切深度，剖面位置可約束到模型上，當(dāng)設(shè)計(jì)模型更改時(shí)，剖切位置不會(huì)隨意變動(dòng)。局部視圖可展示局部大樣圖或1/2視圖、1/4視圖。針對(duì)細(xì)長(zhǎng)類(lèi)型的樁基鋼筋構(gòu)造圖，選定合適的位置添加斷裂符號(hào)，在有限的圖幅內(nèi)表達(dá)清楚設(shè)計(jì)思路和保證圖面布局。樁基鋼筋切圖成果如圖9所示，承臺(tái)鋼筋構(gòu)造大樣如圖10所示。

圖9 樁基鋼筋構(gòu)造三維設(shè)計(jì)圖紙

圖10 承臺(tái)鋼筋構(gòu)造大樣

(4)圖紙標(biāo)注布局優(yōu)化。標(biāo)注比如：鋼筋符號(hào)、鋼筋編號(hào)、剖面符號(hào)、斷面符號(hào)、凈保護(hù)層厚度、標(biāo)高、剖斷面標(biāo)題等常用符號(hào)做成草圖符號(hào)插入，形成制圖常用符號(hào)庫(kù)(圖11)，以加快制圖速度。

圖11 常用草圖符號(hào)

傳統(tǒng)鋼筋圖的鋼筋用線(xiàn)條或點(diǎn)來(lái)表示，鋼筋三維設(shè)計(jì)時(shí)，工程圖中的鋼筋構(gòu)造剖切出是兩根輪廓線(xiàn)和圓的效果，更能體現(xiàn)出鋼筋之間相互交錯(cuò)的關(guān)系。然后進(jìn)行尺寸標(biāo)注，各類(lèi)型的鋼筋按照間距大小從內(nèi)到外依次標(biāo)注，最外層標(biāo)注混凝土構(gòu)造尺寸。完成圖紙標(biāo)注后，將平面圖、立面圖、側(cè)視圖、大樣圖等按照?qǐng)D幅大小調(diào)整比例尺組圖，目的是能清晰表達(dá)設(shè)計(jì)方案且圖面布局整潔，以承臺(tái)鋼筋立面圖為例的標(biāo)注成果如圖12所示。

圖12 承臺(tái)鋼筋立面圖標(biāo)注效果

(5)工程量統(tǒng)計(jì)分析。三維BIM模型通過(guò)開(kāi)發(fā)的插件一鍵導(dǎo)出各種類(lèi)型鋼筋的體積,在excel中計(jì)算出鋼筋長(zhǎng)度、重量等數(shù)量，同時(shí)將彎鉤的數(shù)量計(jì)入，再通過(guò)工程圖鏈接excel的方式插入鋼筋明細(xì)表。鋼筋插件一鍵導(dǎo)出體積如圖13所示，鋼筋數(shù)量表鏈接excel如圖14所示。

圖13 鋼筋插件——一鍵導(dǎo)出體積

圖14 鋼筋數(shù)量表鏈接excel

5 結(jié)語(yǔ)

基于對(duì)大跨徑斜拉橋基礎(chǔ)鋼筋進(jìn)行BIM正向設(shè)計(jì)，創(chuàng)建了融入設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)參數(shù)的參數(shù)化BIM模型庫(kù)；基于BIM平臺(tái)構(gòu)建尺寸線(xiàn)、標(biāo)注符號(hào)、顏色、線(xiàn)寬、圖幅、字體和視圖等配置系統(tǒng)，介紹了圖紙標(biāo)注、調(diào)整布局以及工程量統(tǒng)計(jì)的方法，最終形成二維圖紙交付成果。后期設(shè)計(jì)方案修改時(shí)，只需修改三維模型，二維圖紙即可更新，效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的制圖方法，并且減少了圖紙出錯(cuò)的概率。

BIM正向設(shè)計(jì)技術(shù)在黃茅海大橋工程基礎(chǔ)中的應(yīng)用，為今后實(shí)現(xiàn)大跨徑斜拉橋的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)提供了工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。