基于BIM 模型的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化研究

張丁坡，代曉童，蔡 軍

（賀州學院建筑與電氣工程學院，廣西 賀州 542899）

橋梁是連接2 個地點的重要交通工具，橋梁的質(zhì)量直接關(guān)系到交通的安全和暢通[1]。因此，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化一直是工程師們研究的重要課題[2]。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機模擬成為了優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要手段。然而，僅僅依靠計算機模擬往往難以得到最優(yōu)設(shè)計方案，因為計算機模擬中的參數(shù)和條件往往是理論推導得出的，并不能完全反映實際情況。基于BIM 模型試驗的方法，可以有效地解決這一問題。通過建立橋梁結(jié)構(gòu)的三維立體模型，并結(jié)合實際試驗。這種方法能夠考慮到實際情況中存在的各種因素，從而得到更加真實可靠的理論。

1 橋梁病害成因

橋梁結(jié)構(gòu)應具有足夠的強度，以承受作用于其上的重力和附加力；結(jié)構(gòu)各部必須具有足夠的剛度，以使其在荷載作用下不產(chǎn)生過大的撓曲和變形；結(jié)構(gòu)各部尺寸必須要具有適當?shù)拇笮。蛊涑惺茌S向壓力時構(gòu)件不發(fā)生屈曲，從而喪失穩(wěn)定性[3-4]。同時結(jié)構(gòu)也要具有較高的耐久性。由于荷載的隨機性、材料強度的離散性、制造與施工質(zhì)量的分散性和計算假定的近似性，致使在長期使用過程中橋梁結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生病害[3-4]。具體的原因為：①原設(shè)計荷載偏低，經(jīng)濟高速發(fā)展后車輛數(shù)量增加，橋梁承載力不夠而發(fā)生損害；②結(jié)構(gòu)設(shè)計存在缺陷，模型結(jié)構(gòu)使用不科學；③橋梁施工質(zhì)量差，施工流程不規(guī)范；④后期橋梁養(yǎng)護不重視，已產(chǎn)生的損害未及時修復處理；⑤自然災害如洪水導致橋梁受力超過預估值導致橋梁損壞。

2 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則和方法

2.1 設(shè)計原則

橋梁作為交通運輸?shù)闹匾M成部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計應遵循以下原則。

安全性原則：橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計應確保橋梁在使用過程中具有足夠的安全性和穩(wěn)定性，能夠承受預期的荷載和環(huán)境影響。

經(jīng)濟性原則：橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計應兼顧經(jīng)濟性和實用性，最大限度地節(jié)約建設(shè)成本，同時保證使用壽命和性能的要求。

美觀性原則：橋梁作為城市重要的交通和城市形象的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計應充分考慮美觀性，符合城市規(guī)劃和美學要求。

可持續(xù)性原則：橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計應充分考慮生態(tài)環(huán)境和社會發(fā)展的可持續(xù)性，最大限度地減少環(huán)境影響和社會負擔。

2.2 設(shè)計方法

橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法主要包括以下幾個方面。

荷載分析：荷載分析是橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的首要任務(wù)，其目的是確定橋梁所需承載的荷載類型和荷載值，并進行合理分配和組合。

結(jié)構(gòu)形式設(shè)計：結(jié)構(gòu)形式設(shè)計是指確定橋梁的結(jié)構(gòu)類型、形式、布局。根據(jù)荷載特點和場地條件，選取合適的結(jié)構(gòu)形式，如梁式橋、拱橋、索橋等。

梁式橋設(shè)計：梁式橋是橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中最常見的形式。在梁式橋的設(shè)計中，需要考慮主梁和支座的位置、梁的截面形狀和尺寸、材料等。

拱橋設(shè)計：拱橋是一種弧形結(jié)構(gòu)，在設(shè)計中需要考慮拱的形狀、尺寸、支座的位置和形式等因素。

索橋設(shè)計：索橋是一種懸索式結(jié)構(gòu)，其設(shè)計中需要考慮索的數(shù)量、位置、形狀，支座的位置和形式等。

材料選用：材料選用是橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中關(guān)鍵的一環(huán)，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)形式、荷載特點、經(jīng)濟性等因素選擇合適的材料，如混凝土、鋼材等。

3 模型試驗的優(yōu)點

BIM 模型是三維立體的設(shè)計表現(xiàn)形式。首先，BIM 模型與原結(jié)構(gòu)相比更加精細且可以直觀表達，因此，模型的制作容易，可以節(jié)省材料、勞動力、時間。其次，利用結(jié)構(gòu)模型做試驗針對性強。BIM 模型試驗可以根據(jù)試驗的目的，突出主要因素，簡略次要因素，這對于結(jié)構(gòu)性能的研究，新型結(jié)構(gòu)的設(shè)計，結(jié)構(gòu)理論的驗證和推動新的計算理論的發(fā)展都具有一定的意義[5]。

模擬和分析是相輔相成的，是發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的方法。橋梁BIM 模型試驗是要以所要研究的實際橋梁為原型，依據(jù)現(xiàn)有的二維圖紙，按比例做成BIM 模型進行虛擬模擬施工。在模擬施工過程中，項目技術(shù)人員可以依據(jù)設(shè)計結(jié)果進行分析，分析出橋梁施工工序的安排是否可行，復雜節(jié)點的施工是否滿足要求，預制構(gòu)件的吊裝順序是否正確，因此BIM模型可以直觀地發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題。對出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)或者質(zhì)量問題進行處理，然后對原有的設(shè)計方案進行優(yōu)化修改，然后依據(jù)新的施工方案進行模擬施工。通過多次的模擬實驗和改進，確定最合理的設(shè)計施工方案。若方案可行，設(shè)計人員指導現(xiàn)場人員按照模擬施工流程進行施工，可以保證施工技術(shù)在施工過程中細節(jié)的可靠性和準確性，減少施工工藝操作不當造成的安全隱患[6]。具體如圖1 所示。

圖1 BIM 模型在橋梁重點部位設(shè)計中的應用

模擬施工雖然解決了工程中大部分問題，但是實際施工時無法保證材料質(zhì)量而導致新的問題。當橋梁質(zhì)量驗收出現(xiàn)質(zhì)量或者施工問題時，在模型對應的位置中標記發(fā)生質(zhì)量問題的部位或者工序，分析原因并制定補救措施方案，項目各參與方可共同參與探討解決方案，從而實現(xiàn)既節(jié)約了時間，又提高了工作效率的目的。收集和整理發(fā)生質(zhì)量問題的相關(guān)資料，分類匯總相似問題的經(jīng)驗和處理的方法，并附有優(yōu)化建議。根據(jù)工程出現(xiàn)問題的部位或者工序?qū)υ瓉淼腂IM模型進行修改，盡量保證BIM 模型與實際工程相符。最后建立BIM 模型數(shù)據(jù)庫，為以后橋梁施工質(zhì)量的事前和事中控制提供數(shù)據(jù)和經(jīng)驗參考[7-9]。對橋梁工程施工過程中可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題制定預防措施以進行事前質(zhì)量控制，類似的問題也可以進行參考和解決。具體如圖2 所示。

4 基于BIM 模型的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化研究

基于BIM 技術(shù)的橋梁設(shè)計會給設(shè)計師或者是設(shè)計工作帶來較大改變。具體來說，在方案設(shè)計階段，在BIM 技術(shù)的三維可視化環(huán)境下，結(jié)合參數(shù)化設(shè)計的集合驅(qū)動或特征模型造型，橋梁設(shè)計師能交互式設(shè)計橋梁形體，設(shè)計環(huán)境、可操作性都優(yōu)于傳統(tǒng)的二維設(shè)計。尤其是Revit 從2009 版本以后推出的體量設(shè)計這一方案設(shè)計工具，在處理復雜橋梁造型時表現(xiàn)出了強大的設(shè)計能力。

傳統(tǒng)的設(shè)計流程是橋梁設(shè)計師在完成方案設(shè)計后又要對模型受力狀況進行計算，將模型優(yōu)化調(diào)整再反映到二維圖紙上，設(shè)計師的任務(wù)繁重。而BIM 技術(shù)的核心是基于同一個三維信息模型，目標是實現(xiàn)在該信息模型中，通過一個模型完成方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)驗算、施工圖出圖和材料數(shù)量統(tǒng)計，并為各專業(yè)配合預留接口，為效果圖制作提供高效可靠的數(shù)據(jù)文件。

以一座橫跨長江的大橋為例，其是聯(lián)系長江南北兩岸的一條主要運輸干線。大橋全長200 m，共有1個跨距，其結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)拱橋，橋面是正交異性橋面板，板上鋪設(shè)瀝青混凝土，其地基為樁基礎(chǔ)。在受力分析模擬計算中，在橋梁的各個部位都存在著不同的病害損傷，因此需要對其進行分析，提出優(yōu)化建議。根據(jù)二維圖紙使用BIM 軟件建立了三維立體模型如圖3所示，在模型中，構(gòu)件的編號、數(shù)量、材料的力學數(shù)據(jù)等信息可以直觀地體現(xiàn)出來，便于施工方對數(shù)據(jù)的整理和統(tǒng)計。對構(gòu)件中可能存在的一些問題也可以提前預知。

圖3 長江大橋BIM 三維模型圖

根據(jù)對該橋梁的病害損傷研究發(fā)現(xiàn)，最不利的部位出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)主跨的跨中位置。經(jīng)過調(diào)研，隨著不同時間通行的車輛及行人數(shù)量增多，橋梁鋼結(jié)構(gòu)受到的外部荷載不斷增大，橋梁承載力降低，導致出現(xiàn)受力彎曲、開裂的情況，影響橋梁的服役性能，所以需要對橋梁設(shè)計方案進行優(yōu)化處理。為了解決以上的問題，提出以下建議：因其損害主要在跨中位置，所以對主跨部位進行加固處理，將橋面材料更換為混凝土材料減小鐵銹對構(gòu)件連接的影響。增加懸索的數(shù)量，分擔橋面受到的重力作用。對橋梁的拱肋進行連接加固。然后改進二維圖紙，改進后繪制出所要建成的模型尺寸如圖4—圖5 所示。

圖4 橋梁模型左視圖（比例為1∶400）

圖5 橋梁模型主視圖（比例為1∶400）

步驟1：對橋梁進行分割繪制，先繪制出橋梁拱肋。在南立面視圖下繪制長度為80 000 mm，距頂端20 000 mm 的圓弧，另一個長度為77 250 mm，距頂端18 000 mm 的圓弧。2 個圓弧底邊距為2 390 mm。生成實體形狀，在三維下修改拱板寬度尺寸為2 000 mm，于拱肋上方開尺寸為1 200 mm 的正方形孔用于連接。繪制完一側(cè)后使用鏡像得到完整的橋梁拱肋。

步驟2：在南立面下繪制尺寸為80000mm×15000mm的正方形橋梁橋面，繪制完成后生成實體形狀，在三維下對該形狀進行拉伸，拉伸終點與拱肋直徑相同。最后對懸索在拱肋的位置進行定位，于定位點繪制圓柱作為懸索。同樣在三維下使用拉伸指令使懸索與拱肋和橋面連接，使用鏡像繪制完成另一側(cè)懸索布置。

模型建立完成后，設(shè)計師就可以將模型導入到計算模型中進行分析驗證，結(jié)構(gòu)工程師可以對各種截面進行優(yōu)化處理。一系列分析優(yōu)化之后，可以將BIM 模型進行更新優(yōu)化，這樣一來不同的軟件對同一個模型的計算分析就會變得很準確，信息也會更完整更全面。對優(yōu)化后的橋梁BIM 模型進行模擬施工，驗證設(shè)計方案的可行性，最后投入到現(xiàn)場施工中。

5 結(jié)果分析

本研究采用三維立體建模，可以清楚地繪制出需要的建筑物結(jié)構(gòu)。本橋結(jié)構(gòu)是鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)作為精密度要求較高的建筑材料，需要結(jié)構(gòu)工程師把控好鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點及需要注意的事項，單純地依靠大腦無法記住所有要點。BIM 技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中實現(xiàn)可視化，有效地避免設(shè)計過程中出現(xiàn)的人為錯誤。所以BIM 技術(shù)可以通過實物建模將其鋼筋的放置、材質(zhì)的模型及放置角度完美地呈現(xiàn)給設(shè)計者，實現(xiàn)模型的可視化。在施工設(shè)計階段該橋梁對環(huán)境影響考慮不周，通過三維渲染動畫效果，可以逼真地模擬出所有環(huán)境，特別有利于鋼結(jié)構(gòu)各材質(zhì)進行定性分析，極大提高了作業(yè)圖紙及現(xiàn)場焊接工作的成功率。此外在鋼的參數(shù)共享時，也可以應用BIM 系統(tǒng)，在螺旋的數(shù)量及間距中，只需要利用BIM 技術(shù)調(diào)節(jié)參數(shù)就可以，設(shè)計人員只需要大致畫出連接件的位置就可以。以3D 結(jié)構(gòu)代替實際物理結(jié)構(gòu)，用詳圖表示鋼筋屬性，精確得到鋼筋的物理結(jié)構(gòu)，并且對于復雜的結(jié)構(gòu)連接處，可以進行放大處理，避免鋼筋重疊碰撞引起的結(jié)構(gòu)不牢靠風險。

本研究采用BIM 模型試驗的方法進行橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，對一座有病害損傷的橋梁進行了建模分析。經(jīng)過結(jié)果分析，本研究得出以下結(jié)論。

1）BIM 模型在施工時可視化能夠作為施工現(xiàn)場的指導方法，能讓施工人員更為清晰地了解到橋梁整個工程中的步驟和存在的安全隱患，能夠降低施工問題發(fā)生的概率，同時也對現(xiàn)場管理進行了改善，讓管理人員能夠更好地提高工作效率。BIM 技術(shù)通過與現(xiàn)在發(fā)展迅速的互聯(lián)網(wǎng)和計算機技術(shù)緊密結(jié)合，有效地整合了傳統(tǒng)工程項目的相關(guān)資源和流程。

2）隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，基于BIM 模型試驗的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法將得到進一步的完善和推廣，BIM 在傳統(tǒng)建筑行業(yè)大展身手的同時，也必然會給橋梁工程的生產(chǎn)模式帶來全新變革。在設(shè)計過程中，需要加強對結(jié)構(gòu)材料的研究和應用，同時還需要考慮結(jié)構(gòu)的可維護性和可持續(xù)性。此外，為了更好地適應不同地域和使用環(huán)境的需求，橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計也需要不斷創(chuàng)新和優(yōu)化。因此，未來的研究應該注重結(jié)合實際工程與BIM 應用進行深入探究，為橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計和建設(shè)提供更加優(yōu)秀的技術(shù)方案。