预应力连续刚构桥梁BIM精细化建模实例

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预应力连续刚构桥梁BIM精细化建模实例

曾绍武1,张学钢1,张　林2,李季晖2,王安东1

(1.陕西铁路工程职业技术学院道桥工程系,陕西渭南　714099；2.中铁一局集团有限公司,西安　710054)

摘　要：桥梁BIM模型构建技术是运用BIM建模软件建立参数化3D、4D乃至nD桥梁BIM模型,运用信息模型基础数据为桥梁全生命周期服务,为参与桥梁建设各方提供信息化交流平台,为实现建设对象可视化、施工进度控制动态化、信息数据采集智能化提供技术支持。以湖润1号大桥的3D、4D模型构建为例,阐述采用Revit构建大桥模型全过程,提出一种桥梁BIM模型精细化构建的方法与思路。

关键词：预应力连续刚构桥；BIM；模型构建；精细化；方法

中国中铁、中国铁建、中交集团等正全面宣传和贯彻落实精细化管理，BIM三维模型与管理平台的应用成为各集团公司推行精细化管理的一项重要举措[1-3]。笔者作为湖润1号大桥BIM建模与驻场技术服务负责人，结合湖润1号大桥的工程特点，运用Revit进行精细化模型构建研究探索与实践。桥梁BIM模型构建技术是运用BIM建模软件建立参数化3D、4D乃至nD桥梁BIM模型，运用信息模型基础数据为桥梁全生命周期服务，为参与桥梁建设各方提供信息化交流平台，为实现建设对象可视化、施工进度控制动态化、信息数据采集智能化提供技术支持[4-5]。以湖润1号大桥的3D、4D模型构建为例，阐述采用Revit构建大桥模型全过程，提出一种桥梁BIM模型精细化构建的方法与思路，以供同行参考与借鉴。

1　概述

1.1　湖润1号大桥概况

广西崇左至靖西高速公路六-2标位于百色市靖西县湖润镇境内，起讫桩号YCK110+600-K114+850，主线全长4.25 km。湖润1号大桥是该标段控制性工程之一，位于湖润镇坡州村，全长496 m，跨径为3×40 m+(78+140+78) m+2×40 m。主桥设计为3跨预应力连续刚构，引桥为40 m标准T梁，主墩设计为变截面空心薄壁双肢墩，大部分桥墩高度都超过50 m，最高5号墩达97 m，主跨140 m，属高墩大跨结构，图1为建设中的湖润1号大桥[6]。

图1　建设中的湖润1号大桥

1.2　运用BIM技术的必要性

湖润1号大桥为该标段控制性工程，具有以下特性：

(1)周边地形地貌复杂，山岭陡峭，便道崎岖；

(2)高墩大跨连续刚构桥，主墩、主梁均为变截面空心形式，结构构造复杂；

(3)三向预应力结构，预应力线形分布范围广，钢筋众多，普通钢筋与预应力管道纵横交错；

(4)控制性工程，合同工期紧，施工进度压力大。

鉴于此，施工中将带来钢筋、混凝土等材料的进场、周转困难，水平、垂直运输量大，图纸复杂识读困难，向工人技术交底有挑战，管道精准预留定位繁琐，钢筋与管道冲突频现，钢筋加工绑扎任务重，施工进度难以控制等问题。

针对以上问题，研究湖润1号大桥BIM模型的建立，寻求BIM技术解决方案，确保大桥施工质量、安全和进度很有必要[6]。

2　Revit系列软件构建桥梁模型的优势

2.1　Revit软件操作界面简介

Revit构建桥梁模型主要运用到新建项目创建一个Revit项目文件以及新建族创建一组在项目中使用的自定义构件。新建Revit项目文件操作界面如图2所示，软件菜单的一级目录功能菜单主要包括：建筑、结构、系统、插入、注释、分析、体量和场地、协作、视图、管理、附加模块、修改。桥梁建模过程中主要使用的结构模块功能有柱命令生成桩基承台，钢筋命令绘制钢筋，构件命令放置桥墩、梁。插入模块功能有导入CAD命令、载入族命令，分别可以实现平面CAD图纸导入与外部新建族文件的载入。视图模块可以实现三维视图切换功能，用户界面可以调出属性和项目浏览器等栏目，以便查看属性和在实现结构平面、立面中东北西南之间快捷转换。修改模块可以实现对齐、镜像、平移、旋转、修剪、阵列等基本操作。

图2　Revit全桥项目操作界面

新建族文件操作界面如图3所示，软件菜单的一级目录功能菜单主要包括：创建、插入、注释、视图、管理、附加模块、修改。建立桥梁构件族时主要使用创建模块功能中的拉伸、融合、旋转、放样、放样融合以及空心拉伸、空心融合、空心旋转、空心放样、空心放样融合十大命令生成复杂的桥梁构件族，另外，还用到属性命令定义族类别，其他功能模块使用的命令与项目文件介绍的基本一致。

图3　Revit 0号块族操作界面

2.2　Revit构建桥梁模型的优势分析

采用Revit软件建立桥梁三维BIM模型，构建完整的钢筋、混凝土数据信息系统，运用BIM施工管理平台进行信息化集成[7-9]，3D状态下推演施工方案，4D状态下进行施工进度、计划管理，获取各施工节段的材料工程数量、几何尺寸信息、相对参考坐标，成为施工管理人员准确把握施工现场的得力助手，主要体现在以下几个方面。

(1)强大的建族功能确保建模精、确、快

采用Revit系列软件，以建族方式精确生成截面变化复杂的空心桥墩、梁体以及预应力管道等，按实际施工顺序和桥梁构件变化规律，建立参数化的桥墩节段、连续梁节段族，实现快速准确生成各个构件，建模效率高。

(2)操作界面友好，易于上手

Autodesk Revit是在Autodesk CAD基础上开发的三维建模软件，软件的操作与CAD有部分相通相似，容易理解软件的菜单命令，便于施工企业初学者操作上手，有利于技术成果的应用与推广[10]。

(3)良好的三维显示效果

Autodesk Revit对电脑配置要求高，三维动态画面效果好，钢筋、预应力管道清晰可见，可以实时动态高精度加载显示模型，三维技术交底模型实体逼真，交底效率高。

(4)优良的数据互通性

Autodesk Revit与Autodesk CAD均为基础性开发平台，可以和同类或者下游软件进行数据互通，除了能够导入 Navisworks Freedom、Navisworks Manage进行碰撞检查、三维漫游动画制作、施工进度动态管理外，还能导入并应用达索、鲁班等软件的后方平台，甚至导入Robat中进行力学分析与计算[11-12]。

(5)全生命周期管理

湖润1号大桥Revit三维模型应用可以贯穿整个工程生命周期，从可行性研究到设计阶段，从施工企业招投标策划到竣工验收结算阶段，甚至延伸到运用维护管理阶段。BIM模型的动态数据管理属性便于桥梁工程全生命周期的业务应用[13-14]。

(6)自带工程量计算功能，方便易用

桥梁模型的建立、属性信息的输入、工程数量的查询提取均符合工程技术人员操作习惯并方便易用。自带混凝土方量点击查询功能，以及钢筋明细表提取功能，快捷简单。同时可以实现施工进度模拟优化、碰撞检查、三维漫游动画制作、工程量分计和统计。

鉴于以上优势，采用Revit建立桥梁模型解决湖润1号大桥施工中的问题是可行的。

2.3　Revit构建桥梁模型主要步骤简介

Revit构建桥梁模型的主要步骤如图4、图5所示。

图4　全桥三维模型构建流程

图5　T梁三维模型构建流程

图4所构建的全桥三维模型仅包含混凝土信息，不包含钢筋、预应力信息，图5所示的T梁三维模型包含混凝土、钢筋、预应力管道三者的信息。

3　精细化构建桥梁三维模型的实施

湖润1号大桥钢筋数量多，钢筋信息量大，Revit软件轻量化显示功能有限，无法实现桥梁所有构件的钢筋、预应力管道信息集成，因此模型构建工作分4部分组成：素混凝土整体桥梁模型构建；桩基、承台、桥墩、盖梁钢筋混凝土模型构建；连续梁各施工块段钢筋预应力管道模型构建；T梁钢筋预应力管道模型构建。实际混凝土浇筑过程也是分块进行的，因此分块构建模型对后期BIM模型数据信息的采集与应用影响不大[15-16]。

3.1　湖润1号大桥混凝土整体模型构建

大桥整体模型构建思路：严格按照施工图1∶1建模，按照桩基中心位置定平面位置，按照各承台顶高程定参照高程，建族实现各变截面空心桥墩(包括盖梁、支座垫石等)、变截面连续箱梁以及各T梁的精准建模，将族文件导入并安放在正确的位置，实现整个桥梁的模型的组装构建。

(1)桩基承台混凝土模型构建

在Revit项目中，首先根据施工图承台顶面高程在南立面创建各高程面，并对应命名为某桥墩或桥台承台顶，作为各自墩台模型构建参照高程面，如图6所示水平线即为南立面显示的各承台顶高程面。

图6　承台顶面高程

根据图纸提供的桩基中心坐标，用CAD画出具体桩位布置平面图，并提前将墩台底部、承台位置与桩基固定，导入到Revit不同的高程面上，实现精确定位高程、平面位置。以各自承台顶面作为参考高程，按各根桩的直径、位置和高程控制，采用结构柱命令生成各基桩，共52根。根据导入的桩基承台平面布置图，按照施工图提供的承台垫层具体尺寸位置高程及厚度，按方形柱的形式生成所有承台垫层，同理生成承台。

(2)桥墩桥台混凝土模型构建

根据图纸几何尺寸结构分别建立0～8号桥墩或桥台的族文件，随后分别导入第二步建立的结构构造项目里，安放在正确的位置和高程处。空心或者异形结构需要按照施工图变化规律分块段建族，类似构件的可以通过参数化建族生成。如图7(a)、图7(d)所示为部分墩台模型。

图7　Revit创建的桥墩、桥台、0号块模型

(3)T梁混凝土模型构建

桥墩桥台混凝土模型一般沿竖向逐节构建，而T梁混凝土模型则是沿水平分段构建。根据施工图40 m标准T梁分中跨中梁、中跨左边梁、中跨右边梁、边跨中梁、边跨左边梁、边跨右边梁6种基本参数族，每片T梁的细微变化处通过调整参数实现快速建模。如图8所示为中跨中梁模型。

图8　中跨中梁模型

(4)连续箱梁混凝土模型构建

连续箱梁根据其特点分为0号块族、1～19号块族以及合龙段族，其中0号块最为复杂，单独建成非参数化族。1～19号块类似，以1号块为例建立参数化族，其他块段通过需该参数生成，同理构件各合龙段族。如图7(b)、图7(c)所示为0号块模型。

0号块是箱梁块段中最复杂的，内部倒角、过人孔等挖空多且变化复杂，严格按照0号块变化规律分19块进行精细化建模，建模后将其三维投影三视图与施工图一一核对，确保计算的混凝土方量的精准，突破0号块的建模难题就突破了连续箱梁建模问题，也就突破了整个桥梁混凝土模型的建立，最后将各构件族导入项目内组装成桥，如图9所示。

图9　全桥组装效果模型

3.2　桩基、承台、桥墩、盖梁钢筋模型构建

梁体中错综复杂的钢筋如何绘制，如何确保其空间位置的准确性是建模过程中的一大难题。主要分两种不同的情形，对应采取不同的措施予以保证。第一种针对结构尺寸规则的承台，首先，绘制钢筋时提前算好最外缘钢筋的保护层厚度，做剖面后按施工图尺寸手动绘制外缘第一层钢筋大样图，并确保其保护层厚度。然后，考虑最外缘的钢筋所占体积，将紧贴第一层钢筋的第二层钢筋绘制在其尺寸轮廓以内，这样钢筋保护层厚度足够，并消除钢筋之间位置的冲突，钢筋就不会乱跑。第二种情形是针对钢筋在变截面区出现钢筋外保护层厚度不够其长度形状有自适应变化现象，此时需要将绘制的钢筋拉出混凝土结构，重新双击钢筋按图纸正确尺寸修改，采用建组命令将钢筋形状固定，最后将钢筋组移动到混凝土结构正确的位置。其中变截面T梁与箱梁钢筋绘制时就会存在第二种情形。

在建族时必须选择族的属性为结构框架，并将族模型导入项目中，才能在混凝土结构中实现钢筋绘制。

绘制时严格按照钢筋形状、直径、长度、间距、位置与型号等信息执行，相同形状钢筋可以通过阵列或者复制生成，不同形状的需要根据钢筋大样图的尺寸手绘，绘制钢筋操作一般在剖面上进行。如图10～图12所示为桩基、承台、桥墩盖梁钢筋模型。

图10　盖梁桥墩钢筋模型

图11　钢筋模型

图12　承台钢筋模型

3.3　连续箱梁各块段钢筋、预应力管道模型构建

箱梁为三向预应力结构，其预应力管道分为纵向、横向、竖向，其中纵向预应力管道包括顶板、腹板与底板内的预应力管道。箱梁建模时先在族文件中精确生成带预应力孔道混凝土模型，再将箱梁族文件导入Revit项目中，同时以逐根编号新建各三向预应力管道族，将各管道族导入Revit项目中并对应插入孔道，确保管道线形与孔道线形完全重合，最后绘制钢筋。其他块模型同理构件。图13是严格按照预应力束的线形、位置、束数、管径、分布规律建立三向预应力管道模型。建模后将预应力束模型三视投影图与施工图核对，确保管道在混凝土整体箱梁内的位置完全准确。图14、图15是按照箱梁普通钢筋构造图纸构建的模型，钢筋的形状、型号、直径、间距、尺寸、布置规律与施工图钢筋信息完全一致。最后，形成混凝土构造信息、普通钢筋信息、预应力孔道信息以及预应力管道信息集成的三维信息模型，如图16所示。

图13　预应力管道模型

图14　箱梁钢筋模型

图15　锯齿块钢筋模型

图16　钢筋、预应力管道集成的箱梁模型

3.4　40 m标准T梁钢筋、预应力管道模型构建

40 m标准T梁模型构建方法与连续箱梁类似，在此不再赘述。以中跨中梁为例，构件40 m标准T梁钢筋、预应力管道模型构建步骤如下。

在准确理解40 m标准T梁施工图的基础上，其建模的整体思路如下：第一步，以建族形式生成40 m标准T梁混凝土实体，主要运用到建族功能中的实心拉伸、放样、融合、放样融合等基本的命令；第二步，在第一步建立三维实体模型族的基础上生成40 m标准T梁中的预应力空心孔道，主要运用到建族功能中的空心拉伸、放样、融合、放样融合等基本命令，其中包括梁肋预应力孔道、顶板负弯矩孔道、张拉槽口等；第三步，在第二步新建带预应力孔道40 m标准T梁族的基础上将其导入项目中绘制普通钢筋；第四步，按照预应力孔道的尺寸、线形建立预应力管道族，并将预应力管道族导入第三步建立的钢筋混凝土40 m标准T梁项目中，管道族一一对应安放到位，确保预应力孔道和预应力管道完全重合，这样就生成带预应力管道、孔道、钢筋的40 m标准T梁三维信息模型，如图17、图18所示。

图17　钢筋、预应力孔道T梁模型

图18　钢筋、预应力管道集成的T梁模型

4　四维模型构建探索

在完成三维模型精细化构建的基础上，探索进行四维模型的构建。

4.1　四维动态施工进度模拟创建工作流程

结合湖润1号大桥的施工进展，调查分析客观条件，综合考虑工人施工水平、机械设备资源配置、地形地貌特征，将四维模型创建过程与湖润1号大桥施工组织流程紧密关联[17-18]。

首先，进行混凝土方量的精算。桥梁施工管理者控制施工进度过程中往往是以已浇筑的混凝土方量与未浇筑混凝土方量对比值进行总体衡量和控制工程进展的，虽然没有明确指出但是却暗含着钢筋、预应力束、模板等的工程量，混凝土浇筑方量计划与资源配置息息相关。其次，根据混凝土浇筑方量的分施工节段精算结果，进行资源分配，并根据工程经验和客观施工水平进行工作效率的计算，求出桥梁某单项任务所需工作时间。再次，综合考虑逻辑关系和传统施工网络双代号图或者施工进度控制横道图获取整个桥梁工程施工项目的总体进度计划安排。最后，将施工总体进度计划安排跟桥梁BIM模型一一关联，利用Navisworks的timeline功能模块进行桥梁四维动态施工进度模拟。图19为4D动画模拟截图集。

图19　湖润1号大桥4D动画模拟截图集

4.2　计算机构建四维动态模型的实施步骤

如4.1所述在充分考虑到四维模型构建与湖润1号大桥的施工进度管理客观情况之间内在联系的基础之上，按以下步骤进行实施：

(1)用Revit2014版软打开桥梁模型，将其存为NWC格式文件；

(2)用Navisworks Manage2014版打开上一步另存的NWC文件；

(3)在Navisworks Manage2014中点击timeline模块输入湖润1号大桥总体施工进度计划(图20)，明确各桥梁施工节段的计划开始、计划结束、实际开始、实际结束时间；

(4)在Navisworks中明确各块段的施工任务的性质，包括建设、拆除或者临时性任务；

(5)将桥梁模型各施工节段实体构件与步骤3输入的进度计划关联；

(6)构建出桥梁四维动态进度模拟动画，并根据工程进展后实际开始时间与实际结束时间不停进行模型的修改和更新[8-10]。

图20　施工进度计划输入

5　结语

通过湖润1号大桥三维模型的构建，证实采用Revit建族功能实现精确构建高墩大跨连续刚构桥整体三维信息模型方法可行，同时还可以实现精确构建T梁，箱梁的钢筋、预应力管道三维信息模型，Revit三维显示效果良好。缺陷是钢筋BIM模型所占内存空间过大，湖润1号大桥BIM项目无法将钢筋、预应力管道等所有信息集成到统一的模型中，信息的轻量化以及云工作平台研究是将来建模工作者以及软件开发工作者努力的方向[19-20]。

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Prestressed Continuous Rigid Frame Bridge BIM Fine ModelingZENG Shao-wu1, ZHANG Xue-gang1, ZHANG Lin2, LI Ji-hui2, Wang An-dong1

(1.Department of Road and Bridge Engineering Shaanxi Railway Institute, Weinan 714099, China;

2.China Railway First Group Ltd., Xi’an 710054, China)

Abstract： The modeling technology of bridge uses BIM software to establish the parameterized bridge BIM model of3D, 4D and even nD, employs basic data information model to serve for the life cycle of the bridge, offers information exchange platform to the parties involved in the bridge construction, and provides technical support to realize visualization of construction objects, dynamic control of construction schedule and intelligent data acquisition. With reference to 3D and 4D modeling of Hu Run No. 1 Bridge, this paper describes the whole process of modeling a bridge with Revit, and puts forward methods and ideas of bridge BIM fine modeling.

Key words： Prestressed continuous rigid frame bridge; BIM; Modeling; Fine; Method

中图分类号：U442.5； TP391.72

文献标识码：A　　

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.015

文章编号：1004-2954(2016)02-0071-06

作者简介：曾绍武(1982—)，男，讲师，E-mail：[e-mail]。

基金项目：陕西铁路工程职业技术学院2015年首批科研基金项目计划(2015-16)；2015年度陕西高等教育教学改革研究项目(15Z31)

收稿日期：2015-05-12； 修回日期：2015-05-17