羅樂根

(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、施工、運維階段，貫穿橋梁全生命周期。在設(shè)計階段，BIM技術(shù)最重要的功能——正向設(shè)計，BIM正向設(shè)計即在三維環(huán)境中直接開展設(shè)計的行為，包括分析項目需求、總體設(shè)計、方案比選、構(gòu)件設(shè)計、輸出設(shè)計成果等基本過程。常泰長江大橋應(yīng)用BIM技術(shù)分別對鋼桁梁[1]和主塔[2]進行正向設(shè)計，介紹了不同構(gòu)造的正向設(shè)計思路；周曉陵[3]對全鋼結(jié)構(gòu)斜拉橋橋塔區(qū)錨固構(gòu)造進行了正向設(shè)計，并將BIM模型和有限元計算模型關(guān)聯(lián)起來進行結(jié)構(gòu)受力計算。

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

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。索塔采用混凝土獨柱塔，索塔基礎(chǔ)采用變截面群樁基礎(chǔ)和橢圓形承臺，上部設(shè)置錐臺形塔座。橋梁總體布置如圖1所示。

黃茅海大橋的基礎(chǔ)樁基、承臺、塔座的尺寸見表1，若采用傳統(tǒng)的設(shè)計方法，存在以下問題：

表1 主橋基礎(chǔ)尺寸(單位：m)

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

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

(3)二維圖紙數(shù)量統(tǒng)計不精準，復(fù)核較為繁瑣，且不一定能夠發(fā)現(xiàn)錯誤。

如采用正向設(shè)計，對同類型不同尺寸的基礎(chǔ)構(gòu)造，只需建立一個參數(shù)化驅(qū)動的BIM模型，后期基礎(chǔ)尺寸改動、鋼筋配筋方案改動等可直接通過修改驅(qū)動參數(shù)來調(diào)整模型，二維圖紙隨之更新，后期設(shè)計復(fù)核只需檢查三維模型，也可避免二維設(shè)計過程中的錯漏碰缺等問題。因此基礎(chǔ)鋼筋構(gòu)造采用BIM正向設(shè)計，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，還可實現(xiàn)便捷的聯(lián)動修改，自動化地完成大量重復(fù)的工作，提高深化設(shè)計的效率。

2 基于BIM的正向設(shè)計

2.1 群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)BIM設(shè)計思路

基于基礎(chǔ)構(gòu)造的參數(shù)化BIM模型，通過參數(shù)模板實例化的建模方式，調(diào)節(jié)控制參數(shù)，構(gòu)建承臺、樁基、塔座的鋼筋模型構(gòu)件庫，驅(qū)動模型以適應(yīng)不同的構(gòu)件尺寸和設(shè)計方案。通過三維參數(shù)化模板+二維出圖的模式，滿足施工圖設(shè)計的深度，實現(xiàn)斜拉橋基礎(chǔ)鋼筋構(gòu)造的正向設(shè)計。斜拉橋正向設(shè)計具體的技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 斜拉橋正向設(shè)計技術(shù)路線

2.2 群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)BIM設(shè)計軟件平臺比選

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通過一種描述語言PCL(Parametric Component Language)并在MicroStation平臺上開發(fā)了相應(yīng)的語言解釋器,以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)體的參數(shù)化[4]。對于驅(qū)動參數(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，不適用于參數(shù)化便捷驅(qū)動[5]。

2.2.2 Revit

Revit+Dynamo模式可實現(xiàn)參數(shù)化模板，但存在一些問題：

(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中進行，相互之間的調(diào)用關(guān)系復(fù)雜。

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

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)計過程中存在的問題：

(1)在幾何草圖的基礎(chǔ)上，通過拉伸、放樣、掃掠等多種方式滿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)，精簡實例模板的驅(qū)動參數(shù)。

(3)Inventor的自動創(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，對關(guān)聯(lián)模型進行更改后，工程圖均可自動更新。

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

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

3 參數(shù)驅(qū)動BIM模型的創(chuàng)建

目前橋梁專業(yè)的BIM模型主要采用“骨架+模板實例化”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、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)”為同類型構(gòu)件定義參數(shù)化模板，并利用“批量實例化技術(shù)”，以自底向上的方式批量生成完整的項目模型。

首先確定樁基、承臺、塔座的混凝土構(gòu)造驅(qū)動參數(shù)，在構(gòu)造模型的基礎(chǔ)上，輸入保護層厚度，確定鋼筋邊界位置；接著根據(jù)各種類型鋼筋的尺寸、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。

表2 正向設(shè)計驅(qū)動參數(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，承臺為長軸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)動參數(shù)

3.2 鋼筋BIM模型

先定義好主驅(qū)動參數(shù)并賦予初值，再將創(chuàng)建的鋼筋驅(qū)動參數(shù)與幾何草圖中的尺寸約束關(guān)聯(lián)起來，實現(xiàn)尺寸標注有參數(shù)驅(qū)動。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)計工程量時將彎鉤部分的數(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，測試保護層厚度、鋼筋間距、根數(shù)等驅(qū)動參數(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；再通過陣列、鏡像等方式形成完整的鋼筋參數(shù)化模型。樁基、承臺、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 承臺參數(shù)化BIM模型

圖7 塔座參數(shù)化BIM模型

4 自動化二維出圖

目前二維圖紙仍是最終的設(shè)計交付物，如何快速準確地生成符合施工要求的二維圖紙，是實現(xiàn)正向設(shè)計的關(guān)鍵。三維設(shè)計出圖是協(xié)同設(shè)計的一個環(huán)節(jié)，離不開統(tǒng)一的協(xié)同設(shè)計規(guī)則，同時對建模也有一定的要求，形成標準規(guī)范的設(shè)計圖紙。

三維設(shè)計出圖的主要流程：

(1)統(tǒng)一出圖樣式。在出圖前統(tǒng)一圖框設(shè)置、標題欄設(shè)置、標注樣式、文字樣式、線型線寬、剖切樣式等圖紙要素。

(2)切圖模型篩選。三維設(shè)計模型和工程圖在兩個文件中進行，工程圖文件中選定設(shè)計模型作為基礎(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，并針對不同視圖的特點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)動態(tài)切圖剖分。三維動態(tài)切圖可以切二維剖面圖及詳圖大樣圖，也可以切出三維線框圖和三維立體彩圖等新型圖紙表達方式。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，當設(shè)計模型更改時，剖切位置不會隨意變動。局部視圖可展示局部大樣圖或1/2視圖、1/4視圖。針對細長類型的樁基鋼筋構(gòu)造圖，選定合適的位置添加斷裂符號，在有限的圖幅內(nèi)表達清楚設(shè)計思路和保證圖面布局。樁基鋼筋切圖成果如圖9所示，承臺鋼筋構(gòu)造大樣如圖10所示。

圖9 樁基鋼筋構(gòu)造三維設(shè)計圖紙

圖10 承臺鋼筋構(gòu)造大樣

(4)圖紙標注布局優(yōu)化。標注比如：鋼筋符號、鋼筋編號、剖面符號、斷面符號、凈保護層厚度、標高、剖斷面標題等常用符號做成草圖符號插入，形成制圖常用符號庫(圖11)，以加快制圖速度。

圖11 常用草圖符號

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

圖12 承臺鋼筋立面圖標注效果

(5)工程量統(tǒng)計分析。三維BIM模型通過開發(fā)的插件一鍵導(dǎo)出各種類型鋼筋的體積,在excel中計算出鋼筋長度、重量等數(shù)量，同時將彎鉤的數(shù)量計入，再通過工程圖鏈接excel的方式插入鋼筋明細表。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

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

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