連續梁-鋼桁組合橋BIM建模技術研究

■ 張洪偉 龐維福

0 引言

BIM技術正在全球范圍內推動傳統建筑行業產生重大變革[1]，在新加坡、韓國、美國、英國等國家逐漸成為主流。在我國，2015年《中國BIM應用價值研究報告》顯示，我國已躋身全球前五大BIM應用增長速度最快地區之列[2]。在房屋建筑、地鐵領域，BIM技術在設計、施工階段應用案例較多，建模軟件與應用方案也較為成熟，但在橋梁工程設計、施工中的應用案例和文獻尚少[2]，并且BIM應用推廣的軟件方面還存在建模困難、應用軟件不配套、IFC數據共享與交換過程中仍出現信息丟失等問題[1]。因此，探索一種能精確建模且IFC數據交換信息無丟失的橋梁BIM建模方案具有重要意義。

近年來，中國鐵路總公司等大型企業不斷推行BIM技術應用，引起橋梁建設者對BIM的重視，也積累了一些在大型橋梁項目中實踐應用BIM的寶貴經驗。周華[3]采用Tekla軟件建立了滬通長江大橋橫港沙淺水區112 m簡支鋼桁梁橋的模型；閆振海[4]闡述了采用Tekla軟件建立虎門二橋2座世界級超大懸索橋主橋的鋼箱梁模型；張為和[5]闡述了采用Catia軟件建立夜郎河雙線特大橋的地質地形、勁性鋼骨架、勁性鋼骨架基礎鋼筋、勁性骨架外包混凝土、纜索吊等模型；楊京鵬[6]介紹了采用Catia軟件建立我國第一座雙層縱移開啟式全焊鋼橋——寧波梅山春曉大橋模型；劉彥明等[7-8]闡述了采用Bentley軟件構建橋梁BIM模型的一般步驟。朱奕蓓[2]詳細闡述了采用Revit軟件構建鋼桁架加勁PC連續箱梁橋模型的過程；劉孟[9]采用Revit軟件建立了黃河特大橋預應力混凝土變截面連續箱梁與鋼棧橋BIM模型。

以上研究成果表明，在橋梁工程中常用的BIM建模軟件為Tekla、Bentley、Catia、Revit。這4種建模軟件各有所長。其中，Tekla擅長處理鋼結構的復雜節點構造，在鋼筋混凝土結構的二維出圖和鋼筋數量統計方面很有優勢，但這種優勢僅局限于橋梁工程中的鋼結構專業，對于有復雜造型的橋梁或長大橋梁適應性差[10]。Bentley的Openroads Designer與Openbridge Modeler軟件組合使用建立橋梁模型的優點是可按照專業要求與習慣，即基于大地坐標、里程樁號、高程等要素進行模型的建立與組裝，且鋼筋模型占用計算機內存小[8]；缺點是墩臺模型庫樣式較少，參數化功能又較弱，不利于批量化應用，且縱向預應力管道的建立也較為繁瑣。Catia源于機械航空領域，因此非常適用有復雜造型要求的工程結構，并且其服務器工作模式能夠適應橋梁工程的龐大數據量，但該軟件在鋼筋建模方面尚有待加強[10]。Revit操作較為簡單，是學習BIM的入門軟件，普及率較高且可與3D Max等軟件無縫對接，但建立橋梁模型也存在鋼筋建模效率低、空間曲線構件建模不易等難點[11]。

因此，基于鄭阜高鐵沈界1號大跨連續梁-鋼桁組合橋（簡稱鄭阜大橋）項目，嘗試采用普及率高、適用性強的Revit軟件建模，并克服鋼筋建模效率低等難點，為橋梁BIM建模探索一種可行方案。

1 工程概況與BIM軟件

1.1 工程概況

鄭阜大橋中心里程為DK193+594，全長345．80 m，采用（86+172+86）m連續梁-曲弦鋼桁組合結構，主梁采用預應力混凝土連續箱梁，按直線梁設計，在中跨160．55 m范圍內安裝加勁鋼桁，并采用“先梁后桁”法施工。

梁體箱梁為單箱雙室、變高度、箱形截面，三向預應力體系，主梁采用掛籃懸臂澆筑施工。中支點處梁高11 m，中跨跨中及邊支點處梁高為5 m，梁底下緣按二次拋物線變化，底寬11．3 m，底板厚度0．4～1．7 m。全聯在端支點、中支點及鋼桁-混凝土梁結合節點處共設17道橫隔板，橫隔板設有孔洞，供檢查人員通過。

鋼桁采用再分式桁架，桁高14 m，節間距16 m。在中支點位置采用曲弦方式和混凝土梁相連接。鋼桁結構上弦桿采用箱形截面，尺寸為0．8 m×0．8 m，板厚為24～48 m。腹桿采用工字形截面，高0．8 m，翼緣板寬0．8 m、厚度24～28 mm，腹板厚度20～28 mm。再分腹桿采用工字形截面，高0．8 m，翼緣板寬0．4 m、厚16 mm，腹板厚度16 mm。上平聯采用X形構造，工字形截面，兩端平聯高0．47 m，翼緣板寬0．60 m，板厚20 mm；其余平聯高0．47 m，翼緣板寬0．50 m，板厚16 mm。全橋對稱設置4道橫聯。鋼桁下弦點采用PBL剪刀鍵與混凝土梁相連，在節點板范圍內設置凸臺，外包鋼板，內灌混凝土。鄭阜大橋BIM模型渲染見圖1。

1.2 BIM建模軟件

圖1 鄭阜大橋BIM模型渲染圖

基于Revit建模的成功案例，鄭阜大橋的混凝土結構、鋼筋采用Revit建模，并采用魯班鋼筋Civil提升鋼筋建模效率；基于Catia在鋼結構橋建模方面的成功案例與優勢，鋼桁架采用Catia進行建模；基于Dynamo參數化、自動化建模的優勢，豎向預應力管模型采用Dynamo輔助建立；基于Inventor精確建立曲線構件的優勢，縱向預應力管模型采用Inventor建立；3D Max通過導入的Revit BIM模型制作施工動畫視頻，用于工人進行三維施工交底，具體見表1。

2 橋梁土建模型的建立

2.1 混凝土模型

鄭阜大橋主梁為預應力混凝土連續箱梁，采用掛籃法施工，共有82個梁段，BIM模型建立的難點在于：在橋DK193+600處設計了變坡點（見圖2），一邊坡度為5．8‰，一邊坡度為-6．5‰，不僅如此，每個梁段還有橫向坡度要求，即82個梁段每段都不同，每個梁段尺寸都必須精確控制以保證坡度要求。主梁模型采用Revit族命令將梁段繪制完成后，插入到新建項目文件中進行拼裝得到。

2.2 縱向預應力管模型

鄭阜大橋主梁底板的預應力管道不僅要與主梁底板底面平行，而且還要平彎，這是Revit建模的一個難點。為解決該問題，采用Inventor生成預應力管道，然后導出Revit能打開的BIM交換文件，實踐證明可實現無損失互導。具體操作步驟如下：

表1 BIM建模軟件

圖2 鄭阜大橋縱向坡度圖

（1）打開Inventor軟件，基于設計圖紙繪制預應力管束平彎、豎彎草圖；

（2）相交法得到預應力管束空間中心曲線，并放樣生成管束（見圖3）；

（3）通過Inventor軟件的BIM轉換按鈕，導出Autodesk交換文件（．ADSK格式）（見圖4）；

（4）Revit打開Autodesk交換文件（．ADSK格式），得到Revit族文件，最后插入到土建模型的相應位置。

2.3 豎向預應力管模型

鄭阜大橋有豎向預應力管7 492根，且每根預應力管底距曲面梁底均為6 cm。位于0號塊兩側的主梁底面曲面不相同，因此每根豎向預應力管長度均不同。手動精確建模十分麻煩，因此考慮采用Dynamo進行批量生成。Dynamo是內嵌于Revit的可視化編程平臺，可通過節點相互連接來取代程序代碼編程的方式與Revit數據庫聯動，獲取、分析與編輯數據，實現BIM模型的自動化創建與調整。

圖3 D6預應力管平彎與豎彎面相交得到空間曲線

圖4 Inventor軟件建立的預應力管模型導入Revit

Dynamo節點編輯思路為：在Revit中創建縱向預應力管模型，需要有底部與頂部標高、放置點與族類型等參數。在Dynamo中對應著“point”“level”與“familytype”3種信息?！發evel”可由Revit視圖獲取，放置點與族類型需對導入Revit的CAD底圖進行幾何分析。所以先將二維豎向預應力管邊緣線篩選并分組，然后分析預應力管截面中心點與尺寸，最后轉化至對應的族類型，具體見圖5。

2.4 鋼筋模型

據統計，鄭阜大橋有鋼筋30．3萬根，質量2 417．8 t，因此鋼筋建模工作量巨大。為提高效率，采用Revit的一款插件——魯班鋼筋Civil來輔助建模。用魯班鋼筋Civil制作箱梁平行面鋼筋時，可直接根據土建模型及圖紙要求快速生成對應配筋信息，指定平行邊、終止邊，延伸端點后的模型線，即可直接生成鋼筋（見圖6），避免了用Revit繪制各種工作平面、繪制對應的鋼筋形狀、調整鋼筋尺寸等工作。因此，采用該軟件進行建模，大幅提高了建模效率。

3 橋梁鋼桁架模型的建立

鄭阜大橋鋼桁架BIM模型采用Catia建立，Catia建模的優勢在于實現鋼桁架構件空間位置的精確控制與拼裝，同時實現螺栓孔陣列的準確參數化控制。Catia的建模方法為骨架驅動加文檔模板。骨架為定位需要的點、線、面基本元素，模板為需要參數化控制的鋼桁架構件[12]。

圖5 豎向預應力管生成Dynamo節點圖

圖6 魯班鋼筋Civil布置鋼筋圖

鋼桁架建模步驟為：首先通過Catia知識工程參數化模塊導入Excel表中的坐標點信息，根據坐標點信息在Catia中生成空間點模型（見圖7），依據這些空間點繪制鋼桁架骨架線；然后根據設計圖紙繪制鋼桁架構件；最后將這些構件基于骨架線進行精細拼裝，得到整體鋼桁架模型（見圖8）。

4 施工工藝動畫

圖7 Catia知識工程參數化獲取坐標點信息繪制空間點

圖8 鋼桁架構件Catia模型

3D Max是Autodesk公司出品的一款優秀的三維動畫制作和渲染軟件，以其強大的三維制作功能被廣泛應用于建筑設計、可視化仿真、施工工藝動畫制作等領域[13]。該項目橋梁施工工藝動畫的制作，通常首先采用3D Max的拉伸、分割、旋轉、對齊及布爾運算等命令進行三維建模，然后進行動畫制作。

嘗試將Revit模型文件導入3D Max軟件，制作E0下弦節點定位、連續梁節段施工、鋼桁梁拼裝等施工工藝動畫視頻，避免3D Max的重復建模，提高了工作效率，具體步驟如下：

（1）打開Revit模型點擊“導出”按鈕，選擇CAD格式下的DWG選項，然后點擊“修改導出設置”按鈕下的“實體”選項，再選擇“ACIS實體”按鈕；

（2）導出文件名字與導出路徑均為英文；

（3）打開3D Max軟件，選擇“參考”按鈕下的“文件鏈接管理器”按鈕；

（4）在出現的文本框中點擊“附加”下的“文件”按鈕，打開剛保存的DWG文件，在“預設”中選擇“DWG File Exported from Revit”，然后點擊“附加該文件”；

（5）導入完成后，關閉窗口即可。

5 結論

基于連續梁-鋼桁組合橋項目與BIM建模軟件特點，探索采用Revit、Catia、Inventor等軟件構建連續梁-鋼桁組合橋精確BIM模型的新方法。這種建模方法可取得如下有益效果：

（1）采用魯班鋼筋Civil輔助Revit建模，可大幅提高鋼筋BIM建模效率；

（2）通過Dynamo的可視化編程，實現了豎向預應力管的自動化創建，節約了人力，提高了模型精度；

（3）借助Inventor精確建立曲線構件的優勢，實現了縱向預應力管模型的精確、快速建立，提高了工作效率；

（4）Revit模型可與3D Max通過DWG文件實現互導，從而避免3D Max的重復建模，提高施工動畫的制作效率。