梅观高速改建中的BIM技术应用

发表时间:2021-07-29 16:19
梅观高速公路是国家高速公路G94(珠三角环线高速公路)中的一段,2014年4月1日,梅观高速公路正式调整收费,改为城市快速路,成为国内第一条在运营期内通过政府回购方式取消收费的高速公路。
本项目高速公路改扩建为市政道路工程项目,具有施工空间受限、桥梁工程规模大、地方交通繁忙等特点。为减少现场施工作业,便于快速施工,减少施工风险,桥梁结构按工厂化、预制化、标准化的原则设计。同时也应汲取国内外建桥的新工艺、新技术,选用的结构型式需符合技术先进,经济合理,有利于标准化、模数化、机械化施工,便于维修、养护。路线全长约8.486km,共设置8处互通式立交;主线桥梁(涉铁段除外)共计:547.2m/6座(其中大桥345.1m/3座、中桥202.1m/3座),新建左右辅道桥(涉铁段除外)共3244.54 m/10座、立交匝道桥3973.52 m/18座、被交路跨线桥422.4 m/3座。另涉铁段主线桥梁154m/1座,辅道桥308m/2座,匝道桥154m/1座。天桥11座,其中拆除新建2座,新建9座,两侧辅道设综合管廊总长约17.6km,总投资约95.9亿元项目采用城市快速路标准,双向8车道主路,设计速度80km/h;双向6车道辅路,设计速度40km/h;标准断面总宽为90m本次设计内容主要分为两部分,一是原高速公路改造扩建为城市快速路主路,二是两侧新建城市快速路的辅道。
项目地处城市成熟区域,面临景观要求高、征地拆迁困难、沿线用地受限、路网密度大,且交通繁忙、建设周期短、协调难度大、施工交通组织复杂等突出问题。BIM技术以其可视性、协调性、模拟性、优化性等特点,为本项目复杂难题的解决提供了良好的帮助。

自动标准化设计建模


由于本项目中的桥梁结构按工厂化、预制化、标准化的原则设计,故通过ORD参数化建模实现常规标准化桥梁以及主桥主要构件的参数化。通过参数化建模建立三维上、下部构件的标准化库,如箱梁、墩身、基础等,根据原始基础资料及线路设计资料,实现自动化、批量化完成全线桥梁的设计建模。



设计阶段的参数化建模主要包含用于构造生产的几何模型和用于结构计算的有限元模型。


在参数化的几何构造系统中,设计人员根据工程关系和几何关系来指定设计要求。要满足这些设计要求,不仅需要考虑尺寸或工程参数的初值,而且要在每次改变这些设计参数时来维护这些基本关系,即将参数分为两类:其一为各种尺寸值,称为可变参数;其二为几何元素间的各种连续几何信息,称为不变参数。参数化设计的本质是在可变参数的作用下,系统能够自动维护所有的不变参数。通过参数化模型中建立的各种约束关系,改变尺寸参数完成各种构件的几何模型。


在参数化的结构计算系统中,几何模型不能直接用于进行分析计算,需要将其转化为有限元模型,才能为分析优化程序所用。因此,如果希望以几何模型中的设计参数作为形状优化的设计变量,就必须将设计参数的作用范围延拓至有限元模型,使有限元模型能够根据设计变量的变化,实现有限元模型的参数化。


预制装配化施工建模

由于本项目施工空间受限、桥梁工程规模大、地方交通繁忙等特点,故桥梁采用预制装配式施工,即将原本现浇的桥墩、系梁、盖梁等构件进行工厂化预制,并通过起重机进行现场安装。这种方法能大大提高桥墩、盖梁等混凝土构件的施工质量,并加快工程施工效率,减少对大气环境和道路交通的影响。但面临对桥墩、盖梁等构件预制精度尤其是各种预埋件的安装精度要求较高、模板通用性不强、无自动化生产流水线、构件安装无标准可循等问题,而参数化就是解决这些问题的基本要素。


施工阶段的参数化建模主要应用于桥梁构件工厂化加工、装配化施工与施工进程信息化管理。


参数化模型是预制元件工厂化加工的基础。通过参数化建模,实现构件加工图纸与构件模型双向的参数化信息连接,可方便使用数值控制机器进行自动化制造,实现磨具智能化、标准化、工具化,解决了模板通用性与自动化生产线等问题。


参数化模型是实现桥梁装配化施工的基础。通过参数化建模,利用赋予一套参数化变量数值实现全项目构件精密定位,自动化、装配化安装,解决了安装精度与构件安装标准等问题。


参数化模型是施工进程信息化管理的基础。通过赋予时间参数将构建的三维模型与预定的施工计划进度进行挂接,在Navigator中就可以进行4D施工模拟,借此就可以验证施工进度计划的可行性、分析施工计划进度存在哪些问题和矛盾。同时赋予材料成本等参数,就可以比较不同施工方案的费用,从而降低整个施工成本。





参数化有限元模型


参数化建模的未来


尽管参数化建模技术应用越来越广泛,但仍面临构件类型多且不相似,参数化难度高等问题。目前参数化建模软件对桥梁结构支持十分有限。例如ORD这类参数化建模是基于全行业全专业的基础平台,未构建桥梁环境,面临每次建模都需自行通过不变参数构建桥梁环境。又例如OBM这类桥梁建模软件,尽管建立了桥梁环境,但将不变参数过度约束,且已有桥梁构件库有限,自由度过低,导致无法满足实际工程需求。


在桥梁设计中,从方案设计到现场施工,全过程各阶段通常都涉及设计修改。在BIM模型中就体现为,修改一个参数,可能会有数十上百甚至更多的参数联动发生改变。如何提高模型灵活性,方便方案修改是一个关键性问题。


参数化预制元件与钢筋——上部结构

参数化预制元件与钢筋——下部结构

参数化预制元件与钢筋

参数化精密定位构件


桥梁参数化信息模型的发展是一项长期的工作,建立更加完善的桥梁环境以及构件库、实现信息在软件间的双向传递等,都是接下来需要研究的内容,进而才能实现真正意义上的“智”造桥梁。


BIM设计


1.道路设计

项目路线走向受两侧用地限制,路网密度大且交通繁忙,双向8车道主路为原高速公路改造扩建的城市快速路,双向6车道辅路为新建城市快速路的辅道。为了满足项目需求和我国公路市政道路设计规范,项目组以Open Roads Designer道路设计软件为基础,建立参数化标准横断面模板库,并通过自主研发道路设计工具,快速完成全线复杂路段平、纵、横断面及三维道路(包含路基、路面、护坡道、护栏等)BIM模型设计和构建,并自动计算道路土石方数量。


三维桥梁设计


2.桥梁BIM设计

项目全线共设桥梁37座,大部分位于互通式立交区域,结构形式多样,上部涵盖钢箱梁、钢—混凝土组合梁、预应力混凝土变截面箱梁等复杂结构,下部有花瓶墩、门架墩、墙式墩等复杂异型结构。针对本项目的桥型特点及设计要求,项目组基于Open Roads Designer的参数化设计技术,建立桥墩、桥台、钢箱梁等构件库,并自主研发桥梁设计与参数化建模工具集,实现桥梁墩高和桩长的自动计算,桥墩、桥台和钢箱梁等的智能布设,有效解决项目中特殊异型结构桥梁的快速设计与模型构建。


管廊及管道BIM模型


3.综合管廊BIM设计

项目所在区域地下环境复杂,沿线通讯、燃气、热力、次高压、给排水等管线密布,综合管廊设计成为项目设计的一大难点。精确合理的综合管廊设计,成为工程成败的一个关键点。项目组基于Open Roads Designer的参数化设计技术,建立管廊截面、节点构件库,并自主研发综合管廊设计工具集,实现管廊的自动布设和建模,为工程实施过程中的管线迁改、管廊布设、管线入廊等问题扫清障碍。


4.天桥BIM设计

项目所在区域是深圳市中轴线景观带的重要组成部分,定位天桥为“一桥一景,争创国际一流”。项目组创新工作方式,按照高标准的要求,完成天桥BIM模型的构建,并将天桥与路线方案、实景模型充分融合,实现基于实景环境,多角度、全方位方案展示。


5.景观绿化BIM设计

以往景观设计都是以效果图的方式展示最漂亮的时段,然而一年四季景观不同。为了向业主展示多季节、更真实的景观设计,项目组基于Open Roads Designer和LumenRT软件,快速实现景观绿化植物的布设和展示,将项目区域景观方案根据四季变化全面呈现和论证,为方案的全面优化论证提供了新的方法和技术。


BIM应用


1.方案快速比选

立交桥方案优化比选


①路线立交方案优化比选

项目地处发达地区,土地资源稀缺,走廊内用地受限,路线立交的优化难度极大。针对这一问题,创新采用BIM道路设计,实现了路线立交方案的快速设计,并结合拆迁、技术经济指标实现多方案的快速优化比选,大幅提高设计的品质和水平,得到了业主和相关专家的高度好评。


桥梁方案优化比选


②桥梁方案的快速设计和优化比选

本项目为市政工程,业主对于景观要求非常高,在桥梁方面,要求采用复杂的景观造型。项目针对桥梁设计中的问题,创新采用桥梁BIM设计,实现复杂异型结构(花瓶墩、钢箱梁、钢混组合梁等)的构建。并结合景观要求、地质条件,在方案初期实现桥梁结构方案比选和优化,大幅提高了桥梁设计质量。


综合管廊的方案优化


③管廊方案优化论证

本项目用地空间非常有限,地下管线密布,桥梁密集,周边水库、大型企业、工厂、物流园区等既有建筑不受道路扩建影响,致使综合管线的线位设计造成了巨大的困难。在综合管廊的设计上,利用BIM技术的可视化、碰撞检测、协调性,对综合管廊的线位布设进行优化调整,在施工前解决问题,减少了设计变更,避免了不必要的窝工返工。


管线迁改方案比选优化


2.现状管线迁改

项目区域地下管网密布,对项目设计方案和实施影响非常大,尤其是管廊布设和管线迁改的难度极大。项目组利用BIM技术可视化的优势,在地下密布的构造物基础和管网中,通过道路、桥梁、综合管廊各专业间协同设计,比选出最优的管廊方案和管线迁改方案。


3.改建项目方案创新展示

实景技术对既有高速公路现状有清楚的表达和描述,而BIM设计技术又能够充分展示和呈现改造后项目区域的情况。本项目应用实景技术和BIM技术,创新交流方式,将既有现状与改造后项目情况通过技术手段,实时对比呈现,充分和清楚地表达项目建成对周边环境的影响。


4.征地拆迁

本项目地处发展成熟区域,改建方案相较原高速公路断面拓宽了50多米。沿线受民治水库、既有互通立交、平南铁路、华为公司、富士康公司等影响,征地拆迁难度和费用极大,拆迁方案的优劣直接关系项目的实施难度和工程造价。项目组通过BIM技术的可视化优势,结合周边用地情况,反复论证优化征拆方案,最大限度地将拆迁量降到最低,全线仅仅拆迁57834平方米。同时在征拆方案的交流和协调过程中,BIM提供了良好的沟通平台,使得主管领导和公众能够快速理解方案,对于征地拆迁给予了很大的支持。


5.施工期交通疏解

项目是深圳市乃至珠三角快速路网中一条重要的南北向快速干道,交通繁忙,改造期间交通组织难度大,且需要在不中断交通的条件下实施改造扩建。针对这一难题,项目组通过BIM技术开展了施工期间交通疏解的方案论证,模拟分析施工期间各阶段各区间存在的疏解难题和解决途径,最终提出最优的交通疏解方案,得到了业主、交警等相关部门的理解和支持,有效地推动了项目的顺利开展。


本项目作为深圳市重点工程,设计要求极高,通过BIM技术在设计阶段的应用和创新,解决了各专业方案论证优化、施工期交通疏解、施工组织、景观优化提升等难题,探索形成了一套行之有效的市政工程BIM技术综合解决方案,并建立了一支既懂专业,又熟练应用BIM设计的专业技术队伍。这些成果和经验将为后续项目提供可推广、可借鉴、可复制的解决方法和流程,为发达地区改扩建项目起到推动和示范引领作用。


未来,在上述研发成果的基础上,结合梅观项目的建设、运营管理和养护需求,将BIM技术向纵深方向推进,构建建设和运营管理平台。同时结合更多的工程项目,开展BIM应用和技术探索,总结公路市政BIM技术标准规范,构建公路市政行业BIM标准体系,助推BIM技术在全行业全生命期广泛应用。


转载自:桥梁杂志   作者:程鹏   刘向阳 张峰

文章仅代表作者观点,与本公众号无关,版权归原作者所有


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