浅谈展览大道跨截流河特大桥设计及BIM技术的应用

彭凤强，冉汶民，李立威，张 宇，王庆滨，郭振锋，彭 坚

（1.中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆市400000；2.深圳市宝安区工务署，广东 深圳518000）

0 引 言

桥梁是一种承载着道路或铁路跨越自然障碍的结构物。然而，桥梁的意义远远不止于此。她不仅仅是架设于空中的通道，更是一门艺术，一种文化。桥梁可以成为一个城市的名片和窗口，也可以使其因此闻名天下。因此桥梁不仅要满足通行要求，更需要体现它的精神价值，甚至让它成为具有地标性的建筑物[1]。

同时，随着钢结构桥梁技术的发展和人们对桥梁景观需求的提高，使桥梁不断往轻盈化、纤细化、异形化方向发展，其钢拱桥以优美的曲线造型、强劲的力量感，在城市景观桥梁中广为应用。但由于钢箱拱肋结构空间复杂，传统二维平面图纸很难有效地表达其空间关系。为了创造更优的桥梁景观效果，纤细异形钢结构成为景观桥梁的优先选择，然而其复杂构造的合理性将直接影响结构的受力性能和焊接、拼装、拉索安装及张拉、探伤、检测等施工工艺。若前期未充分考虑，将为施工安装埋下较多隐患，甚至导致质量安全事故发生。为了解决以上问题，目前国内BIM技术已在部分桥梁项目中尝试应用，且积累了不少实践经验[2-4]。

现以深圳空港新城启动区展览大道跨截流河特大桥（展云桥）为工程背景，简述BIM在设计及施工中的应用。其成果可为今后其他类似桥梁的设计、施工提供一定的参考。

1 项目概况

展览大道位于深圳空港新城启动区南部，道路等级为城市主干路，设计速度50 km/h，道路标准路幅宽度50 m，双向六车道。桥梁位于平交口展宽段，桥梁为双向八车道。

深圳空港新城启动区展览大道跨截流河特大桥（展云桥）为一座下承式钢拱桥，桥梁跨径布置为：1×155 m，上部结构为分叉六边形钢箱拱肋+钢箱纵梁+钢横梁。桥梁两侧人行道采用变宽，全桥桥宽62～68.894 m，与河道正交。全桥采用Q420qD高强度桥梁用钢，全桥用钢11 229 t。图1为桥梁立面图，图2为桥梁横断面图，图3为桥梁效果图。

图1 桥梁立面图

图2 桥梁横断面图

图3 展览大道跨截流河特大桥效果图

2 方案设计思路

城市桥梁被人们近距离接触，使得城市桥梁与人们的心理和生活非常紧密地联系。桥梁不仅仅是一种满足物质需求的实际工程结构物，还是人们审美的对象。桥梁还承载各种精神象征意义，并且对人的心理产生各种不同的影响，是具有物质和精神双重性构筑物。

桥梁设计方案应重视总体构思，突出重点桥梁的景观效果，并充分利用该地区的自然特色，处理好重点桥梁与周边环境的相互协调关系。通过对桥型、梁体、墩台等的精心设计，打造新城区的新景点，新地标。

该项桥梁设计结合国际会展中心景观要求，对河道沿线的桥梁进行了整体景观规划，为了使河上桥梁整体视觉有层次感，秉着“亮点突出、和谐统一”的原则对关键节点的桥梁进行中大体量的景观造型打造，其他的桥梁采用中小体量的桥梁进行景观搭配。展览大道跨截流河特大桥为其中的一个关键节点（03节点）上的一座大型景观桥梁。

图4为桥位规划图，图5为关键节点景观桥梁方案图。

图4 桥位规划图

图5 关键节点景观桥梁方案图

展览大道跨截流河特大桥的桥位处于国际会展中心主轴线上，正对国际会展中心南登录大门，桥梁景观定位为门户性、地标性的建筑物。

标志性的几何造型、鲜明的外装饰颜色和炫丽的灯光使桥梁在视觉上别具一格。为了让行人能更多地参与桥梁互动，将桥梁设计为行人聚集的目的地，通过在桥梁人行道上应用了彩色石材铺装和特色的栏杆，塑造出独具特色的桥梁。

结构形式上为了保证桥下防洪净高，减小桥面下结构高度，将三条纵梁设计成了向上凸出的结构，形成独特的人车分离结构，减少行车对行人的影响。

3 受力分析

该桥梁为无推力的下承式梁拱组合结构，外部为静定结构，内部为高次超静定结构。

结构组成：由一道分叉式箱型拱圈、三道箱型纵梁、箱型端横梁、工字型中横梁、正交异形桥面板、吊杆等组成。

图6为桥梁结构拆解示意图，图7为桥梁结构受力体系示意图。

图7 桥梁结构受力体系示意图

传力途径：行车道板→横梁→吊杆→拱肋及纵梁→支座→下部结构。

由于桥梁跨径大，桥面宽，为了保证景观效果减小拱肋受力，桥梁采用了梁拱组合体系。三道纵梁与端横梁、中横梁固结，构成平面稳定框架，再与拱肋固结后形成空间稳定体系。中纵梁属于刚性系杆，是属于拉弯构件，并对中横梁具有纵横向的弹性约束作用。

4 设计难点及解决措施

（1）难点一：主拱采用异形分叉双拱，且向外倾斜。

对策：由于主拱横向外倾，且倾角大，拱肋弯矩较大。为控制主拱受力，采取了三项措施：一是减小吊杆张拉力，增加纵梁梁高，让纵梁充分受力，以减小主拱弯矩；二是在拱脚设置多道横隔板，分担拱脚受力；三是采用高强度厚钢板，桥梁中主要受力构件应用了60 mm厚的Q420qd钢板

（2）难点二：异形三维空间结构，表述困难。

对策：方案设计阶段采用Rhino软件，建立空间模型，准确表达方案结构；施工图阶段采用BIM正向设计，准确绘制空间节点,优化构造；施工阶段采用Tekla软件,进行钢结构详图设计，直接对接工厂深加工。

（3）难点三：拱脚水平力不能由三片纵梁均匀分担，变形不协调，导致中纵梁伸长量大于边纵梁（见图8）。

图8 纵梁受力示意图

对策：为了克服不一致的伸长量，防止受力不均，设计时增强端横梁水平向抗弯惯性矩和桥面板厚度，增大横梁水平抗弯刚度和桥面板抗剪能力。为了防止三纵梁伸长量不统一而影响横梁和桥面板安装，拱肋和桥面系安装均采用了密支架安装方案；全桥结构拼装完成后，先拆除拱肋支架，再张拉吊杆，最后拆除主梁支架；桥面系安装完成之前，拱脚采用铰接形式锁定水平位移。

（4）难点四：钢结构桥梁铺装耐久性问题。

对策：采用浇筑式沥青。它具有密水性好、耐久性优、疲劳抗裂性能和随从变形能力好、整体性强、不会出现由于碾压所带来的病害等结构特点。

5 BIM在项目中的应用简介

展览大道跨截流河特大桥（展云桥）造型奇特，结构复杂。在拱肋线形的空间定位、拱脚构造设计、拱肋锚点空间构造设计、吊杆锚点坐标高程定位等均涉及异形的三维空间定位，常规的二维平面设计已不能有效解决以上问题。该项目在设计及施工阶段采用BIM技术与常规二维图纸相结合的设计方式，解决了复杂的异形桥梁空间定位问题。下文主要介绍BIM技术在方案设计、施工图设计、工厂预制、现场安装等过程中的应用。利用BIM技术优化桥梁结构形式、钢箱构造、工厂钢板下料排版，解决复杂空间定位，模拟节段拼装，从而保证了工程质量，提高了工作效率，缩短了工期和节约了经济成本。

5.1 方案设计阶段

方案设计阶段采用Rhino软件，通过添加现场实际地形地貌，建立空间粗略模型，准确表达桥梁结构外观造型及主要结构构造。模型中放入准确的河道、道路、周边建筑群信息，直观地展示出了桥梁与周边建筑环境之间的体量关系。利用上述模型优化桥梁体量及体态，最终得到了最优的桥梁景观方案，使桥梁与周边环境和谐统一，脱颖而出（见图9）。

图9 方案设计阶段BIM模型

由于桥梁方案阶段，重点在于桥型和造型的比选，注重结构造型与周边环境的协调，因此对于此阶段的BIM应用侧重于建模速度和造型能力。Rhino软件占用电脑空间小，对硬件要求低，反应速度快，且可以容易创建编辑各种复杂的曲线和曲面，因此在重点表现桥梁轮廓的桥梁方案阶段，充分展示了快速完成复杂造型的建模优势，同时配合各类插件可完成方案设计的漫游视频和效果图渲染。

5.2 初步设计和施工图设计阶段

由于桥梁结构钢板构件数量多，空间构造复杂，在施工图阶段采用Revit正向设计，精准建立整个桥梁的每个构件细节。

拉索锚固区和拱脚区构造复杂，多向钢板交叉，设计时无法直观判断构造合理性，故采用Revit建立其详细的三维模型，以优化箱室空间及加劲构造。通过上述模型准确定位分叉拱肋线形、吊杆、锚点等重要节点的空间坐标。由于拉索为三维斜面，无法直接采用二维图纸画出锚板断面图，设计时通过三维模型的截面剖切功能，准确生成二维平面图。该桥构造复杂，设计时先通过建立三维模型确定构造参数，然后再完善二维施工图，充分保证了设计质量（见图10～图12）。

图10 施工图设计阶段BIM模型

图11 施工图设计阶段BIM模型横断面剖面图

图12 施工图设计阶段BIM模型立面剖面图

该阶段将方案阶段的轮廓模型文件存储为DXF格式后，导入Revit中再进行深化设计，可利用现有轮廓模型完善内部构造细节（见图13）。

图13 施工图设计阶段桥下管廊BIM模型

为了节省用地，管廊设置在桥梁正下方，为了避免干扰，方便同步实施，设计阶段也对桥下管廊进行了BIM建模。该BIM应用于查验管廊支护桩、工程桩与桥梁桩基础的空间关系，指导施工方案设计。

5.3 钢结构加工阶段

钢结构加工阶段利用Tekla Structures软件对施工图阶段的模型进行转换并深化，精确绘制工厂加工深化图和下料清单，根据运输条件进行构件拆分，精确排版钢板大样，避免材料浪费，直观指导工人精准下料（见图14、图15）。该阶段可以将Revit的设计模型存储为IFC格式，导入Tekla后进行二次加工详图深化。

图14 加工阶段BIM模型

图15 加工阶段运输节段划分模型

5.4 现场安装阶段

由于结构体量较大，无条件在工厂进行全桥预拼装，为了达到预期安装进度，施工前将前期BIM模型结合现场地形地貌进行施工安装工序模拟，制作安装流程视频指导施工。施工时，利用该模型指导现场定位安装及复核（见图16）。

图16 施工安装模拟图

5.5 运营阶段

该桥梁BIM模型已纳入了空港新城城市运营管理系统，由后期运营管理部分统筹管理。

6 BIM在该项目中解决的问题

方案设计阶段解决了景观效果直观表达问题，优化桥梁的造型设计；施工图阶段解决了复杂空间定位难等技术问题，同时解决了复杂节点局部受力分析的难题，优化了异形钢箱拱肋细部构造设计；钢结构构件加工阶段数字化精准放样、下料，避免了由于构件制作错误或误差较大而引起的返工和材料浪费，为后期现场安装的精度保证提供了必备条件；施工安装过程中，利用BIM直观的三维视图功能结合视频处理软件，合理安排了施工安装计划，确定了拼接节点高程坐标，最终达到了提高功效、降低成本的目的。

BIM技术在该项目中，从方案设计直至施工完成都得到了充分的应用，该桥梁已经投用一年多，各方反映效果良好（见图17～图19）。

图17 成桥实景图1

图18 成桥实景图2

图19 成桥实景图3

7 BIM在异形景观桥梁中的应用前景

在目前“新基建”政策的导向下，以及行业发展的趋势来看，BIM在桥梁领域中的充分应用也是必然的趋势。针对复杂的异形景观桥梁，传统二维设计仍然是一个难题。BIM桥梁技术在异形景观桥梁的应用中具备了以下优势：

（1）有利于设计质量的控制和设计效率的提升。

（2）优化结构形式，解决复杂的桥梁“错、漏、碰、缺”，降低了工程成本。

（3）由于全桥信息模型的参数化、关联性，可以根据需要设置不同的参数组合，生成不同的桥梁模型，统计分析得到相应的技术指标和经济指标，从而优化方案、优化结构设计，带来显著的经济效益。

（4）信息模型可以在桥梁的建造、管理阶段重复利用，契合了全寿命周期设计和管理的理念，在新时代为投资和管理提供了高效的决策和管理平台。

8 结 语

该桥梁设计结合国际会展中心和河道的景观要求，对河道沿线的桥梁进行了整体景观规划，力争使得河道沿线桥梁既和谐统一而非千篇一律，又富于变化而不杂乱无章，做到有亮点、有韵律、简洁大方、精致美观，与河道景观交相辉映、相得益彰，为该区域增加一道靓丽的风景线[5-7]。

该桥结构复杂，且跨径大，该桥在结构形式上具有很大的创新性，在目前国内还未推出该类拱桥的相关设计及施工规范，因此在设计和施工上都具有较大的挑战。

其中BIM正向设计的应用，不仅节约了工作时间、减少了施工图的错误，大大提高了设计质量，同时利用BIM模型实现了工厂精准下料、拼装精确模拟，为桥梁安全顺利的建设，起到了事半功倍的作用。

通过BIM在该项目中的应用，使人们看到BIM的应用在不同的阶段有着不同的深度和需求。作者充分感受到了不同专业软件之间数据转换的便利性，若各BIM软件能统一数据标准，使更多专业化软件的数据可以无缝衔接，这将极大地提高建模效率，使BIM的应用发展步入快车道。