摘要
针对现阶段公路桥梁方案的设计资料迭代更新，以及对桥址区周围环境的调查不断细化，存在方案需要不断调整与优化的问题，该文提出通过升级传统路线设计软件，开发GIS集成平台，以设计数据为核心构建三维环境，通过参数化智能设计与创建桥梁方案模型，结合桥梁模型与周边环境的融合成果评价与优化桥梁方案。研究结果表明：通过BIM技术实现了基于三维环境的桥梁方案正向设计，自动化地进行桥梁建设规模统计与高墩的定位和标识，并将设计数据传递到下游专业作进一步使用。结果表明：基于BIM技术的桥梁方案设计可以显著地提升设计效率，增加桥梁方案评价的直观性，提高设计数据的使用价值。
0 引言
改革开放以来，中国的公路里程有了突飞猛进的发展，公路网遍布高山大河。在公路建设中，由于需要跨越障碍物、减少填挖方数量或受地质等因素影响，往往会采用桥梁结构形式。公路桥梁按受力体系主要分为梁式桥、拱式桥和缆索承重体系桥三大基本体系。其中，在梁式桥中，装配式结构因其具备可工厂标准化生产、施工效率高、造价低、建设周期短等特点，在公路工程建设中被采用的频率最高，数量也最多。但由于装配式结构受材料与结构形式的限制，其最大跨径一般为50 m，同时由于以直代曲的布梁思路，在匝道等小半径段落使用受限。在跨径超过50 m或半径受限的情况下，一般采用现浇结构。如果跨径需求进一步增加，则需要考虑采用特殊结构形式，如悬索桥、斜拉桥以及拱桥等。但与此同时，工程造价也会有较大幅度增长。因此，在公路桥梁的设计过程中，会尽量配合路线的总体设计来进行装配式桥梁结构的布
在方案设计阶段，随着建设条件的不断补充，勘察资料的不断深入，各专业的设计资料也在同步更新与适应性调整。桥梁对地形、地质条件、路线设计资料等信息依赖性较强。其中，地质资料为基础选择与计算的依据，地形和路线设计共同决定了桥梁的位置、孔径等基本方案。因此，在设计过程中，经常存在其他专业资料更新与优化设计导致的桥梁设计方案调整，进而后续设计图纸的绘制、工程数量统计以及对下游各专业的工作会产生较大影
随着BIM技术与工程数字化概念的引入，对公路桥梁的设计也提出了更高层次的要求。以先进的数字化技术优化设计流程和设计结果，对设计过程中的影响因素进行全面细致的考虑，减少设计阶段的重复工作，并在工程方案中进行有效的响应便成了公路桥梁设计环节所重点关注的领
1 基于BIM技术的公路装配式桥梁方案设计
结合以上分析的公路桥梁设计的特点与工作重点，通过自主研发CHBIM云平台并对传统的二维道路设计软件“JSL‒路线专家系统”进行升级研发。在GIS环境下，基于三维勘察设计成果构建的环境模型，通过BIM设计软件进行工程对象的布置、轮廓尺寸参数化设计和模型创建，同步进行工程模型与环境模型的融合运算，并生成对应的设计数据供子专业使
1.1 环境模型构建
对桥址区的地形、地物、地质等数据进行勘察与采集，通过三维手段进行模型化表达（通常为DEM、DOM、影响因素矢量、地质模型等，如图
图1 DEM与DOM融合表达示例
Figure1 Example of DEM and DOM fusion representation
图2 地勘成果模型化表达示例
Figure 2 Example of modeling of geological exploration results
1.2 桥梁结构模型创建
1.2.1 上部结构参数化
在桥梁的整体方案设计阶段，主要关注桥梁的布孔信息及上、下部构造的形式。针对桥梁工程方案级上部构造BIM模型，总结多个项目的设计数据，并参考交通运输部颁布的《公路桥梁通用图》进行主梁结构尺寸的参数化入库，跨径支持8 m、13 m、16 m、20 m、30 m、40 m，结构形式包含空心板、小箱梁和T梁，如
图3 不同跨径下装配式上部结构高度设计值
Figure 3 Design value of prefabricated superstructure height of different spans
1.2.2 下部结构参数化
在方案设计阶段，桥梁下部构造主要支持圆柱墩、薄壁墩、通用型桥台（U形接桩样式桥台）等类型。在总体方案设计中，包含了桥梁的中心桩号、布孔信息、交叉角度、上构形式等主要方案信息。但是这些信息不足以支撑方案级桥梁BIM模型的创建，为实
现方案级桥梁工程BIM模型的自动化创建，需进一步总结和补充桥梁的盖梁、墩柱、桩基等尺寸设计逻辑信息，如表
| 墩高范围 | 墩柱 直径 | 桩基 直径D | 桩长 | 墩柱间距 |
|---|---|---|---|---|
| 0<h≤15 | 1.3 | 1.5 | 30 |
E=max(2D,0.55W) E≤8,双柱； E>8,三柱 E'=max(2D,0.35W) 其中：W为路基宽度。 |
| 0<h≤15 | 1.6 | 1.8 | 30 | |
| 15<h≤40 | 1.8 | 2.0 | 30 | |
| 0<h≤15 | 1.8 | 2.0 | 30 | |
| 15<h≤40 | 2.0 | 2.2 | 30 |
| 墩高范围 | 墩宽 | 墩厚 | 承台宽 | 承台厚 | 桩基直径 | 桩基间距 | 桩基长度 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 40<h | max(W-6,4) | 2.8 | 8.2 | 3 | 1.8 | max(4.5,2.5D) | 30 |
| 40<h≤60 | max(W-6,4) | 2.8 | 8.2 | 3 | 1.8 | max(4.5,2.5D) | 30 |
| 60<h | max(W-6,4) | 3.5 | 8.2 | 3 | 2 | max(4.8,2.5D) | 30 |
1.3 桥梁方案设计
公路桥梁设计应服从总体路线的走向，当遇到山谷、河流、道路等障碍物时，可以选择以桥梁方式进行跨越，同时结合地形、地质、通行、通航、建设造价等因素综合考虑。因此，方案设计阶段的重点工作为桥梁位置的选择与孔径的布
桥梁方案级模型自动化创建工具结合自主研发的二维路线设计软件“JSL‒路线专家系统”进行，该软件具有完备的平面、纵断面及横断面设计数据。以此为依据的桥梁设计可以保证数据源的准确性和唯一性。开放桥梁中心桩号位置、跨径组合、上构形式、桥梁分幅等参数由设计人员根据实际情况进行拟定。构件尺寸、桥位平纵曲线等其他参数由程序结合地形及路线设计成果进行自动计算，如图
图4 桥梁方案级BIM模型自动化创建逻辑流程
Figure 4 Logical process of automated creation of bridge scheme-level BIM model
图5 桥梁方案级BIM模型生成示例
Figure 5 Example of bridge scheme-level BIM model generation
1.4 基于三维环境的桥梁方案评价与优化
传统设计中地形信息通过地面线在桥型布置图中进行表达，但二维的线形起伏无法准确地反映桥
梁横向地面线的变化。借助于BIM+GIS技术构建的CHBIM云平台，将自动化创建的桥梁方案级模型与GIS环境模型进行融合表
图6 基于BIM+GIS的桥梁方案评价与优化
Figure 6 Evaluation and optimization of bridge scheme based on BIM+GIS
图7 桥梁方案BIM设计
Figure 7 BIM design of bridge scheme
1.5 成果输出
在方案设计阶段，桥梁作为重要的构造物之一，其工程规模与数量往往是路线方案是否成立的关键因素。因此，在桥梁方案设计的同时，统计桥梁数量及决定工程规模的高墩，为桥梁方案设计提供依据。
以JSL‒路线专家系统数据为基础进行的全方位数据升级与改造，在保留既有路线设计数据的同时，补充和完善桥梁专业的数据，并提供给子专业进行设计与使用。如桥梁的位置与布孔信息将会被记录在路线数据中，其平纵面图中的桥梁信息也会被更新与保留，保证了数据源的统一。
2 项目应用
2.1 项目概况
都匀至安顺高速公路位于中国贵州省境内，项目全长276.324 km，总投资约430 亿元。设计标段长度56.034 km，含桥梁84 座，其中，装配式桥梁64座，占比76.2%。
2.2 环境模型创建
采用激光扫描技术完成地形数据采集。通过直升机搭载平台，集成激光雷达、惯性导航和数字影像等先进技术手段，获取高精度三维地表信息，用于构建地表三维模型。整体包括数字高程模型（DEM）、数字正射影像图（DOM）和环境影响因素（既有公路、铁路、水网、规划区、保护区等）。在本项目环境模型的构建体系中，采用了两个精度的模型，路线走廊带采用机载激光雷达采集的高精度数据，走廊带外则选用低精度数据（网络公开卫星影像及地形信息）作为补充，最终形成了项目所在区域的环境模型，如
图8 项目所在区域环境模型
Figure 8 Environmental model of project area
2.3 桥梁方案设计
以陇绿冲大桥为例，路线初拟轴线跨越沟谷斜坡，跨越山间冲沟布置，如
图9 陇绿冲大桥桥址区地形环境
Figure 9 Topographic environment of Longlvchong Bridge site area
| 序号 | 中心桩号 | 桥梁名称 | 中心桩号类型 | 孔数×孔径/ （孔×m） | 跨径长度/ m | 交叉角度/(°) | 上构形式 | 宽度属性 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | K32+658 | 麦地中桥 | 跨径中心 | 1×30 | 30 | 90 | 预应力混凝土T梁 | 整幅 |
| 2 | K33+754 | 草米寨大桥 | 跨径中心 | 12×40 | 480 | 90 | 预应力混凝土T梁 | 整幅 |
| 3 | K34+841 | 陇绿冲大桥 | 跨径中心 | 6×40 | 240 | 90 | 预应力混凝土T梁 | 整幅 |
| 4 | K35+474 | 银衫沟大桥 | 跨径中心 | 13×40 | 520 | 90 | 预应力混凝土T梁 | 整幅 |
| 5 | K37+107 | 罗雍大桥 | 跨径中心 | 10×40 | 400 | 90 | 预应力混凝土T梁 | 整幅 |
图10 自动创建的桥梁方案模型
Figure 10 Automatically created bridge scheme model
图11 桥梁方案设计模型与GIS环境融合成果
Figure 11 Integration results of bridge scheme design model and GIS environment
2.4 设计成果
2.4.1 桥梁设计规模统计
桥梁的占比及墩高往往会对项目工程造价、工期、环境产生较大的影响，因此，在项目方案设计的初期，桥梁的工程规模和墩高便成为总体设计方案的一个主要控制因
通过对本路段桥梁方案进行设计，本段路线总长为6.4 km，其中设置大桥1 640 m/（4座），中桥30 m/座，统计结果如表
| 指标名称 | 长度/m | 数量/座 |
|---|---|---|
| 路线总长 | 6 400 | |
| 特大桥 | 0 | 0 |
| 大桥 | 1 640 | 4 |
| 中桥 | 30 | 1 |
| 小桥 | 0 | 0 |
| 序号 | 中心桩号 | 桥梁名称 | 孔数×孔径/ （孔×m) | 桥梁长 度/m | 桥梁高 度/m |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | K33+754 | 草米寨大桥 | 12×40 | 480 | 71.76 |
| 2 | K34+841 | 陇绿冲大桥 | 6×40 | 240 | 61.23 |
| 3 | K35+474 | 银衫沟大桥 | 13×40 | 520 | 66.34 |
| 4 | K37+107 | 罗雍大桥 | 10×40 | 400 | 68.73 |
图12 高墩定位与标识
Figure 12 High pier location and identification
2.4.2 桥梁设计方案的存储和传递
在GIS环境下完成桥梁方案设计，桥梁的基本设计信息便存储在数据库中，本项目中的其他专业设计人员可以通过统一数据源进行桥梁设计方案的查看与应
图13 含有桥梁设计信息的路线平面图（单位：m）
Figure 13 Route plan with bridge design information（unit：m）
图14 含有桥梁设计信息的路线纵断面图（单位：m）
Figure 14 Route profile with bridge design information（unit：m）
3 结论
3.1 研究结论
在不改变原有设计习惯的前提下，对既有设计软件进行升级改造，融入参数化设计理念与业务逻辑数据，自动化构建满足总体方案设计阶段的BIM模型。研发适合公路桥梁设计习惯的云平台，将设计软件与云平台融合应用，形成以下实用价值：
（1） 提升方案调整的便利性
以BIM+GIS技术为核心，建立桥梁方案设计的工作流程，打通二维设计数据与三维环境之间的壁垒，实现了将二维设计数据以模型的形式在三维环境中自动集成与表达并实时动态更新。
（2） 增加方案评价的直观性
模型化的桥梁方案数据在GIS环境中进行表达，改善了传统二维设计中数据表达不直观，测绘成果无法全面反映实际地形的弊端，为桥梁方案的评价提供了更加可靠的支撑。
（3） 提高数据共享的便捷性
基于统一数据库，补充桥梁方案的数据，实现了多专业基于同一数据源进行设计与应用。同时方便以桥梁的数量与规模为维度进行工程对象的数据统计。
3.2 后续展望
（1） 现阶段的研究工作主要集中在桥梁方案阶段的设计与应用，随着行业标准的逐步落地应用，在后续工作中将结合相关标准，利用本阶段的数字化设计成果，进一步完善模型的参数化设计，以适应施工图设计阶段的深化应用。如随着桥梁方案的进一步稳定，将深化的桥梁BIM模型与地质模型相结合，展示桥址区的地质构造，直观判断桥梁桩基伸入岩层的情况，为桩基设计与处治提供可靠的应用基础。
（2） 在软件和平台研发过程中，预留编码、属性信息，以及与自主研发的桥梁设计软件“JSL-桥梁专家系统”的数据接口，建立设计参数之间的映射关系，以设计数据为核心，借助于传统桥梁设计软件进行图纸的自动化生成，实现BIM技术在桥梁设计中的深度应用及数字化成果的传递与交付，进一步提升专业设计数据的应用价值。
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