高桩梁板式码头钢筋BIM技术应用

李银发，刘兰兰，望 毅，陈青红

(中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430060)

建筑信息模型(building information modeling，BIM)技术在水运工程中的发展，已取得了一定的应用研究成果[1]，包括建立基于BIM的协同设计平台，研发出BIM方式的成套专业软件技术，初步完成水运工程行业BIM标准的制定等，但随着BIM技术在水运工程设计中不断深入应用，对BIM模型的建模深度要求也随之增加。港口工程中含有大量的钢筋混凝土构件，其构造复杂多变，钢筋种类繁多，且受BIM软件自身功能的限制，导致三维钢筋模型的创建性价比低下，阻碍了水运工程BIM技术的推广应用。

目前，水运工程BIM钢筋技术相关的研究成果较少。熊润东等[2]以港口工程中高桩码头结构中最常见的引桥横梁为例，介绍BIM钢筋建模技术的应用。尹硕等[3]以标准桶单元为例，对桶式基础结构进行BIM 配筋设计应用方法的研究，建立桶式基础结构BIM钢筋模型，并分析BIM技术应用于配筋设计相较于二维设计模式的优势。目前的研究成果主要集中在钢筋模型方面，研究的构件种类单一且深度不够，达不到设计阶段基于钢筋模型的成果交付要求。因此，本文将研究对象和研究深度进一步扩大，对高桩梁板式码头进行构件级的钢筋建模、出图及计量、参数化设计、模型交付等方面的研究，为设计阶段基于钢筋模型的成果交付提出一个解决方案，为施工阶段基于BIM模型的深入应用提供基础。

1 总体技术路线

设计阶段钢筋BIM技术主要包括模型创建、钢筋布置优化、出图及计量、模型交付等方面的技术。鉴于当前BIM软件尚不支持项目级钢筋模型的创建，具体的原因，畅永奇[4]从软件显示3D模型原理的角度剖析了这个问题。因而本文提出一种新的应用思路，即只搭建构件级的钢筋模型，将整个项目的钢筋模型拆分为构件级的钢筋模型即单个构件及构件间节点钢筋模型(图1)，以类似于Revit[5]族库的方式创建参数化的带钢筋的构件模型，并形成构件钢筋模型库，便于后期以搭积木的方式在项目中进行应用。按上述思路，高桩梁板式码头项目钢筋模型可以拆分为桩基、横梁、前边梁、轨道梁、纵梁、后边梁、系靠船梁等构件钢筋模型以及纵向梁系节点、桩基与上部结构节点等节点钢筋模型。由此，钢筋BIM技术的研究重心转变为构件级的钢筋技术研究。

本文通过收集、整理现有港口工程典型构件的施工图，归纳分析得到钢筋种类、钢筋布置规律、钢筋弯钩类型等内容，再利用Revit软件进行构件钢筋模型的创建，直接从钢筋模型中抽取二维施工图纸、计算工程量，并对构件钢筋模型及图纸、工程量进行参数化设计，实现了钢筋模型的交付，获得模型及施工图。

2 BIM钢筋技术

2.1 构件级钢筋模型创建

构件级钢筋模型是指在三维BIM软件中进行钢筋设计，集成了构件模型(或节点模型)和钢筋模型，直观地反映构件钢筋的真实情况。

2.1.1钢筋模型创建存在的问题

Revit综合性能较强，提供涵盖建筑、结构、给排水、暖通、电气、控制、通信等多专业的协同建模功能，拥有较强的钢筋建模功能，提供基本的平面钢筋、多平面(即三维)钢筋布置功能，但由于其源自建筑行业，在港口工程应用中存在着天然的不适应性，主要体现在以下方面：

1)钢筋种类较少。缺乏预应力钢筋、钢束、异型螺旋钢筋、抗扭箍筋等港口工程中常见的钢筋类型。

2)钢筋的弯钩种类较少且不符合港口工程相关规范要求。

3)部分便利的钢筋布置功能只适用于建筑构件。如区域钢筋、路径钢筋、钢筋网等功能只能用于建筑的结构楼板、墙对象，而对港口工程中常用的构件对象则不适用。

由于软件存在上述方面的缺陷，给港口工程构件钢筋模型的创建带来很大的困难，导致建模效率非常低下。经研究发现，在Revit软件里，钢筋由钢筋规格、钢筋形状、钢筋弯钩等部分来定义，不同的组合可以定义成不同的钢筋，这种方式具有很强的灵活性，为改造成适用于港口工程的钢筋对象提供了基础。

2.1.2钢筋模型创建主要内容

钢筋模型的创建主要包括制作或载入混凝土构件对象、设置保护层厚度、定制合适的钢筋弯钩、制作或载入钢筋形状族、放置并调整钢筋等内容，本文主要论述后面几个重点内容。

1)定制合适的钢筋弯钩。钢筋弯钩参照《水运工程混凝土施工规范》[6]进行定制，主要包括弯弧内径、平直长度的设置，常用钢筋弯钩的参数见表1。

表1 常用弯钩参数

注：d为钢筋直径;[]内为用于抗震箍筋时的取值。

2)钢筋形状族制作。采用定制+替代相结合的方式，对符合要求的钢筋种类直接利用，对没有的钢筋种类进行补充创建，对于利用软件自带钢筋无法创建的钢筋采用自定义的非钢筋对象进行替代，从而补充了软件的功能缺陷，实现港口工程高桩梁板式码头中各种钢筋对象的创建。

根据应用需求，本文创建了多种自定义钢筋对象，如预应力钢束、吊环、异型螺旋钢筋等，见图2。

图2 自定义的钢筋对象

3)放置并调整钢筋。在构件的剖切视图中放置钢筋，并调整钢筋的尺寸参数、布置位置，使之符合构件钢筋的设计要求。由于三维钢筋表达出了钢筋的直径大小，同一断面的多种箍筋如果按照传统设计图纸方式布置将产生重叠碰撞。这里为进一步优化钢筋布置，在钢筋模型创建时，考虑钢筋间的碰撞问题，将钢筋进行错位布置(图3)，真实地表达出钢筋的实际布置。

图3 矩形轨道梁钢筋模型

2.2 出图及计量

2.2.1BIM出图方式的特点

目前，港口工程设计阶段钢筋混凝土构件的施工图仍采用模板图加钢筋图的组合表达法，并以二维线条、标注、标记、文字等元素的形式进行体现。传统的二维钢筋图一般采用简化画法，忽略了细节部分，且图元缺乏具体的含义，图面元素与信息是相互隔离开的，不能实现关联修改，在对某一图元修改的同时需要手动完成相应信息的修改，工作量大，且容易出现错漏。BIM技术具有三维可视化、数据联动性、信息管理及协同工作等特性，从钢筋模型直接抽取钢筋图(图4)，具有以下优势：

1)图纸与三维钢筋模型直接关联，三维模型的变化将准确无误地传递到图纸中，并即时更新。

2)钢筋尺寸和定位更准确、计量精度更高。三维钢筋模型能将钢筋直径、转弯半径、弯钩等细节一一展现出来，与真实模型无异，可以直接指导现场施工。

3)由于图纸与模型关联，图纸中的图元都具有具体的含义，在选择图元对象时能直接显示其属性信息。

4)表达形式更丰富，识图更容易。BIM出图方式中，不同的材质颜色、不同的详细程度可以表达出更丰富的设计内容，且拥有传统二维不具备的三维视图创建功能，允许任意的三维视角展示，能更直观地表达设计意图。

5)可以进行钢筋之间、钢筋与其他构件的碰撞检查，优化钢筋布置。

图4 平台横梁配筋断面(单位：mm)

2.2.2钢筋出图主要内容

采用直接从钢筋模型中抽取得到各种二维视图，并通过定制一系列的标注、标记等符号样式使其满足港口工程规范的要求。钢筋出图主要包括各种视图创建、钢筋大样创建、材料表创建、图框及说明文字填写等内容。

1)视图创建。视图类型主要有平面、立面、剖面、详图视图、三维视图等，每个视图又包括模型线条、尺寸标注、注释标记、文字、辅助线、视图标题等图元。模型线条是视图的主体图元，是直接从钢筋三维模型中抽取并根据表达的需要隐藏不必要的部分而得到的，其他的尺寸标注、注释标记、文字等图元都是基于模型线条的辅助表达元素。视图的视觉效果可以通过调整模型的详细程度、着色模式来满足不同的应用需求,如图5所示。

2)钢筋大样创建。传统的港口工程钢筋混凝土构件钢筋大样一般采用简图的方式进行表达，即以示意线条表达钢筋的几何形状、其他的标识信息如各段长度、转角等标注在钢筋的侧面。这种方式不但将钢筋大样与模型中的三维钢筋对象隔离开，且具有不直观、不真实、钢筋长度计算不准确等缺点。采用BIM技术后，真实的三维钢筋对象将被创建，能准确表达钢筋的直径大小、转弯半径、弯钩等细节部分。本文采用一种直接从模型中抽取，以合适的视图为基础进行标注、标记得到钢筋大样的方法,如图6所示。该方法表达出的钢筋形状及属性信息与模型始终保持关联，标注及标识信息也能随着模型的改变而即时更新，很好地适应了项目的变更需求。

图5 前边梁配筋断面(单位：mm)

图6 钢筋大样(单位：mm)

3)材料表创建。当所有的钢筋对象被准确地创建后，充分利用软件的工程量自动统计功能，就可按照规定的格式快速地创建钢筋材料表(表2)。传统二维方式往往采用人工手动统计，过程繁杂、耗时长、计量不精确且容易出现错漏。BIM技术能充分利用计算机的优势，快速识别钢筋模型对象及相关属性，并进行汇总统计，大幅提高了工作效率。此外，可以统计出更多的信息内容，如传统图纸常忽视的钢筋质量信息。

钢筋混凝土构件混凝土工程量计算时，传统二维方式一般不扣除埋入体内的钢筋及小型挖孔(如通气孔)的体积。采用BIM技术后，由于钢筋及挖孔模型都被精确地创建了出来，为进一步精确计算构件的混凝土工程量提供基础，可得到扣除后的混凝土工程量。

表2 单根梁材料表

注：C30混凝土工程量为4.67 m3。

2.3 参数化设计

为了适应不同的项目应用需求，进一步提高建模、绘图效率，研究出一种以交互式创建的模型与图纸为基础，采用Revit API[7]技术进行参数化的设计方法。Revit API建立在Revit软件基础之上，用户可以基于它来扩展和增强Revit功能和应用。本文通过二次开发实现了用户只须输入对应构件所需的构件尺寸、钢筋类型、尺寸、布置信息(图7)即可一键得到相应的钢筋模型与图纸。

图7 参数化用户界面

参数化功能具有以下特点：

1)构件参数化，构件尺寸随长度、高度、宽度等参数的更改而自动更新(图8)。

图8 后边梁高度、宽度改变前后模型变化(单位：mm)

2)钢筋的规格、尺寸、布置随构件尺寸参数及给定的钢筋自身参数的更改而自动更新。

3)尺寸标注、钢筋标注及对象标记等图元会随着变化自动更新。

4)图纸与三维模型直接关联更新。当三维钢筋模型发生改变时，图纸中的各个视图、钢筋大样、材料表自动完成更新，以保证两者的一致性。

2.4 模型交付

钢筋模型的交付，应符合开放的数据交换标准，能与其他相关软件进行数据交换。IFC(industry foundation classes)作为一种开放性的数据格式，可以解决不同软件平台、不同项目参与方数据共享共用的问题。Revit软件通过了 BuildingSMART 关于IFC 输入或IFC 输出的官方认证，其导出的IFC文件保留了原有的几何及非几何信息，可以达到有效传递的要求(图9)。将Revit构件三维钢筋模型转化为IFC格式文件，无疑成为交付方式的一个合适选择，可为下游的项目应用提供源数据。

图9 转换后的IFC系靠船梁钢筋模型透视图界面

3 工程应用

某多用途码头工程建设1个4万DWT件杂泊位和2个5万DWT散货泊位，内容包括码头平台、引桥和变电所平台。码头长808 m、宽37 m，为高桩梁板结构，选取该工程的预制T形纵梁构件，该梁长度6.1 m、高度1.6 m、宽度0.5 m，翼缘宽度、高度和加腋高度均为0.2 mm。按照输入参数的方式，直接生成三维钢筋模型及关联的二维施工图纸，见图10～12，材料表见表3、4。

图10 三维钢筋模型透视图

图11 钢筋布置(单位：mm)

图12 钢筋大样(单位：mm)

表3 单根梁材料表1

表4 单根梁材料表2

注：混凝土用量为5.61 m3。

从生成的结果可以看出，创建的三维钢筋模型真实地反映了构件钢筋实际布置，能准确地表达钢筋直径、转弯半径、弯钩等细节部分，可以直接指导现场施工。从钢筋模型中直接抽取得到的施工图纸，符合水运工程规范要求，可以替代原来的二维图纸。同时，可以创建传统二维不具备的三维视图，更直观地表达设计意图，生成的三维钢筋模型可直接导出为IFC文件进行模型交付。

4 结语

1)经工程应用表明，从钢筋模型中抽取得到的施工图纸，符合相关规范要求，且表达方式较传统方式更加丰富、计量精度更高，更有益于表达设计意图。

2)参数化设计可以有效提高钢筋模型建模及出图效率，减轻设计人员的工作量。

3)基于IFC格式文件，可以实现钢筋模型的交付。