目前，橋梁結(jié)構(gòu)的數(shù)字模型往往是簡(jiǎn)單地按需創(chuàng)建，主要用于可視化，而沒(méi)有規(guī)劃階段的內(nèi)容，如數(shù)據(jù)調(diào)查和結(jié)構(gòu)分析。有時(shí)，模型只單獨(dú)在設(shè)計(jì)階段使用，或是施工階段使用。只有在業(yè)主的強(qiáng)烈要求下，才會(huì)有一個(gè)完整的模型貫穿項(xiàng)目始終。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師們不愿意使用BIM的一個(gè)主要原因是，BIM軟件很少支持全部建模需求，通常只支持過(guò)程中的某些特定建模任務(wù)，甚至有時(shí)還需要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紹IM環(huán)境之外的專業(yè)工具上。但是,在不同的外部工具上來(lái)回處理重復(fù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是繁瑣且容易出錯(cuò)的。另一個(gè)問(wèn)題是責(zé)任劃分不清。在整個(gè)設(shè)計(jì)和施工階段，沒(méi)有清楚地規(guī)定模型應(yīng)該如何使用、由誰(shuí)使用和維護(hù)。因此，如果我們想通過(guò)BIM達(dá)到從本質(zhì)上改善橋梁設(shè)計(jì)行業(yè)的目標(biāo)，將幾何建模集成到BIM過(guò)程中使用，并提供多種智能規(guī)劃功能，包括結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)和檢查，形成一套完整的、一體化的流程和程序是必不可少的。

參數(shù)化描述模型

創(chuàng)建一體化程序的關(guān)鍵是嚴(yán)格的參數(shù)化描述結(jié)構(gòu)模型。也就是說(shuō)，模型中需要包含規(guī)劃方案，而不是簡(jiǎn)單的幾何形狀坐標(biāo)值。這種智能的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以輕松地進(jìn)行數(shù)據(jù)合并及修改，也可以直接用于許多不同的應(yīng)用程序中，如可視化、數(shù)據(jù)采集、結(jié)構(gòu)分析、強(qiáng)度和適用性評(píng)估等程序。

參數(shù)化描述模型的優(yōu)點(diǎn)是可以將一個(gè)項(xiàng)目的工程參數(shù)，通過(guò)簡(jiǎn)單的修改和調(diào)整就能應(yīng)用到另一個(gè)類似的項(xiàng)目上。同時(shí)，可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ㄓ玫腂IM平臺(tái)上，快速而準(zhǔn)確地重新計(jì)算詳細(xì)的橋梁幾何圖形。

同一條路線上的多個(gè)橋梁和現(xiàn)有結(jié)構(gòu)可以存放在一個(gè)完整的模型中，檢查結(jié)構(gòu)之間的沖突和碰撞。此外，模型中不僅包含三維幾何數(shù)據(jù)，還包含詳細(xì)的施工進(jìn)度計(jì)劃等時(shí)間參數(shù)。數(shù)據(jù)庫(kù)中包含的相關(guān)分析參數(shù)，還可以為結(jié)構(gòu)分析自動(dòng)創(chuàng)建適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型。

分層的參數(shù)結(jié)構(gòu)允許當(dāng)上一級(jí)數(shù)值被修改時(shí)，下一級(jí)數(shù)值也會(huì)自動(dòng)調(diào)整。因此，在初步設(shè)計(jì)階段研究備選設(shè)計(jì)方案時(shí)，可以滿足詳細(xì)設(shè)計(jì)的需求。從局部的構(gòu)件到施工管理，數(shù)字模型將所有與橋梁相關(guān)的信息聯(lián)系在一起。

描述幾何圖形的相關(guān)對(duì)象

對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的幾何部分，建模時(shí)使用軸線和截面作為數(shù)據(jù)庫(kù)中的基本物理參數(shù)。除此之外，對(duì)于一些特殊的結(jié)構(gòu)變化，可以將其幾何形狀定義為表格或數(shù)學(xué)函數(shù)，并分配不同的截面尺寸。例如變截面的箱梁采取頂對(duì)齊的方式建模，縱坐標(biāo)值描述其相對(duì)的位置。這種對(duì)齊的方式是用橋梁軸線作為基準(zhǔn)線來(lái)描述的。在平面上定義橋梁軸線的參數(shù)，有直線段的起點(diǎn)、長(zhǎng)度和方向，以及曲線段的半徑、曲率參數(shù)等。在剖面圖中，軸線由縱坡、坡度變化的過(guò)渡半徑和超高值來(lái)描述。截面的幾何形狀由局部坐標(biāo)系中的邊界線來(lái)描述。

整個(gè)上部結(jié)構(gòu)的幾何形狀是簡(jiǎn)單地根據(jù)橋梁線形，通過(guò)沿橋梁軸線布置橫截面來(lái)定義的。橋梁上部結(jié)構(gòu)的各個(gè)部分是在所有的橫截面沿著它們各自的路線定位時(shí)生成的。

類似的，橋臺(tái)、橋墩和支座等子結(jié)構(gòu)元素也用軸線和截面來(lái)定義。對(duì)齊方式由不同對(duì)象的豎軸來(lái)確定。這些軸與上部結(jié)構(gòu)中對(duì)應(yīng)的點(diǎn)來(lái)連接。因此，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)中截面上的點(diǎn)位置被修改后，橋墩軸線的位置也會(huì)自動(dòng)對(duì)中。

施工進(jìn)度的規(guī)劃

除幾何描述外，時(shí)間參數(shù)作為第4個(gè)維度在模型中通過(guò)精確地指定施工過(guò)程來(lái)考慮。施工過(guò)程中連續(xù)的子步驟，例如混凝土澆筑、硬化、鋼筋受力、自重激活等，被稱為“任務(wù)”，并按“施工階段”分組。

每個(gè)任務(wù)都有一個(gè)開(kāi)始日期和持續(xù)時(shí)間值，以便隨時(shí)跟蹤施工過(guò)程，并在需要時(shí)重新檢查時(shí)間參數(shù)。此外，這種定義方式也能夠在結(jié)構(gòu)分析時(shí)，對(duì)每一個(gè)構(gòu)件進(jìn)行精確的分析。

預(yù)應(yīng)力鋼筋和導(dǎo)管在模型的數(shù)據(jù)庫(kù)中被定義為附加的物理對(duì)象。幾何布局與上部結(jié)構(gòu)的橫截面定義有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，它是空間中的任意Hermite（埃爾米特）樣條曲線，由一組約束點(diǎn)來(lái)定義。但是，僅通過(guò)空間坐標(biāo)值來(lái)定義約束點(diǎn)是不可行的。因此，需要指定它們相對(duì)于截面參考點(diǎn)的距離來(lái)定義約束點(diǎn)的位置，而這些參考點(diǎn)可以是截面的邊界點(diǎn)，也可以是額外命名的附加截面點(diǎn)。

在用戶自定義坐標(biāo)系下定義截面中的預(yù)應(yīng)力鋼筋約束點(diǎn)

我們可以通過(guò)計(jì)算，精確地定位這些約束點(diǎn),畫(huà)出它們的三維幾何形狀。通常在預(yù)應(yīng)力筋的起終點(diǎn)會(huì)放置錨具。錨具有一定的長(zhǎng)度,但在幾何計(jì)算時(shí)需要考慮錨具中的預(yù)應(yīng)力筋形狀，按直線段計(jì)算,以便得到一個(gè)沒(méi)有扭轉(zhuǎn)的鋼筋幾何形狀。錨具的詳細(xì)參數(shù)是作為模板提供給用戶使用的,可以根據(jù)不同的預(yù)應(yīng)力筋布置情況自動(dòng)調(diào)用,方便后續(xù)的碰撞檢測(cè)。

定義預(yù)應(yīng)力筋的幾何形狀的難點(diǎn)在于：在普通的箱梁設(shè)計(jì)中，預(yù)應(yīng)力筋的數(shù)量較多，操作過(guò)程比較繁瑣。通常在預(yù)應(yīng)力筋的中段平行布置，首末端呈扇形展開(kāi)。因此，采用智能化的預(yù)應(yīng)力筋幾何定義功能，可以大大簡(jiǎn)化這一繁復(fù)的操作。

為了在整個(gè)預(yù)應(yīng)力筋的長(zhǎng)度上獲得一個(gè)較為均勻的應(yīng)力分布狀態(tài)，通常的做法是控制張拉應(yīng)力，分批進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋的張拉。同時(shí)，也要考慮后張法預(yù)應(yīng)力筋張拉時(shí)的應(yīng)力損失。根據(jù)損失發(fā)生的時(shí)間可分為瞬間損失和長(zhǎng)期損失。瞬間損失包括孔道摩擦損失、錨固損失、彈性壓縮損失等；長(zhǎng)期損失包括預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力松弛損失和混凝土收縮徐變損失等。

考慮瞬時(shí)損失的應(yīng)力分布

根據(jù)前述的時(shí)間參數(shù)模型，施工階段中也需要同時(shí)考慮預(yù)應(yīng)力筋在張拉過(guò)程中的應(yīng)力變化。通常是在混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,且混凝土齡期不小于7天時(shí),進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋的張拉。在預(yù)應(yīng)力分析過(guò)程中，將這一過(guò)程按照順序依次進(jìn)行定義。

總之，在3D模型中完成預(yù)應(yīng)力筋張拉過(guò)程的創(chuàng)建和優(yōu)化。除了可以顯示預(yù)應(yīng)力分布外，還可以直接計(jì)算和存儲(chǔ)預(yù)應(yīng)力狀態(tài)，用于下一步的結(jié)構(gòu)分析。然而，詳細(xì)的應(yīng)力過(guò)程描述也可以作為施工現(xiàn)場(chǎng)控制所需的參考資料。

參數(shù)化的三維模型為BIM過(guò)程中的可視化和數(shù)據(jù)管理提供了一個(gè)詳細(xì)的幾何模型。例如，上部結(jié)構(gòu)、橋墩或橋臺(tái)等單個(gè)構(gòu)件的幾何形狀，可以是任意形狀的，三維模型給出了其精確的尺寸，甚至包括許多與結(jié)構(gòu)受力無(wú)關(guān)的荷載。但是，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析還需要許多額外的數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)與可視化、數(shù)據(jù)管理無(wú)關(guān)，例如所用材料的剛度和強(qiáng)度參數(shù)以及邊界條件。

而且，任意三維物體的詳細(xì)幾何數(shù)據(jù)不適合進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，必須進(jìn)行簡(jiǎn)化，以便按照現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行分析。按理說(shuō)，考慮到靜定結(jié)構(gòu)和分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，這個(gè)任務(wù)應(yīng)由結(jié)構(gòu)工程師來(lái)完成。也就是說(shuō)，工作是在兩個(gè)獨(dú)立的軌道上完成的。一方面是在BIM軟件上的幾何建模和設(shè)計(jì)，一方面是在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段創(chuàng)建結(jié)構(gòu)受力模型。

為了避免這種重復(fù)的建模，Allplan Bridge可以從參數(shù)化描述的橋梁模型自動(dòng)創(chuàng)建出對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型。一般來(lái)說(shuō)，如果主梁的截面足夠精細(xì)，應(yīng)用伯努利梁理論，結(jié)構(gòu)模型將變成一個(gè)桿系模型，上部結(jié)構(gòu)被創(chuàng)建為一系列擁有不同截面的梁?jiǎn)卧Ｈ欢?，橋面板或多片T梁將被創(chuàng)建為由若干縱梁和虛擬橫梁?jiǎn)卧M成的梁格。當(dāng)然，用戶也可以修改自動(dòng)創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)模型，例如在單元?jiǎng)澐趾筒煌瑔卧B接細(xì)節(jié)等方面。橋梁模型和結(jié)構(gòu)模型是可以相互關(guān)聯(lián)的，即任何幾何形狀上的修改都會(huì)反應(yīng)在結(jié)構(gòu)模型中，反之亦然。

在結(jié)構(gòu)分析時(shí)，根據(jù)模型中的單元數(shù)量、邊界條件、附加荷載、施工階段等，自動(dòng)完成結(jié)構(gòu)的靜力計(jì)算。所有的計(jì)算過(guò)程都可以在模型窗口中看到，用戶可以在分析的任何時(shí)候修改參數(shù)，改變生成的結(jié)果。自重荷載、預(yù)應(yīng)力荷載、時(shí)變效應(yīng)等都會(huì)根據(jù)程序中已經(jīng)設(shè)定好的規(guī)律自動(dòng)計(jì)算。施工階段分析中，在特定的施工時(shí)間點(diǎn)施加的恒荷載都被單獨(dú)存儲(chǔ)其結(jié)果，線性疊加后給出所有荷載的總和結(jié)果，包括內(nèi)力和位移，可以直接用于后續(xù)的正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)中。

某一施工階段下的彎矩（自重）分布

預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是有許多施工和使用階段，在這些階段中必須對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和校核。施工和使用階段中，混凝土的時(shí)變效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致截面及結(jié)構(gòu)的應(yīng)力重分布。在可變荷載作用下，為了確定撓度、疲勞及結(jié)構(gòu)使用時(shí)的極限抗力，我們需要確定截面的初始應(yīng)力狀態(tài)。

初始應(yīng)力和可變荷載

在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮所有永久荷載、預(yù)應(yīng)力荷載，以及時(shí)變效應(yīng)在單個(gè)截面構(gòu)件中的初始應(yīng)力，并基于承載能力極限狀態(tài)(ULS)和正常使用極限狀態(tài)(SLS)的假設(shè)，疊加可變荷載的作用。同時(shí)，必須建立一個(gè)新的截面模型，考慮現(xiàn)有的鋼筋、截面，以及混凝土的齡期。

初始應(yīng)力狀態(tài)定義了每個(gè)截面纖維的作用應(yīng)力水平。與解析法相反，對(duì)截面上的每一根纖維使用不同的應(yīng)變和應(yīng)力“起始”值。

抗彎承載力計(jì)算的第一步是驗(yàn)證長(zhǎng)期荷載作用下應(yīng)力/應(yīng)變值的客觀性。在實(shí)際應(yīng)用中，時(shí)變效應(yīng)分析的子步驟按照線彈性理論計(jì)算。即使在合理的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也不應(yīng)形成裂縫，不應(yīng)出現(xiàn)由于長(zhǎng)期荷載作用而產(chǎn)生塑性區(qū)，然而這些情況也應(yīng)在計(jì)算中考慮。

初始狀態(tài)法可以應(yīng)用于ULS和SLS設(shè)計(jì)狀態(tài)下的預(yù)應(yīng)力混凝土超靜定結(jié)構(gòu)和復(fù)合混凝土結(jié)構(gòu)。利用解析法來(lái)計(jì)算截面的初始應(yīng)力問(wèn)題，對(duì)于超靜定結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)只能作為近似解。此外，對(duì)于復(fù)合結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化方法的應(yīng)用根本不能確保結(jié)構(gòu)的安全性。由于應(yīng)力和應(yīng)變?cè)诮孛嬷械姆蔷€性分布，壓縮破壞可能發(fā)生在截面的內(nèi)部纖維中。

歐洲規(guī)范中的剪力設(shè)計(jì)基于可變的桁架模型。關(guān)于抗剪強(qiáng)度和受彎構(gòu)件的力矩之間的關(guān)系,以及在計(jì)算受剪的縱向鋼筋的拉力時(shí),需對(duì)歐洲規(guī)范規(guī)定的某些參數(shù)進(jìn)行修改或解釋。

截面的抗扭承載力可根據(jù)等效的薄壁閉口截面進(jìn)行計(jì)算?？v筋和抗剪箍筋中的應(yīng)力在主拉應(yīng)力方向上形成拉力的分量。整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡由主壓應(yīng)力方向的混凝土桿件來(lái)承擔(dān)?；炷林械膽?yīng)力、剪力和縱向鋼筋的合力，形成了一個(gè)力的三角形。

在SLS設(shè)計(jì)驗(yàn)算中，由于初始應(yīng)力狀態(tài)對(duì)結(jié)果的影響顯著，使用初始狀態(tài)法比使用ULS驗(yàn)算更為必要。根據(jù)歐洲規(guī)范的評(píng)估，在控制截面的設(shè)計(jì)時(shí)可以采用初始狀態(tài)法。盡管這只是結(jié)構(gòu)在其服役壽命中所承受的附加荷載，但這種驗(yàn)算也非常重要，不應(yīng)被忽視，也不應(yīng)被結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算所取代。

在橋梁工程中應(yīng)用BIM技術(shù)，其效果常常受到軟件功能的限制，無(wú)法滿足所有的設(shè)計(jì)需求，也沒(méi)有達(dá)到在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中無(wú)縫地使用數(shù)據(jù)的目標(biāo)，造成為了滿足外部平臺(tái)和軟件工具的要求而進(jìn)行多次的數(shù)據(jù)輸入和轉(zhuǎn)換。這嚴(yán)重影響到了結(jié)構(gòu)的分析和強(qiáng)度設(shè)計(jì)。然而，這需要基于幾何形狀的特殊結(jié)構(gòu)模型，還需要額外的數(shù)據(jù)來(lái)描述材料的強(qiáng)度、施工的過(guò)程和結(jié)構(gòu)服役時(shí)的外部影響。因此，需要為橋梁工程量身定制一種新的BIM解決方案，彌補(bǔ)這一不足。并且，能夠在4D BIM模型的環(huán)境中直接進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。