目前，桥梁结构的数字模型往往是简单的按需创建，主要用于可视化，而没有规划阶段的内容，如数据调查和结构分析。有时，模型仅在设计阶段单独使用，或者在施工阶段使用。只有在业主的强烈要求下，整个项目才会有完整的模型。
在设计过程中，工程师不愿意使用BIM的一个主要原因是BIM软件很少支持所有的建模需求，通常只支持过程中一些特定的建模任务，有时甚至需要将数据传输到BIM环境之外的专业工具。然而，在不同的外部工具上处理重复的数据转换既繁琐又容易出错。另一个问题是责任划分不清。在整个设计和施工阶段，没有明确规定模型应该如何使用，由谁来使用和维护。因此，如果我们想要通过BIM实现从根本上改善桥梁设计行业的目标，将几何建模融入BIM流程并提供多种智能规划功能，包括结构分析、设计和检测，以形成一套完整和集成的流程和程序是必不可少的。
结构建模基础
参数化描述模型
创建集成程序的关键是严格的参数化描述结构模型。也就是说，模型需要包含规划方案，而不是简单的几何坐标值。这种智能数据结构可以很容易地合并和修改，也可以直接用于许多不同的应用，如可视化，数据采集，结构分析，强度和适用性评估等。
参数化描述模型的优点是一个项目的工程参数可以通过简单的修改和调整应用到另一个类似的项目中。同时可以将数据传输到通用BIM平台，快速准确地重新计算出详细的桥梁几何形状。
同一路线上的多个桥梁和现有结构可以存储在一个完整的模型中，以检查结构之间的冲突和碰撞。此外，该模型不仅包含三维几何数据，还包含详细的施工进度和其他时间参数。数据库中包含的相关分析参数还可以自动创建用于结构分析的适当数学模型。
分级参数结构允许当前一级值被修改时自动调整下一级值。因此，在初步设计阶段研究备选设计方案时，可以满足详细设计的需要。从本地组件到施工管理，数字模型链接了所有与桥梁相关的信息。
描述几何图形的相关对象。
对于桥梁结构的几何部分，建模时将轴线和截面作为数据库中的基本物理参数。此外，对于一些特殊的结构变化，可以将几何形状定义为表格或数学函数，并指定不同的横截面尺寸。例如，变截面箱梁采用顶部对齐建模，纵坐标值描述其相对位置。通过使用桥轴作为基准线来描述这种对准。定义桥在平面上的轴线的参数包括直线的起点、长度和方向，以及曲线的半径和曲率参数。在纵断面中，轴线由纵坡、坡度变化的过渡半径和超高值描述。截面的几何形状由局部坐标系中的边界线描述。
整个上部结构的几何形状简单定义为根据桥梁线形沿桥梁轴线布置横截面。当所有的横截面沿着各自的路线定位时，桥梁上部结构的每个部分就产生了。
类似地，桥台、桥墩和支架等下部结构构件也由轴和截面定义。对齐由不同对象的垂直轴决定。这些竖井与上层建筑中的相应点相连。因此，当修改上部结构截面上的点的位置时，桥墩轴线的位置将自动居中。
施工进度计划
除了几何描述外，时间参数被认为是模型中的第四维，它精确地描述了构造过程。施工过程中的连续子步骤，如混凝土浇筑、硬化、钢筋受力、自重激活等。，称为“任务”，并根据“施工阶段”进行分组。
每项任务都有开始日期和持续时间值，以便随时跟踪施工过程，必要时可以重新检查时间参数。此外，这个定义还可以准确地分析结构分析中的各个构件。
基于的智能预应力钢筋建模方法
预应力钢筋和导管被定义为模型数据库中的附加物理对象。几何布局与上层建筑的横截面定义有关。一般来说，它是空之间的任意Hermite样条曲线，由一组约束点定义。但是，仅通过空之间的坐标值来定义约束点是不可行的。因此，需要指定它们与截面参考点的距离，以定义约束点的位置，这些参考点可以是截面的边界点，也可以是另外命名的附加截面点。
在用户定义的坐标系中定义截面中预应力钢筋的约束点。
我们可以通过计算精确定位这些约束点，并画出它们的三维几何形状。通常，锚具放置在预应力筋的起点和终点。锚具有一定的长度，但在几何计算中要考虑锚具中预应力钢筋的形状，按直线段计算，以获得一个无扭转的钢筋几何形状。锚具的详细参数作为模板提供给用户，可以根据不同的预应力筋布置自动调用，方便后续的碰撞检测。
确定预应力筋几何形状的难点在于，在普通箱梁设计中，预应力筋数量多，操作过程复杂。通常预应力筋在中段平行布置，头尾呈扇形展开。因此，采用预应力筋的智能几何定义功能，可以大大简化这种复杂的操作。
为了使预应力筋在整个长度上获得更均匀的应力分布，通常的做法是控制张拉应力，分批张拉预应力筋。同时，还应考虑后张预应力筋的应力损失。根据损失的时间，可分为瞬时损失和长期损失。瞬时损失包括摩擦损失、锚固损失、弹性压缩损失等。长期损失包括预应力筋的应力松弛损失和混凝土的收缩徐变损失。
考虑瞬时损失的应力分布
根据前述时间参数模型，还需要考虑预应力筋在施工阶段张拉过程中的应力变化。通常在混凝土达到设计强度且混凝土龄期不小于7天后，张拉预应力筋。在预应力分析过程中，这个过程是按顺序定义的。
总之，预应力筋张拉过程的创建和优化是在三维模型中完成的。除了显示预应力分布，预应力状态可以直接计算和存储，为下一次结构分析。但应力过程的详细描述也可以作为施工现场控制的参考。
创建自动结构的机械模型
参数化三维模型为BIM过程中的可视化和数据管理提供了详细的几何模型。例如，单个构件(如上部结构、桥墩或桥台)的几何形状可以是任何形状。三维模型给出了它的精确尺寸，甚至包括许多与结构无关的载荷。但是结构分析需要很多额外的数据，这些数据与可视化和数据管理无关，比如所用材料的刚度和强度参数，边界条件等。
而且任何三维物体的详细几何数据都不适合进行结构分析，必须根据现行的设计规范进行简化分析。按理说，考虑到静定结构和分析结果的准确性，这个任务应该由结构工程师来完成。换句话说，工作是在两个独立的轨道上完成的。一方面是在BIM软件上进行几何建模和设计，另一方面是在详细设计阶段创建结构受力模型。
为了避免这种重复建模，Allplan Bridge可以从参数化的桥梁模型中自动创建相应的结构模型。一般来说，如果主梁的截面足够精细，应用伯努利的梁理论，结构模型会变成桁架模型，上部结构会被创建为一系列不同截面的梁单元。但是，桥面板或多个T梁将被创建为由若干纵梁和虚拟梁单元组成的梁网格。当然，用户也可以修改自动创建的结构模型，例如不同细胞的细胞划分和连接细节。桥梁模型和结构模型可以相互关联，即任何几何修改都会反映在结构模型中，反之亦然。
在结构分析过程中，根据模型中的单元数量、边界条件、附加荷载、施工阶段等自动完成结构的静力计算。所有的计算过程都可以在模型窗口中看到，用户可以在分析的任何时候修改参数和改变生成的结果。自重荷载、预应力荷载、时变效应等。将根据程序中已经设置的规则自动计算。在施工阶段的分析中，在特定施工时间点施加的恒定载荷的结果被单独存储。线性叠加后，给出了包括内力和位移在内的所有荷载的总结果，可直接用于后续的正常使用极限状态设计。
某一施工阶段的弯矩分布
设计状态和评估
预应力混凝土桥梁的设计具有施工和使用阶段多的特点，在这些阶段必须对结构进行分析和验算。在施工和使用阶段，混凝土的时变效应会导致截面和结构的应力重分布。在变荷载作用下，为了确定在役结构的挠度、疲劳和极限抗力，需要确定截面的初始应力状态。
初始应力和可变载荷
在设计过程中，必须考虑所有永久荷载、预应力荷载以及单个截面构件中时变效应的初始应力，并基于承载力极限状态和正常使用极限状态的假设叠加可变荷载的作用。同时，必须建立新的截面模型，考虑现有的钢筋、截面和混凝土的龄期。
初始应力状态定义了每个横截面纤维的作用应力水平。与分析方法相反，不同的应变和应力“初始”值用于横截面上的每根纤维。
抗弯承载力计算的第一步是验证长期荷载下应力/应变的客观性。在实际应用中，根据线弹性理论计算时变效应分析的子步骤。即使在预应力结构的合理设计中，也不应形成裂缝，不应出现因长期荷载而产生的塑性区。但是，在计算中也要考虑这些情况。
初始状态法可用于ULS和SLS设计条件下的超静定预应力混凝土结构和组合混凝土结构。计算截面初应力的解析法只能作为超静定结构的近似解。此外，对于复合材料结构，简化方法的应用根本不能保证结构的安全性。由于横截面中应力和应变的非线性分布，横截面的内部纤维可能发生压缩破坏。
欧洲规范中的抗剪设计基于可变桁架模型。关于受弯构件的抗剪强度和弯矩之间的关系，以及在计算受剪纵向钢筋的拉力时，欧洲规范中规定的一些参数需要修改或解释。
截面的抗扭承载力可按等效薄壁闭合截面计算。纵向钢筋和剪切箍筋中的应力形成主拉应力方向的拉伸分量。整个结构的平衡由混凝土构件在主压应力方向上承担。混凝土中的应力、剪力和纵向钢筋的合力形成一个力三角形。
在SLS设计验算中，由于初始应力状态对结果有很大影响，采用初始状态法比ULS验算更有必要。根据欧洲标准的评价，初始状态法可用于控制段的设计。虽然这只是结构在使用寿命内所承受的附加荷载，但这种验算也是非常重要的，不应被结构承载能力极限状态的验算所忽略或代替。
BIM技术在桥梁工程中应用时，其效果往往受限于软件的功能，无法满足所有的设计要求，也没有达到在整个设计过程中无缝使用数据的目的，导致很多数据的输入和转换都是为了满足外部平台和软件工具的要求。这严重影响了结构分析和强度设计。然而，这需要基于几何形状的特殊结构模型，以及描述材料强度、建造过程和在役结构的外部影响的附加数据。因此，有必要为桥梁工程量身定制新的BIM解决方案，弥补这一不足。而且可以在4D BIM模型环境下直接设计计算。
本文发表/《BIM视觉杂志》2021年第1期第16期
作者/瓦尼亚·SAMEC等人
作者/ALLPLAN基础设施有限公司
