在3D BIM 環境中怎么設計橋梁

近年來，BIM應用在建筑領域相關的案例上越來越多，解決方案也較完備，而在橋梁或是道路等基礎建設工程領域上，成熟度不高，仍有很大的發展空間。目前，盡管產業界對于道路橋梁等基礎建設信息塑模的需求與日俱增，但道路橋梁的案例卻偏少，且多以設計階段應用為主，而現有的道路橋梁建模工具也較不完善。近來，臺大土木系工程信息仿真與管理研究中心（簡稱臺大BIM 研究中心）與利德工程股份有限公司進行產學教育合作，探究在橋梁施工中應用BIM技術的可行性 ，并評估BIM技術所帶來的效益。

需求日增 案例偏少

BIM 技術提供工程團隊的信息是以信息模型為核心，再分享至工程中的每個角色。如此一來項目團隊間能夠有明確的可視化媒介進行討論，改善以往透過2D 圖紙溝通容易產生誤解和缺漏，進而避免后續可能產生的沖突。除此之外，BIM 也能提供數量估算、施工進度仿真（4D）和成本預估，提升工程項目對人力和物料的掌控。

這樣的技術雖帶來了有別于以往的效益，然而目前都以一般建筑作為主要使用對象。一般建筑物具有垂直的發展特性，涵蓋區域范圍較小，當前的BIM 軟件如Revit，也是針對這些特性發展出相對應的功能和對象，例如梁、柱、樓板、墻等，這些基本組件是構成一般建物的主要元素，然而在道路橋梁等基礎建設土木工程上，這些對象反而不是主要的，甚至常無法直接適用。另外，在BIM 軟件中，“樓層”為一項非常重要的屬性數據，它是建筑模型切分的基礎，同時能直接生成需要的圖資。但是在土木工程上，“樓層”這項信息即失去了意義，道路橋梁工程大多具有水平帶狀性且地域廣大，不少組件無法從現有軟件自帶功能中獲得或建置，因此，如何有效的應用國內常用的BIM 軟件于橋梁工程，成為本次研究案例的一大課題。

高度參數化 簡化操作

橋梁工程的建模概念和一般建筑有所不同，一般建筑比較偏向用放置組件的方式來建構整體模型，橋梁則是以線型（Alignment）為一切基準，不論是坐標、高程、尺寸，甚至到細部的泄水坡度和超高，都是以線型為參考進行衍生，也因此參數化在這個案例就成為最重要的一個環節。參數化所帶來的幫助主要分成兩部分，第一部分是減少重復性操作并提高準確度，第二部分則是增加自動化的可能性。

圖1 預應力混凝土箱形梁橋模型架構示意

以預應力混凝土箱形梁橋為例，主要分為節塊、橋墩、基礎、假設工程的施工架和工作車這幾類，類型較為集中，因此像橋面這類模型就可以利用單一模型進行復制，再微調細部尺寸組成整段橋梁。這種做法需要高度的參數化，只要將需要的參數都設定完成之后，就能簡化建立模型的重復性工作，不需要一段一段以手動方式建立節塊，而是可以利用已經完成的一塊參數化模型復制出全段橋梁，并在過程中透過參數調整使模型與圖說一致。整個模型的建立過程省去了許多手動操作的部分，不僅減少時間的消耗，也提高一定的準確性，因為在拉參考線測量、畫線、組成面、建立實體的每個步驟中，都存在著錯誤的可能性，而此處只需要輸入參數就能夠完成模型。

圖2 全橋模型

另一方面，在調整參數的同時，先是依照著圖中的尺寸建立模型組件，但此時尚未給予每個模型確切的擺放位置，因此需要一個自動化的流程定位每個組件?？梢允褂肦evit 自適應組件的功能和Dynamo 的節點協助達成此任務，并利用Excel 輸入各個節塊的定位坐標，并透過Dynamo 將Revit 的自適應組件放置在輸入坐標上，如此一來就能將各模型定位在正確位置上。此外，如果要更進一步增進建置模型的效率，也能將調整參數的工作交付給Dynamo，先讓每個節塊的參數依照里程數區分，在Excel 中輸入坐標信息后，再讓Dynamo 抓取這些參數放入到該里程數上的模型中，讓整個工作流程高度的自動化，大幅減少人為操作部分。

盡管自動化看似容易，但其困難處在于整體參數設定的流程。因為橋梁的梁深與翼板的二次拋曲線及剛體旋轉的部分有一定的復雜度，使得高度連動的幾何參數的自動設定出現了問題，再加上Revit 軟件本身也有不少限制，因此，需要經過反復的嘗試并更換多次的建模邏輯和順序后，才能順利完成給定參數的環節。除了設定參數花費較多時間外，還有建模前的數據處理，也需要人工將廠商所提供的圖紙等數據轉換成所需的數據。這兩部分可說是整個橋梁建模過程中最為耗時的階段。然而，有了方便的流程后，接下來所省下的時間遠大于其所花費的。以一個柱頭為例，一般手動建?？赡苄枰?0 個小時以上，而在程序自動化的輔助下，能將時間壓縮在大約4 小時左右，這十倍上下的差異，也說明參數化在BIM 建模上的巨大效益。

3D展示 提升效率

而在假設工程方面，以預應力混凝土箱形梁橋為例，所涵蓋的部分主要分為支撐架、施工便橋與構臺，以及模板系統。柱頭的位置決定建造的工法，河道上的柱頭采用的是箱形梁懸臂工法，其下包含重型和輕型支撐架穩固基底；而岸上的柱頭則是用場撐懸臂工法，由于離地較低且不受水的影響，以輕型支撐架樁為主。在BIM 模型的建置上，每個柱頭的支撐架數量配置都有不少差異，且輕型支撐架需要隨著節塊的高度做調整，對模型的需求程度，就成為一大課題，因為模型的細致度以及精準度皆會影響這些大量模型的建置。在實作前，評估過Dynamo 是否適合應用于此類假設工程，但因每個節塊的配置變化大，且僅有圖文件數據可供參考，推估使用Dynamo 與手動完成的時間相比效益并不會太顯著，因此建議選擇使用自定義組件的方式，并根據工程圖逐項在Revit 中完成。另外一項較為耗時的假設工程則是模板系統。在模型中模板須貼附于節塊的腹板與底板，由于大多數的節塊表面隨線型而變化，因此在工具的選擇上亦使用了自適應組件，根據板面的不同條件刻制出適合的模型，如此便可直接在項目中透過點擊面的角點，直接生成出帶有厚度的不同模板。

圖3 通過模型進行假設工程組裝與配置示意

在鋼筋的部分，可以使用Tekla 來建模。在建鋼筋模型的過程中，配筋圖看似容易，但因節塊模型外觀幾何會隨著線型不斷變化，并不像一般建筑的梁柱那么方正，可立刻從模型中看出很多鋼筋銜接的問題，需要不斷地將問題回報給廠商進行檢討。而鋼筋的建置是依鋼筋編號分組為單位進行，在每個節塊的配置雖然相同，但由于節塊本身量體的差異，仍需逐項建立每個節塊的鋼筋，且一旦有設計變更，每個節塊也都需修改，因此未來考慮透過API 的方式解決重復操作的問題。在項目的后期，從與營造廠商頻繁的討論以及在施工現場的交流中得知，3D 展示是營造端目前最重視的環節，對他們來說，最重要的是能夠用更直觀的方式提升溝通效率，且借由BIM 的施工模擬提前得知問題何在，進而在施工前就將其排除，省去以往工人依圖說組裝時試誤所浪費的時間與材料，這一點對他們的幫助最大。此外，滿足正確尺寸、坐標、高程及符合施工項目拆分需求的模型，其數量計算也能協助廠商進行物料控管的檢討。

圖4 節塊鋼筋的模擬分類與銜接處的檢查

貼合實際 開發程序

如要將 BIM 工具用于橋梁施工上，需要大量的參數化與輔助程序的開發。而從設計到施工間的流程中，亦發現了一些未來能夠再加以改善的部分，例如圖紙數據轉換為模型的效率。在傳統的2D 施工圖上，一些營造廠所需要負擔的工作，像是剛體旋轉的計算、混凝土塊漸變段等，都不會直接呈現在圖面上，使得很多時候需要經過不斷的圖說比對，才能漸漸理解設計的邏輯，也因此降低了建模上的效率。假設能夠直接抓取圖說數據，如線型坐標、斷面輪廓等，先將整段橋梁模型自動生成，再利用模型進行剛體旋轉、泄水坡度等施工面向的信息產出，相信對于營造廠而言將能節省許多的時間，也可降低在人工計算可能造成的錯誤。

當然，若是將來針對橋梁工程有更好的 BIM 設計軟件，可以讓設計直接在3D BIM 環境中進行，甚至有為橋梁施工的BIM 應用軟件，就可以省下現今許多的信息轉換成本。另一方面，建立假設工程的過程中常常因為現場高程與圖紙上的差異，而讓鷹架與千斤頂等假設工程中的必要組件在高程上與現場有所差異，因此建置一個可配合實際高層變化的快速假設工程配置程序或系統，是未來可考慮發展的項目。而對營造廠來說，BIM 所提供最大的幫助在于鋼筋綁扎的順序仿真，因此，接下來可以考慮在Tekla 中建立各個鋼筋的順序標號，并利用4D仿真預演施工順序。再者，橋梁BIM 模型應用主要只達到3D 展示和模擬的階段，未來如果能再提高BIM 的使用深度和廣度，就有機會利用BIM 模型進行自動化質量驗證，也就是將產出信息用于法規檢討或是驗證，確保信息的可信度，進而將該信息作為后續橋梁維護管理之用。