[營建資訊分享] 橋梁工程 實務課程 BIM應用

橋梁工程 實務課程 BIM應用

王韋勳 國立臺灣大學 土木工程學系專任助理

謝尚賢 國立臺灣大學 土木工程學系教授兼工程資訊模擬與管理研究中心主任

 

 

案例工程規劃 學生上場

 

「溪頭實驗林神木溪人行跨溪橋計畫」是台大土木系近年來推動之新式實務型課程的重點項目之一,此計畫自民國102年開始,首次成為capstone實務課程中的設計主題,至今已歷經了數次課程來進行設計發想、基地探查及河川洪氾溢流實驗,並在民國104年初得到業主對工程執行之確定後,開始進行橋體細部設計以及工程規劃,預計在105年9月完成施工。

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圖一 溪頭實驗林神木溪  圖二 神木溪豆腐橋枯水期

此橋之基地-神木溪(圖一),位於台大實驗林溪頭遊樂園區內,穿越園內之銀杏森林步道,為一生態資源豐富且可讓遊客親近之水域環境。但近年來,做為跨溪便道之攔砂堰-豆腐橋(圖二),已被上游河川暴漲的洪水帶來之大小砂石淤滿,河床高度抬升至與橋面同高,使豆腐橋每當下雨便失去原有之跨溪功能,如遇上山區驟雨,遊客遭遇危險之程度將大幅提升(圖三)。

A_0407 圖三 雨季的神木溪豆腐橋

民國102年底,台大土木系之Capstone實務課程與台大溪頭實驗林展開密切的合作,希望讓同學們以上述之實務問題為出發點,設計出新一代符合環境生態又兼具結構美感之跨溪橋梁。此次的實務課程結合臺灣大學土木系與實踐大學建築系的課程與師生,在短短一學期內,進行相當仔細的基地調查與測量,兩校的同學們也混合分組提出不同的設計方案(圖四)。經過學生們一學期的努力,在學期末的展演會中,各組充滿想像力與發展潛力的方案,獲得了實驗林的高度讚賞,也讓實驗林方面對於以學生設計為橋梁發展主體的可行性產生了興趣。經過後續的多次討論,實驗林方面以配合園內生態環境與永續性為考量,選擇以木材為橋體結構材料為前提,與台大土木系共同開啟接下來的實體橋梁工程計畫。

 圖四 102學年橋梁設計期末發表

此橋梁之最終設計版本,是由民國103年加入此計畫之七名學生在capstone課程中共同發想完成,同時系上也藉此機會,邀請在國內有許多優秀作品的木構造結構設計師冨田匡俊先生來擔任此課程的兼任講師,除了指導同學們製作各類縮尺模型(圖五)的技術外,也在橋梁設計的過程中帶領同學認識木構造設計工法以及美學上的呈現。

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圖五 自製縮尺集成材模型            圖六 103學年橋體設計與基地模型

實務型課程之精神除了要同學們將核心課程所學加以整合應用外,也著重於與業主和專業者之間的對話,以及基地環境資訊的蒐集。在這兩年的設計過程之中,學生們在不同的設計規劃階段皆多次前往基地實地探查,例如前期規劃時前往基地調查水文狀況,利用大一測量實習課程所學,進行河道及周遭環境放樣,建立數位基地模型(圖六),並以玻璃纖維製作河道模型,同時與水利組研究生共同進行洪水氾流實驗;另也在寒假及暑假舉辦木構造工作營,前往台大森林系水里木工廠,學習木材加工以及材料特性之相關專業技術。而進入橋體規劃階段後,也利用溪頭實驗林中的自有材料,在所選橋址(圖七)搭建一座1:1之竹構架實體模型橋,試圖藉此來釐清橋的量體與周遭環境之關係,以及對遊客動線將造成之影響。

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圖七 基地與橋體選址平面圖

導入BIM見模 實務演練

民國104年底,經由台大森林系水里木工廠方面的牽線,本工程計畫獲得寶成集團裕元教育基金會的經費贊助,讓此計畫從設計階段開始進入實際施工階段。同時在台大土木系方面,也將此計畫納入「BIM導入實務與演練」課程中,由原設計之七名同學另外加入兩名新夥伴共同組成BIM應用小組,除了持續進行細部設計檢討與施工圖之繪製,並進行此案例之BIM數位建模,及BIM在設計檢討、施工模擬,與橋梁維護等面向之應用。

正如同其他工程案中會面臨到的狀況,此工程在許多無論是人為因素或是天候因素方面都遭遇到一些問題,必須由同學們與業主、結構技師、施工團隊一起討論來一一克服,而在建立BIM模型的過程中對於施工資訊的收集,也因為與施工單位之溝通管道不夠順暢,而只能藉由零碎的資訊拼湊出大概輪廓。所幸,寶成集團與實驗林木工廠皆對於此工程結合教育的模式非常支持,工程進行過程中的不同階段,都讓學生們可直接前往工地現場參與,例如基礎開挖前的基準點放樣、基礎灌漿前後勘驗,以及直接列席工程會議等等。同學們也在基地四周架設了三台工程縮時攝影機,全程記錄施工過程,希望未來能與以BIM技術模擬之工程施工進度進行比較,分析未來可改進之工作流程。

本次橋體之細部2D工程圖與Takla建模幾乎是同時進行繪製,過程中可以明顯地看到同學們逐漸熟稔CAD繪圖軟體的操作,而在工程圖面的配置邏輯與細部工程溝通語言這兩方面,也都有了顯著的進步。在學習過程中同學們也發現,在橋梁這種不規則的結構上運用Tekla建構橋梁3D BIM模型,具有傳統工程圖面所沒有的優勢,這是因為在2D的施工圖面呈現上有許多因繪圖技術限制而造成的簡化與漏失,而靠著3D建模進行構件組裝模擬,可提早發現施工過程中之衝突,使用者還可以在BIM模型中建立構件的相關屬性資訊(圖八),方便

圖八 於Tekla建立元件時加入材料及相關屬性

後續維護管理。在物料管理方面,BIM模型也提供更好的計量資訊,幫助減少材料浪費,而視覺化的排程也讓設計單位與施工單位之間的溝通能更加順暢。

3D 建模演練 及早發現問題

橋梁,做為一承載美學的結構物,除了基本的安全考量外,結構的配置也具有相當的重要性,而這一部分也與一般課堂中所常見的建築梁柱系統截然不同。

在此學期的BIM應用過程中,有多次是由同學主動解決問題並聯繫施工方及設計師,例如在圖九的案例中,同學們利用Tekla建立張力桿件模型,補足原在2D圖面中無法表達之三維空間座標資訊,並確認在空間中交錯的張力桿件之角度和鐵件組不會相互衝突後,再匯出更新的2D施工圖。

 

圖九 利用Tekla模型作為3D空間中之張力桿件設計輔助

而在接下來的施工過程中,預計將會使用同學所建構的3D模型(圖十及圖十一)來與施工單位進行工法上的討論,並預先進行模擬,希望在開始施工後能盡量減少因人為因素造成之工期延宕。

圖十 Tekla全橋模型

 

圖十一 協助施工方了解複雜構件

這學期的課程雖然將在六月底結束,但工程仍然會繼續進行,部份同學們也會持續地參與到工程完成(預計在九月底完工),一起見證行人經由這座由學生設計的橋上橫越神木溪的歷史時刻(圖十二為完工後之現地模擬圖)。

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圖十二 橋梁現地模擬圖

(本篇刊載於營建知訊401期第64-69頁)