BIM 在合肥南環線鋼桁梁柔性拱橋施工中的應用

唐國武 王 偉 杜伸云 陳寶民

(中國中鐵四局集團鋼結構有限公司，合肥 230000)

1 引言

建筑信息模型BIM(Building Information Modeling)，是以三維數字化技術為依托建立的一個集成了工程項目各種相關信息的數據模型。項目各參與方都可以從這個信息模型中提取各自需要的信息，用于指導相關工作又能將各類信息及時反饋。BIM具有三維可視化、協同性及信息可提取性等特點，是推動鋼結構行業信息化走向更高層次的新技術。

目前，鋼結構領域對BIM的理論、技術和應用方法的研究取得了一定的進展。一些鋼結構企業已經開始推廣應用BIM技術，通過BIM打造信息化鋼構，提升管理效率、降低生產成本，推動企業的技術進步和科技創新。

橋梁鋼結構的施工，由于其本身的結構精度要求高、制造工序和安裝過程工況復雜等特點，項目各相關方之間的溝通和協調難度大，而且據我們所知國內目前BIM在鋼結構橋梁方面應用的案例還不太容易找到，本文通過BIM技術在合肥南環線鋼桁梁柔性拱橋工程中的應用，對BIM應用于橋梁鋼結構工程進行了有益的實踐與探索。

2 工程特點

本工程為三跨連續鋼桁梁柔性拱組合結構(圖1)，其施工過程有如下特點:

(1)桁梁鋼結構桿件尺寸精度要求高，工序復雜，過程控制難度大;

(2)鋼桁梁整體節點及各桿件連接方式均為栓接，孔群種類多、數量大，工序質量控制要求高;

(3)桿件結構復雜，如梁拱結合部桿件需要同時與12根桿件進行空間多角度連接，制造精度要求高;

(4)橋梁桿件種類多、數量大，全橋桿件種類達700多種，數量達15 000件，生產管理難度大;

(5)橋梁鋼結構材料種類多，同一桿件不同部位對材料的性能要求不一樣，而且所有材料均要實現可追溯;

(6)安裝架設工況復雜，施工管理及施工過程中與項目相關方的溝通、協調難度大。

3 BIM在南環線鋼桁柔性拱橋工程中的應用

3.1 BIM在技術準備階段的應用

BIM在技術準備階段的應用主要是建立信息模型，進行圖紙審核，并從模型中提取相關信息，生成工程量清單、零件匯總表、施工圖等技術文件。

3.1.1 應用流程(如圖2)

圖1 合肥南環線鋼桁梁柔性拱橋模型

(1)根據設計圖紙，使用建模軟件(Tekla Structures)建立信息模型。利用軟件的校核功能檢查、發現設計錯誤，將問題反饋給設計方提出修改建議，根據設計變更修改模型。

(2)調取模型信息，生成材料清單、工程量統計表、零部件匯總表，并使用模型生成施工圖。

(3)生產部門根據工程量統計表編制生產計劃;技術部門由零部件匯總表編制原材料采購計劃，并使用BIM套料軟件進行零件套料、編程，依據施工圖紙編制結構零部件典型工藝卡和焊接工藝卡。

圖2 BIM應用流程圖

3.1.2 應用效果

(1)模型校核自動化

鋼桁梁柔性拱結構復雜，設計方采用二維制圖難免出現疏漏和錯誤，例如本工程上弦桿A10、下弦桿E10及腹桿A10E10之間的連接手孔不一致(如圖3)。

對二維圖紙的審核是一個面向局部的工作，對于不同系統之間的連接構造問題，審圖人員容易疏忽，而應用BIM建立信息模型，是一個面向工程整體的工作，在建模過程中，不同系統之間的連接構造問題會自然暴露。

同時，在建模過程中，螺栓、拼接板的信息也集成到了模型中，利用軟件的碰撞校核功能可以檢查出此類設計錯誤(如圖4)。

在信息模型中，還可以利用軟件自動檢測結構件之間的干涉。例如:在對南環線鋼梁的碰撞校核中，軟件自動判別出弦桿A10與橫聯之間發現了碰撞(如圖5)。經建模人員核查，是設計圖紙錯誤，并及時與設計方溝通，修正了設計圖和模型。

(2)提取模型信息，自動創建各類報表

在BIM技術的應用過程中，在建立信息模型的同時，已經錄入了零、部件的編號、數量、材質、重量、規格等信息，可以很容易地實現工程量清單、材料清單、零部件分類匯總的自動化，節省大量的勞動力。

例如南環線工程的高強度螺栓共約50萬套，可在模型中篩選信息，自動創建螺栓材料清單(如圖6)。

此外，工程的零件匯總表、工程量清單等均可以自動創建，所有的信息都可以隨時從模型中提取。

(3)施工圖紙繪制的自動化

在BIM系統中，在建立了信息模型后，可以直接由模型生成平面施工圖，并且通過準確無誤的信息模型，得到的施工圖紙具有不可更改性，即圖紙中的零、構件編號、數量、材質等不能直接在圖紙中更改，只能通過修改模型達到更改圖紙的目的。這樣，就減少很多人為錯誤的產生，提高了施工圖的準確度。

3.2 BIM在生產制造過程中的應用

3.2.1 應用流程

在生產制造過程中，BIM的主要應用為:以信息模型為基礎，建立一個產品信息庫。產品信息庫是集成了零件、構件編號、數量等靜態信息和加工進度、檢驗狀態等動態信息的數據庫。

相關各部門從產品信息庫中獲得信息應用于生產管理，并將生產過程中的信息及時反饋到產品信息庫中，實現信息高度共享和高效溝通(如圖7)。

圖7 BIM技術在生產過程中的應用流程圖

3.2.2 應用效果

(1)提取模型信息，創建產品信息庫

在BIM應用中，零件編號、數量，構件編號、數量、重量等靜態信息均可以直接由信息模型導出，從而省去了人工統計環節，避免人為失誤造成信息傳遞錯誤。

(2)以產品信息庫為中樞進行信息交流，簡化部門溝通程序，提高工作效率

在生產過程中，部門間采用點對點、以書面報表方式進行溝通，需要將同一信息分別向多個部門發送，做大量的重復工作，這種點對點的溝通方式效率低(如圖8)。

應用BIM后，各部門直接從產品信息庫中獲取信息，用于生產管理;而對生產進度和檢驗狀態等動態信息，直接向產品信息庫反饋(如圖9)。這樣，以產品庫為中樞，將各部門緊密聯系，極大地簡化了部門間的溝通程序，提高溝通效率。

(3)在BIM的應用中，對結構復雜的節點，可以直接調取模型信息，進行動態演示，指導操作層快速理解結構細節(如圖10)

3.3 BIM技術在施工現場的應用

3.3.1 模擬施工過程，優化施工方案

在方案研究階段，利用BIM模型對施工過程進行模擬，能提前發現方案的不足:在本工程中通過模擬施工發現臨時支架與高速公路橋梁局部干涉，從而及時對支架方案進行優化，如圖11。

圖10 復雜節點內部結構展示

3.3.2 模擬頂推工況，確保頂推安全穩定

南環線鋼桁梁柔性拱橋施工方案采用帶拱頂推法，頂推過程中橋梁懸臂狀態的重量和重心在不斷變化。通過BIM模型三維模擬頂推施工工況，能便捷準確獲取懸臂支點兩側重心位置及重量，大大減少了抗傾覆系數的計算工作量，提高了工作效率，如圖12。

3.3.3 模擬架設工況，優化施工工藝

在柔性拱的架設中，利用BIM模型對架拱工況進行三維模擬，合理選擇架梁吊機站位，避免了架梁吊機與拱肋桿件干涉的問題，如圖13。

3.3.4 檢測信息實時共享

鋼梁施工過程中，監控單位將檢測數據實時錄入到BIM模型中，項目各參與方均可以隨時查詢監控數據，達到共享監控信息的目的，加強了項目各參與方之間的溝通與交流，如圖14。

4 結論

通過BIM在合肥南環線鋼桁梁柔性拱橋工程中的應用，有以下幾點收獲:

(1)信息模型的建立是信息集成的過程。由于信息的集成，使得模型碰撞檢測、工程量統計、施工圖繪制等工作可以實現自動化，節省了大量的勞動力，提高了工作效率和數據準確性。

(2)BIM為項目相關方提供了一個信息共享與交流的平臺，提高了項目溝通與協調的效率。

(3)利用信息模型模擬施工，提前發現施工方案的不足，有利于優化施工組織設計和施工工藝。

同時，在本次BIM應用中還存在以下不足:

(1)對數字技術應用的能力有限，信息可視化沒有充分體現，生產進度、檢驗狀態等信息未能直接反應在模型中，人力、機械、設備資源信息未能集成進模型中。

(2)BIM的實現需要利用多種數字技術，我們目前所用工程軟件與BIM的兼容性較差，BIM模型與套料、工程計算等應用軟件的整合還有待進一步開發。

(3)BIM在南環線橋梁工程中的應用探索僅局限于施工方，對于BIM在項目各參與方之間信息共享和溝通缺乏實踐，BIM的應用層次不夠深入。

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