基于BIM的潮白河大橋4D施工模擬

劉 飛

(北京路橋瑞通養護中心有限公司，北京 101300)

目前，通過BIM軟件，建筑圖紙已經能夠實現100%出圖。但從長遠看，BIM的應用價值不應該僅僅體現在設計階段，更應該在建設項目全壽命周期中體現其價值。施工階段作為承上啟下的階段，充當著將設計意圖付諸實施，轉化為建筑成品的重要作用，因此，在施工階段應用BIM蘊藏著極大的價值。

在國外，BIM技術在施工中的應用研究開展較早。Nour[1]在IFC(Industry Foundation Classes)標準的基礎上開發了動態建筑信息模型數據庫，該數據庫的建立為項目的不同參與方提供了交流以及獲取信息的平臺；Golparvar等[2]研發了基于BIM技術的建筑集成平臺，并在實際工程項目中實現了應用；Porwal和Hewage[3]提出了基于IFC標準的施工進度計劃的概念，實現了工程項目的施工過程4D模擬。然而，我國對于BIM技術在項目施工中的應用研究起步較晚，前期主要集中在清華大學的BIM研究組，張建平等[4-6]通過建立4D施工資源信息模型，開發了4D施工資源管理平臺，實現了施工階段對材料、機械等施工資源的動態管理，并通過在BIM模型中集成工程量信息，實現了對成本的實時監控。馬也犁[7]以某非對稱外傾拱橋為對象，建立了參數化BIM模型，重點對碰撞檢測、4D施工模擬和施工進度管理等進行研究，探索了BIM技術在拱橋施工中的應用。

本文將BIM技術應用到潮白河大橋的施工過程中，采用核心建模軟件Revit建立包含完整工程信息的全橋BIM模型，然后導入Navisworks中進行4D施工模擬。

1 工程概況

潮白河大橋為徐尹路上的一座大跨徑斜拉橋，跨徑組合為(165+165)m，采用獨塔雙索面的結構形式，塔、墩、梁三者固結。圖1為潮白河大橋的橋型總體布置圖。

主梁采用預應力混凝土結構，截面形式為邊主梁，截面頂全寬27.5 m，截面端部高2.3 m，中間高2.5 m，頂板厚0.32 m，設雙向1.5%橫坡，標準節段長度為8 m；主塔高102.12 m，采用倒Y形橋塔，由塔座、上塔柱、中塔柱、下塔柱、上橫梁、中橫梁、下橫梁組成，其中下橫梁與主梁固結，上塔柱為斜拉索錨固區，在上塔柱內壁設置錨固齒塊進行拉索錨固；斜拉索采用扇形索面，橋塔兩側均布置19對空間索，主梁上的錨固間距為8 m，在上塔柱布索區，將錨固點布設在塔內壁的中心處；承臺采用矩形截面，承臺上設置3.0 m高的塔座；基礎采用48根直徑為1.8 m的鉆孔樁組成群樁基礎，按矩形布排。

2 BIM模型的建立

2.1 建模流程

由于潮白河大橋為對稱結構，考慮國內外各BIM建模軟件的優缺點及適用條件，最終選擇采用Autodesk Revit軟件，依據IFC標準進行潮白河大橋的核心建模工作。Revit軟件最大的優點就是建模自由度高，可以根據需要建立各種復雜截面的構件模型。

首先，利用Revit軟件中“族”的概念，把斜拉橋的每一個結構構件看作是一個構件族。依次建立樁基礎、承臺、塔座、塔柱、橫梁、主梁、拉索等參數化構件族。然后將這些構件族載入項目中心文件中，根據各構件的空間位置及邏輯關系，更改其標高、平面坐標等參數，并添加相關屬性信息，最終形成結構的整體模型，即核心BIM模型。圖2為利用Revit平臺進行潮白河大橋BIM建模的整體流程。

2.2 核心構件族庫的建立

根據潮白河大橋的設計信息，采用Revit軟件繪制構件輪廓，然后通過拉伸、融合等工具生成三維模型，并按照IFC標準定義構件特性參數形成參數化構件族庫。本斜拉橋中自建的參數化構件族庫包含群樁基礎、承臺與塔座、塔柱、橫梁、主梁、斜拉索等族庫，可通過更改參數信息生成任意尺寸的構件。各構件族庫為BIM模型的最小單位，本斜拉橋中自建的核心構件族庫見圖3。

在Revit中，按照施工圖創建項目的控制標高和軸網，然后在相應平面視圖中依次載入各構件族庫，并通過拼組形成模型組件，添加材料、施工工藝等各種工程信息，形成包含完整工程信息的BIM模型。具體過程如下：

1)群樁承臺。

采用摩擦樁群樁基礎，左右支墩各布置24根直徑1.8 m的鉆孔樁，每根樁樁長95.0 m。承臺為分離式矩形承臺，單個承臺尺寸為28.0 m×16.5 m×4.0 m。塔座高3.0 m，根部平面尺寸為15.8 m(順橋向)×10.1 m(橫橋向)。根據設計信息建立各構件參數化族庫，再將樁基、承臺與塔座按照空間位置關系進行拼組，形成群樁承臺組件，見圖4，即可方便查看樁徑、樁長、承臺與塔座尺寸等工程信息。

2)主塔。

主塔采用倒Y形混凝土索塔，由上、中、下塔柱及上、中、下橫梁組成，承臺以上塔高102.12 m，兩上塔柱橫橋向凈距10 m。塔柱及橫梁均采用空心矩形截面。上、中塔柱順橋向全寬6.8 m，橫橋向全寬4.0 m，下塔柱順橋向全寬由6.8 m向根部過渡到8.8 m，橫橋向寬度漸變為6.2 m。上橫梁截面尺寸為5.8 m×3.0 m，中橫梁尺寸6.4 m×4.0 m。將上、中、下塔柱及上、中、下橫梁的構件模型按空間位置關系進行拼組，得到主塔模型，見圖5。

3)主梁與拉索。

主梁截面頂全寬27.5 m，截面端部高2.3 m，中心高2.5 m；主梁頂板厚0.32 m，設雙向1.5%橫坡。節段長度為8 m，邊肋寬度為3 m。主梁包括0號～21號梁段，其中2號～19號梁段為標準梁段，20號梁段為合龍段，21號梁段為支點處梁段，均采用C55混凝土。本文對拉索模型進行了簡化，通過更改拉索的平面坐標及長度參數就能實現全橋76根斜拉索模型的建立。建成后的主梁及拉索模型見圖6。

2.3 BIM核心模型

當群樁承臺、主塔、主梁與拉索等族模型全部建立完成后，再將它們載入Revit同一項目文件中，根據各構件之間的空間位置關系，調整軸網及標高，最終形成了潮白河大橋的全橋BIM模型，見圖7。

3 施工過程模擬

3.1 總體施工方案模擬

本斜拉橋按照自下而上、先中間后兩邊的施工順序，首先施工樁基承臺、塔柱、橫梁，再采用支架法施工0號塊和1號塊，然后分節段懸臂澆筑各主梁梁段，最后施工合龍段，完成橋面鋪裝。

將本文建立的BIM核心模型導入Navisworks中進行分析處理，利用TimeLiner功能將模型構件與時間維度相關聯，形成4D模型，從而進行施工過程模擬。本文用關鍵幀展示施工模擬過程，圖8為斜拉橋總體施工方案的4D施工模擬。

對于樁基礎，首先施工鉆孔平臺，然后采用旋挖鉆機鉆孔施工。由于承臺埋深較大且此處地下水豐富，承臺采用鋼板樁支護施工。主塔塔柱分節段施工，共分為17個階段，采用液壓爬模施工，混凝土采用高壓混凝土輸送泵傳送。上、中、下橫梁均采用支架法施工。主塔墩布置兩臺6015型自升式高塔吊和一臺施工電梯配合施工。主梁Z0,Z1,Z21號梁段采用支架現澆施工，Z2～Z19 號梁段采用4前支點掛籃對稱懸臂施工，Z20為合龍段，采用支架法施工。Z0和Z1號梁段施工完成后安裝前支點掛籃，進行1號拉索掛設施工，錨固端設在主梁上，張拉端設在塔柱內。此后，利用掛籃懸臂澆筑后續梁段，對稱張拉斜拉索，直至合龍。

3.2 關鍵施工工序模擬

針對特殊施工工序的專項方案進行模擬和分析，清晰地把握施工過程中關鍵工序的施工難點和要點，從而提高施工質量和效率，確保施工專項方案的安全性，指導施工現場科學施工。

主塔施工完成后進行Z0,Z1號塊支架的搭設，采用支架法澆筑施工。支架采用便于組裝和拆卸的鋼管和型鋼，其上鋪設貝雷梁在支架搭設完成后，先對主梁范圍內的下橫梁及塔柱進行鑿毛處理，并檢查預埋構件，以確保塔、梁固結質量，然后鋪設方木、安裝模板、綁扎鋼筋，最后進行混凝土澆筑。

施工工藝流程如下：鋼管立柱施工→吊裝工字鋼→安裝貝雷梁→鋪設方木→立模、綁鋼筋→混凝土澆筑。圖9為Z0,Z1號塊支架法施工模擬。

3.3 可視化施工進度管理

將潮白河大橋全橋模型導入Navisworks軟件中，借助TimeLiner功能，按照施工組織設計中的施工進度計劃，將模型信息與計劃時間相關聯，實現4D施工進度管理，還可自動生成施工進度甘特圖。通過4D模擬，能夠形象直觀地了解施工進度情況，對施工進度進行有效管控。

4 結語

本文采用BIM核心建模軟件Revit，對潮白河大橋進行參數化建模，建立了IFC標準下的斜拉橋核心構件族庫，然后載入同一項目文件中，根據各構件的平面坐標及空間位置關系進行拼組，建立了包含完整工程信息的潮白河大橋BIM模型。

將BIM模型導入Navisworks軟件中進行分析，通過TimeLiner功能使模型構件與時間維度相關聯，實現了斜拉橋施工過程的4D模擬。根據施工組織設計，具體完成了潮白河大橋總體施工方案的模擬、主梁0號塊與1號塊的支架法現澆施工模擬，使施工過程與施工進度變得可視化。

[1] Nour M.A dynamic open access construction product data platform[J].Automation in Construction,2010(19):407-418.

[2] Golparvar F M,Savarese S,Pena M F.Automated model-based recognition of progress using daily construction photographs and IFC-based 4D models[C].Construction Research Congress,2010：51-60.

[3] Porwal A,Hewage K N.Building information modeling partnering framework for public construction projects[J].Automation in Construction,2013(31):204-214.

[4] 張建平,曹 銘,張 洋.基于IFC標準和工程信息模型的建筑施工4D管理系統[J].工程力學,2005,22(S1):220-227.

[5] 張建平,李 丁,林佳瑞,等.BIM在工程施工中的應用[J].施工技術,2012,41(371):10-17.

[6] 張建平,范 喆,王陽利,等.基于4D-BIM的施工資源動態管理與成本實時監控[J].施工技術,2011,40(4):37-40.

[7] 馬也犁.BIM技術在非對稱外傾拱橋施工中的應用研究[D].成都:西南交通大學,2016.