高速鐵路系桿拱橋BIM技術(shù)研究

謝興定

摘要： 為使高速鐵路某系桿拱橋在施工階段實現(xiàn)信息化，建立了全橋BIM模型，進行了主要施工階段復(fù)雜構(gòu)件的碰撞檢查，避免了工程事故的發(fā)生，實現(xiàn)了三維出圖，4D虛擬施工，場施工測量中密切結(jié)合BIM模型提供的三維數(shù)據(jù)進行核對，不僅實現(xiàn)了三維可視化放樣模擬，而且提高了放樣精度；BIM技術(shù)運用在拱肋施工監(jiān)控中，利用可視化指導(dǎo)了拱肋的定位拼裝，使其更接近設(shè)計值；實現(xiàn)了BIM的物理模型與有限元軟件ANSYS的計算模型進行轉(zhuǎn)換，減少了工程師建立ANSYS模型的工作量，實現(xiàn)了三維可視化模型與ANSYS有限元模型之間的及時轉(zhuǎn)化，可極大地減少ANSYS有限元建模時間；其與GIS的集成基本實現(xiàn)了宏觀區(qū)域性管控基礎(chǔ)建設(shè)信息的能力。結(jié)果表明：通過BIM技術(shù)的應(yīng)用，提高了高速鐵路系桿拱橋施工建造過程管理的信息化水平，可為同類工程BIM技術(shù)應(yīng)用提供借鑒。

Abstract： In order to make tied arch bridge of high-speed railway informational in the construction phase， we used BIM technology achieving the goal of impact checking， three-dimensional map， construction monitoring， 4D virtual construction in engineering； The BIM technology in the construction survey provides a powerful three-dimensional visualization effect to control the setting error more accurately； BIM technology is used in the construction monitoring of arch ribs， which accurately guides the positioning and assembling of the arch ribs to make it closer to the design value； The combination of the physical model of BIM and the calculation model of the finite element software ANSYS makes the numerical analysis more accurate and greatly improves the computational efficiency； Its integration with GIS basically realizes the capability of macro regional management and control of infrastructure information； The results show that it improves the informatization level of the construction process management of high-speed railway tied arch bridges by using BIM technology， and it provides some reference value for the application of BIM technology in such bridge engineering.

關(guān)鍵詞： 高速鐵路；BIM；施工監(jiān)控；有限元；GIS；信息化管理

Key words： tied arch bridge of high-speed railway；BIM；construction monitoring；finite element；GIS；information management

中圖分類號：TU17 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）18-0163-03

1 概述

BIM即Building Information Modeling，意為建筑信息模型，是以建筑工程項目的各項相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息，通過三維建筑模型，實現(xiàn)工程監(jiān)理、物業(yè)管理、設(shè)備管理、數(shù)字化加工、工程化管理等功能，被業(yè)界視為繼CAD之后建筑行業(yè)的第二次革命[1]。它具有信息完備性、信息關(guān)聯(lián)性、信息一致性、可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性八大特點[2]。

建筑業(yè)信息化是建筑業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，也是建筑業(yè)轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、提質(zhì)增效、節(jié)能減排的必然要求，對建筑業(yè)綠色發(fā)展、提高人民生活品質(zhì)具有重要意義[3]。

從長遠看，BIM技術(shù)必將引領(lǐng)建筑信息化的發(fā)展潮流，從各個方面很大程度的提高土木工程信息集成化的程度[4]。

2 BIM技術(shù)應(yīng)用

2.1 BIM三維出圖

本文以一座高速鐵路尼爾森體系系桿拱橋的建造過程為例，闡述了BIM在橋梁工程中的具體應(yīng)用。本橋計算跨徑為128m，拱肋采用懸鏈線線型，拱肋在橋橫向內(nèi)傾9°，形成提籃式。吊桿布置采用尼爾森體系。拱肋構(gòu)造復(fù)雜，安裝精度要求高，同時也具有很高的技術(shù)風(fēng)險。使用BIM技術(shù)后，利用BIM技術(shù)的自身優(yōu)勢，可在一定程度上降低上述風(fēng)險隱患，為安全施工提供技術(shù)保障。

圖1為采用Bentley-Prostructure軟件建立的系桿拱橋三維BIM可視化模型，對于復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)利用BIM模型的三維表達較傳統(tǒng)二維圖紙更清楚、更易理解。

通過進行參數(shù)化三維實體模型的建立可以很方便的依據(jù)實際需要進行優(yōu)化調(diào)整，能夠直觀地將設(shè)計理念及效果以三維可視化模型為載體傳遞給項目決策者 [5-7]，使用三維出圖可視化技術(shù)進行交底及作業(yè)指導(dǎo)如圖2所示，使管理人員能及時了解施工工藝，將建設(shè)單位、設(shè)計單位、施工單位、監(jiān)理單位等項目參與方置于同一平臺上，共享同一建筑信息模型[8]。

2.2 BIM碰撞檢測技術(shù)

在以往的工程設(shè)計中，某一工程項目往往由多個專業(yè)、多個設(shè)計人員共同參與設(shè)計完成，由于二維圖紙僅由設(shè)計模型在某一平面內(nèi)的投影所生成，受限于設(shè)計人員的空間想象力，不可避免地會造成體積碰撞沖突。一般情況下，都是在施工過程進行中才發(fā)現(xiàn)問題然后返工。

BIM技術(shù)最明顯的特征就是三維可視化，可以在施工前期、中期進行碰撞檢查，徹底地消除碰撞隱患，避免設(shè)計變更及返工。在BIM模型建立過程中發(fā)現(xiàn)，根據(jù)設(shè)計院給出的吊桿上下錨頭坐標(biāo)，內(nèi)外吊桿下部發(fā)生了碰撞且拱肋與梁端之間吊桿穿過不在一條直線，如圖3所示。與設(shè)計院溝通后更正了設(shè)計方案成功避免了返工。

2.3 施工測量中的BIM技術(shù)

放樣一直在測量學(xué)科中占據(jù)很重要的位置。就其數(shù)學(xué)原理和精度的控制其實早就發(fā)展得很成熟了，同時也有很多成熟的方法。隨著BIM應(yīng)用的不斷深入，使得放樣的作業(yè)理念也發(fā)生了革命性的變化。以往放樣時使用的多數(shù)是二維的圖紙，在放樣前需要對放樣數(shù)據(jù)進行計算和整理，放樣點之間的幾何關(guān)系和相對位置不清楚。但是BIM技術(shù)的引入使得放樣過程變得更加簡單，配套相應(yīng)測量設(shè)備和BIM圖紙就可以在三維模型中直接導(dǎo)出坐標(biāo)值，直觀地將待放樣點位直接放樣出來[9]。

通過將系桿拱橋BIM模型移動至放樣點處，其所有結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)就轉(zhuǎn)換到了施工單位使用的大地坐標(biāo)中，例如可導(dǎo)出吊桿下錨塊處坐標(biāo)，見圖4。

通過分析，發(fā)現(xiàn)理論計算大地坐標(biāo)結(jié)果與BIM導(dǎo)出大地坐標(biāo)結(jié)果相一致，兩者誤差不大于1mm，滿足施工放線要求[10]。

2.4 施工監(jiān)控中的BIM技術(shù)

施工監(jiān)控是橋梁工程中不可或缺的一部分。BIM是一個具備強大的信息集成的容器，將施工監(jiān)測信息按照特定規(guī)則進行動態(tài)的集成和存儲，可以加強對監(jiān)測信息的有效管理，提高信息的統(tǒng)一性和條理性，即此時BIM己成為施工監(jiān)測信息管理和共享的平臺，為施工的決策提供支持 [11]。

橋梁施工控制的任務(wù)就是控制橋梁結(jié)構(gòu)在施工過程中的穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)變形等始終處于一個合理的范圍內(nèi)，確保成橋線形和結(jié)構(gòu)內(nèi)力符合設(shè)計要求[12]。

將拱肋測點相對坐標(biāo)值導(dǎo)入BIM模型中，各測點分別在模型中標(biāo)出，將相對坐標(biāo)進而換算到全局坐標(biāo)中，通過在模型中計算可得出各個測點在理論狀態(tài)中全局坐標(biāo)中的坐標(biāo)，將理論坐標(biāo)和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行比較分析，當(dāng)數(shù)據(jù)分析后誤差在范圍以內(nèi)，方可進行下一節(jié)段拱肋拼裝；當(dāng)測點的實測坐標(biāo)超出誤差范圍，開始進行糾偏措施，圖5為基于BIM的拱肋線性監(jiān)控。

施工監(jiān)控組織設(shè)計應(yīng)用BIM技術(shù)的4D虛擬施工特性，不僅可以更直觀的三維展現(xiàn)施工進度信息，更可以結(jié)合工程量信息整合項目成本控制，使施工備料、人力資源安排、資金與進度控制等方面得到動態(tài)精細化管理[13]。圖6為拱肋施工動態(tài)模擬，以動畫形式模擬施工步驟，方便施工技術(shù)交底及計劃進度安排等。

2.5 BIM與有限元ANSYS集成

目前BIM技術(shù)各核心軟件缺乏與其他建筑行業(yè)相關(guān)軟件的接口，導(dǎo)致BIM技術(shù)的應(yīng)用仍停留在三維出圖、工程算量、4D工程項目管理等層面上，難以與有限元軟件相結(jié)合來驗證整體設(shè)計方案的安全性。傳統(tǒng)數(shù)值分析中，由于計算軟件模型功能有限，造成了建模工作量大和模型精度不高的問題[14]。將BIM技術(shù)與有限元軟件ANSYS相結(jié)合共同應(yīng)用于橋梁工程中，既能發(fā)揮BIM強大的建模功能，又能運用有限元軟件來精確分析橋梁工程中各個建造階段的安全問題。

通過將建立的拱腳BIM模型以parasolid格式導(dǎo)入大型有限元分析軟件ANSYS，依次賦予鋼管拱肋為shell181殼單元、拱肋內(nèi)混凝土及拱腳混凝土為solid185單元，并賦予各部分其相應(yīng)的材料，施加系梁水平向荷載及拱肋壓力，拱腳底面為不動面約束，劃分網(wǎng)格后進行計算如圖7。

2.6 BIM與GIS集成

地理信息系統(tǒng)即GIS是用于管理地理空間分布數(shù)據(jù)的計算機信息系統(tǒng)，以直觀的地理圖形方式計算、分析和顯示與地球表面位置相關(guān)的各種數(shù)據(jù)[15]。

BIM與GIS集成應(yīng)用，可使大規(guī)模區(qū)域性工程的管理能力得到質(zhì)的提升。BIM的應(yīng)用對象往往是單個建筑物，利用GIS宏觀尺度上的功能，可將BIM的應(yīng)用范圍擴展至道路、鐵路、隧道、水電、港口等工程領(lǐng)域。

GIS的出現(xiàn)為基礎(chǔ)建設(shè)的智慧化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，BIM的出現(xiàn)附著了建筑物的整體信息，兩者的結(jié)合創(chuàng)建了一個可管控大規(guī)模區(qū)域信息的虛擬建筑模型，而這正是智慧建造的基礎(chǔ)[16]。圖8為BIM與GIS集成的鐵路選線開挖圖，精確地定出了高速鐵路線，包括鐵路、橋梁及隧道，且以經(jīng)濟性為目標(biāo)快速地統(tǒng)計了填挖方量，為建設(shè)單位提供了可視化工程量統(tǒng)計平臺。

3 結(jié)論

本文通過對高速鐵路某128m系桿拱橋建立BIM全橋模型，在工程開工前進行碰撞檢測結(jié)果為多處交叉碰撞，良好地預(yù)防了施工階段返工及設(shè)計變更問題；在施工過程中，利用BIM模型的精確坐標(biāo)定位指導(dǎo)施工放樣，極大地減少了各種人為誤差；把BIM模型與實測信息實時關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)監(jiān)控信息在BIM模型中直觀的展示，優(yōu)化了進度安排，提高了決策效率。BIM與有限元軟件ANSYS的聯(lián)合應(yīng)用提高了施工過程階段可視化，及有限元模型生成的效率，BIM與GIS的集成將為建成以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的智慧建造與運維管理提供了可行性，也為工程順利地進行提供了數(shù)字化安全保障。

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