BIM技術在轉體橋施工中的應用

張裕超 張學鋼 李立功

摘 要：為了發掘BIM技術在橋梁施工中新的應用點，拓展其在橋梁施工中的建模功能，解決鋼筋間的碰撞與沖突等問題，發揮其對施工現場的指導作用，以銀西鐵路跨定武高速公路立交連續梁工程為例，對全橋進行BIM技術建模，搭建施工管理平臺，在施工現場應用BIM技術測量橋體變形，并對橋體進行定位，處理施工現場問題。得到了球鉸的精確定位，實現了施工資料的上傳、下載、保存以及對施工進度的實時監管操作，真正地將BIM技術應用于施工現場，體現了現場管控平臺較強的時效性和操控性，確保了橋梁的順利轉體，保證了工程質量，拓展了BIM技術在施工現場中的應用，為同類施工現場管理提供參考。

關鍵詞：橋涵工程；BIM技術；轉體橋；測量變形；現場管理平臺；管控技術

中圖分類號：U284 文獻標志碼：A

文章編號：1008-1534（2018）05-0341-07

建筑信息化模型（building information modeling，簡稱 BIM）以三維數字為基礎，集成了建筑工程項目各項相關工程數據模型，是對工程項目設施實體與功能特性的數字化表達，更是一種以虛擬設計與建造（即可視化設計和施工） 為核心的項目信息載體[1]。BIM技術的應用涵蓋工程可行性研究、設計、施工、運營管理、養護與拆除等階段的全壽命周期。與其他技術相比，該項技術具有建模精度高、模型立體化強、工藝模擬性好、工程可視效果好等優勢。

隨著BIM技術在房建領域的廣泛應用，越來越多的人關注BIM技術在橋梁工程方面的應用。國外學者最早利用BIM技術，將二維CAD圖紙轉變成三維立體圖逐漸延伸至橋梁的設計，再把BIM技術應用到橋梁施工中，結合不同的建模軟件、管理平臺進行材料、機械設備與施工進度的管理。有學者在韓國開展了BIM技術在橋梁工程施工中的應用研究[2-5]，他們以正在建造中的主跨為327 m的Cheongpoong斜拉橋為基礎，進行可視化設計與施工，進行成本分析，碰撞檢查，有效地驗證了BIM技術應用的可行性。

國內學者對BIM技術的研究起步較晚，且主要應用在房建工程中，用于解決碰撞檢查、圖紙設計、查錯、工程量復核等問題。多數研究者在橋梁施工中應用BIM技術，將BIM技術在房建中的應用進行延續，研究與應用的價值點在于翻模精度、沖突分析與施工工藝的優化等。洪磊[6]介紹了BIM技術在橋梁工程中的應用情況，總結了BIM技術在橋梁工程中的探索成果，并以竹水橋和鄂東長江大橋為例介紹了BIM技術在設計和結構安全管理中的應用。曾紹武等[7]在連續梁施工中運用BIM技術，實現了橋梁主要部件與鋼筋的精細化建模，較好地解決了施工圖紙復核與材料用量核算問題、鋼筋與預應力管道碰撞以及冷卻水管與鋼筋碰撞檢查問題，取得了良好的應用效果[8-11]。隨著應用技術的不斷發展與企業要求標準的提高，有研究者提出了現場管理平臺搭建理念，初步探索了橋梁全生命周期管理模式，構建了項目總體規劃流程和全生命周期信息管理模型[12-13]。張為和[14]依托夜郎河大橋的施工提出了開發BIM構建、組織計劃仿真和現場管理平臺應用3個階段的功能，對BIM技術的運用與橋梁施工的深度融合進行了探索。馬少雄等[15]首次在夜郎河雙線特大橋施工中開發了基于大跨度鋼管混凝土拱橋施工的BIM技術應用平臺，該平臺具有施工信息、施工進度、物資及安全質量管理等功能，顯著提升了高速鐵路項目的建設管理水平。

1 概述

1.1 工程概況

跨定武高速立交特大橋（以下簡稱定武連續梁）位于鹽池縣。起止里程DK506.097-DK507+300.6，全長1 203.2 m。橋為排洪兼立交而設，全橋共有34個橋墩、2個橋臺，孔跨布置為2[21-32 m+（40+64+40） m連續梁+11-32 m梁]，其中簡支箱梁采用集中預制架設施工，連續梁采用轉體施工。21號橋墩至24號橋墩（40+64+40）m鋼筋混凝土連續梁全長145.5 m，與定武高速斜交，斜交角度約70°。連續梁基礎采用樁基礎，橋墩為圓端形實體墩，上部結構為變截面單箱單室箱梁結構。本橋在22號主墩和23號主墩上下承臺之間設置轉動球鉸，是橋梁轉體的主要結構。主梁在平行于高速公路兩側采用滿堂支架現澆施工，現澆完成后形成2個長62 m的T構，然后沿順時針方向轉體70°合攏。該轉體連續梁為銀西鐵路全線唯一一座轉體連續梁，轉體施工中運用的活性粉末混凝土球鉸為國內首例。此橋梁臨近高速公路，工程量大、持續時間長。

就橋體本身而言，轉體質量大（單個橋梁轉體結構質量50 000 kN），采用滿堂支架法搭設的工程量多，

現場監控點多、轉動角度大，對轉動體系的精度要求也高。跨定武高速立交特大橋BIM模型圖見圖1。

1.2 BIM技術應用的目的

定武連續梁采用轉體施工，橫跨高速公路，同時為銀西鐵路全線唯一一座轉體連續梁，社會影響大，給項目的施工與現場管控帶來一定的挑戰，運用BIM技術可以從以下2個方面解決問題。

第一，定武連續梁在轉體施工中運用的活性粉末混凝土球鉸為國內首例，與傳統的鋼球鉸相比，由于RPC混凝土強度高，可有效減少球鉸尺寸，也同時意味著轉動體系的定位至關重要。運用BIM技術可以對球鉸、滑道提前建立精準的轉動體系模型，并根據施工圖紙，預先設定好轉動體系高程坐標與大地坐標，為測量定位提供準確的依據。

第二，單個轉動T構長62 m，且采用滿堂支架法施工T構，相比掛籃施工，雖然工藝簡單，但是現場混凝土澆筑方量多、鋼筋綁扎工程量大、工作面小、工作持續時間長、施工人員多，同時臨近高速公路，為保證工人人身安全，實現高效施工，通過BIM技術與現場管理平臺，可以達到在第一時間關注施工進度，及時反饋施工問題，提前預警等施工目標。

通過BIM技術的運用可以預先做好風險分析、任務安排與數據查閱，確保在施工節點期內圓滿完成橋梁轉體。

2 BIM技術建模與管理平臺搭建

2.1 全橋BIM模型的構建

定武連續梁位于直線段，但存在橋梁轉動體系需精準定位、全橋豎曲線、滿堂支架變形監控點多等施工難點。為快速、精準建模，方便后期橋梁物理信息的添加、管理與修訂，采用參數化的建模方法，利用Revit建立全橋的BIM。在轉動體系中，依據圖紙坐標定位放樣，同時將箱梁豎曲線要素建模時依托族元素進行參數化處理的結果換算至模型中，使模型更加貼近真實橋梁，為后續轉體的高程定位量測做準備。

圖2 a）為未加入曲線要素的情況，b）為加入曲線要素的情況，模型本身發生變形。

2.2 轉動T構精細化建模

根據施工圖紙，轉體T構采用滿堂支架施工，其中梁段1長30 m，梁段2長16 m。鑒于施工橋梁長度大、截面面積大、鋼筋數量多，在施工過程中采用精細化建模，這為鋼筋與鋼筋沖突、鋼筋與預應力管道沖突等碰撞檢查節省了時間，提高了效率，縮短了施工工期。

在利用Revit軟件進行建模過程中，對照CAD設計圖和三維BIM信息模型（見圖3），審查圖紙中存在的問題。主要問題涵蓋 2類：第1類是鋼筋尺寸設計錯誤，共計42處；第2類是鋼筋與預應力管道沖突，共計115處。如在梁段1中，圖號14銀西施橋（特變）-78-11箱梁施工步驟示意圖中N31鋼筋大樣尺寸有誤（見圖4），如按圖下料后鋼筋將外漏，需提前把鋼筋直線段縮短10 cm，確保彎鉤長度形狀不變，達到了保護層厚度要求。圖號8銀西施橋（特變）-78-05箱梁縱向鋼束布置圖中，普通鋼筋N6-1與底板波紋管BD4存在沖突，為滿足施工技術要求，在預應力管道安裝前，需先挪動普通鋼筋3.5 cm，保證預應力管道安裝后定位準確且不存在沖突（見圖5）。提出的優化方案得到企業的認可并得以應用。

2.3 現場施工管理平臺搭建

鑒于后期駐場期間施工管理平臺的運用與管控，筆者作為駐場技術負責人與技術團隊協商后確定以魯班公司的BIM管理平臺作為駐場的重要管控手段，該軟件具有兼容性強、穩定性好、數據關聯性強、移動APP端方便查閱等優點（見圖6）[16]。權限人員與數據端口需提前設定，現場施工技術人員可隨時查閱工程問題，并將資料通過PC端或移動APP端發送至云平臺，方便項目負責人的審閱與批示。無權限人員將無法查閱、下載資料，確保了施工技術、科研成果的保密性。

3 BIM技術在定武連續梁施工中的應用

依托定武連續梁項目，基于Revit建模軟件與魯班管理平臺，主要從測量放線定位與高程控制、施工管理平臺的運用等方面進行深入研究，為轉體橋的順利合攏奠定基礎。

3.1 轉動體系的精準定位與高程控制

轉體橋施工中轉動體系的精準定位是決定轉體施工的重要因素。定武連續梁轉體角度大、轉動時間長，則需要對球鉸進行雙向控制，以保證后期轉體的需求。傳統方法是球鉸定位時預先算出大地坐標與高程，再進行控制點施工放樣，預埋鋼筋定位、滑道骨架定位、下球鉸定位、滑道安裝、上球鉸定位等工序，需要預先選定次控制點，然后在不同的施工工序內選擇次控制點進行精準定位，與施工技術人員的理論水平、實操水平、現場施工經驗有著很大關系，同時控制點選擇的合理與否是決定轉動體系施工質量的關鍵，一般現場會選取較多的控制點（10個以上），增加了復測、校核的任務。

首先，采用BIM技術按照圖紙進行精細化建模；其次，在模型拼裝前在Revit中預先定位轉動體系坐標、高程值；最后，利用Revit中的標高測量工具，直接拾取球鉸定位架、球鉸、滑道等轉動體系結構的高程值與坐標，與設計圖紙相比誤差為0。與傳統方法相比，采用BIM技術在測量定位時工人將不再記錄數據，可根據現場實際情況選擇主次控制點，同時由駐場人員或工人通過手機端直接點擊選取所需結構的監控點，提取相應數據進行測量定位（見圖7）。由于模型是基于圖紙建立的，精度滿足設計施工規范要求，故可直接提取調用，減輕了技術人員的復核工作量，減少了工人的勞動量。

定武連續梁轉動單個T構長，由長30 m的梁段1與左右各長16 m的梁段2組成，合計總長為62 m，且為了加快施工進度并滿足跨越高速公路的高程控制要求，采取滿堂支架法進行現場施工（見圖8）。由于可能存在著地基變形、滿堂支架變形量大等不利因素，對梁體高程的控制至關重要。將橋梁豎曲線要素參數化處理之后，利用Revit中的標高測量工具，對橋梁高程進行逐項校核，從而得到準確且符合現場實際的標高數據，再反算至模板定位標高處，用以指導現場施工中的模板定位工作。由于該處模型是根據設計圖紙建立的，故能夠契合設計圖紙要求，再通過現場對該處標高的復測，與三維模型對比，能夠進一步使所建立的三維模型符合現場實際。提取連續梁轉體前后模型數據，并且與現場施工高程進行比較，圖9與圖10顯示橋梁轉體前后橋梁中軸線、邊線等部位的高程數據差值。施工數據滿足規范要求[17]，轉體后誤差都集中在3 mm以內，表明該橋梁BIM模型的高程與坐標定位具備較高的精度，可指導現場施工。

3.2 現場施工全方位管控

BIM技術的應用落腳點在于現場管控，沒有現場施工的全方位管控，BIM技術的指導作用將無法充分發揮，甚至形同虛設。為了最大程度地體現BIM技術的作用，選擇國內大型BIM技術服務管理平臺——魯班BE與BV，對施工人員、現場施工問題、施工進度、施工臺賬等進行管控，有效地促進了BIM技術在橋梁施工中的運用。

3.2.1 現場施工人員的管控

轉體橋施工作業面小，為保證工人的有效施工與安全管控，筆者利用施工管理平臺制作個人管理二維碼，其內部信息涉及個人資料、聯系方式、近期培訓內容等相關數據。該二維碼具有信息的保密性和定位的準確性，非權限人員無法查閱其具體信息，技術交底、施工日志等資料也可制作成相應的二維碼（見圖11），同時架設監控攝像頭與監控大屏，監控大屏由電腦控制，在電腦上安裝施工管理平臺并在管理平臺模型指定位置處關聯監控攝像頭，實時展示施工場所范圍內每個人的基礎信息與工作場景，既便于施工工友與技術人員的位置定位，確保其安全性，又便于從側面監控工程進度與工作效率（見圖12和圖13）。

3.2.2 現場問題的管控

現場施工情況復雜多樣，盡管BIM模型建立得非常精確，但是由于施工人員的操作水平、方法、現場天氣等因素的影響，施工質量可能與設計標準、模型數據有差別。作為現場技術負責人，BIM技術應用團隊成員需及時發現問題，并將問題進行上報與總結登記，通過管理平臺程序推送短信或郵件提請審批，決策者即使不在現場，也可清晰地看到存在的問題并撰寫審批意見或建議，通過系統將意見反饋給信息推送者，使現場施工問題在第一時間得到解決。管理平臺涉及問題整改、階段報告、方案審批、方案會簽、現場簽證、圖紙變更等多達12個項目，確?，F場施工中可能存在的任何問題都可歸類劃分，并審批報送。管理平臺還可以管理與保存全部數據，保證施工資料的真實性、過程性與完整性（見圖14）。

3.2.3 現場進度的管控

根據每日施工進度將施工日志、臺賬、技術交底等資料及時上傳至管理平臺，既方便了領導層對現場施工進度的實時掌控，又方便了施工工友查閱相應技術交底，同時可將上報業主的施工日志、臺賬等資料保存。技術人員填寫下載后即可生成對應資料的電子版，還可打印留底備查，避免了二次填報，減少了技術人員的工作量（見圖15）。

4 結 語

通過將BIM技術運用于跨定武高速公路立交特大橋項目的球鉸精準定位、滿堂支架搭設與變形高程控制、箱梁高程控制、鋼筋與預應力管道沖突解決與現場施工管理，實現了橋梁施工過程的精細化管理，減少了測量放樣的工作量，優化了管道沖突，實現了施工現場的實時監管、施工資料的妥善保存，提高了工程質量，縮短了施工工期。該橋于2017-08-18成功實現轉體對接，為基于BIM技術與現場管控的類似橋梁施工提供了成功的范例。筆者下一步的工作是將本文中采用的管理平臺與鐵路工程管理平臺進行鏈接，保證施工數據的一致性與關聯性，進一步完善BIM技術與現場管控。

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