正向三維設計技術在長安大橋施工中的應用

(1. 北京城建道橋建設集團有限公司，北京 100124； 2. 北京公聯公路聯絡線有限責任公司，北京 100036)

目前BIM技術已廣泛地應用于工程建設中，尤其是在異形結構建筑中發揮了極其重要的作用。但正向三維建模及施工階段的三維設計的應用并不廣泛，傳統建筑翻模不足以支撐異形復雜結構建造中的BIM技術的實施應用。長安大橋工程大量運用了非一致曲率曲線形成的空間彎扭鋼塔以及變截面鋼梁，給工程建造帶來了巨大的挑戰。本工程施工階段運用三維設計技術，實現了結合BIM技術的高效施工深化，實現了全過程地數字化建造。本文通過對長安大橋施工中三維設計的應用實例的介紹，以期為類似工程提供借鑒[1-3]。

1 工程概況

長安大橋又名長安街西延跨永定河特大橋，是長安街西延項目的標志工程，設計意向為“合力之門”(見圖1所示)。主橋跨越西六環、蓮石湖公園、永定河、豐沙鐵路，與永定河斜交57.4°，主橋全長639m，主跨280m，鋼梁最寬處為54.9m，為大橫梁連接的分離式鋼箱結構。鋼塔為邁步空間非一致傾斜的橢圓拱形結構，最大塔高(高塔)為124.26m，斷面尺寸為15m×15m至4.6m×3.3m漸變。

圖1 長安街西延長安大橋效果圖

2 基于BIM 技術建立鋼結構安裝及檢驗控制技術與系統

2.1 基于BIM的空間鋼結構預拼裝理論與技術

項目基于BIM技術，通過施工正向建模在設計模型基礎上進行施工深化模型的建立，建立空間鋼結構參數化拼裝BIM標準構件模型和預拼裝BIM模型以及輔助構筑物模型，形成不同的施工工藝的空間鋼結構BIM模型數據庫[4-5]；結合IT技術，對設計模型與實體構件模型進行對比，研究模型比對中坐標系的轉換和控制點的設置等問題，分析結構接口間隙與錯邊量誤差，修正設計理論BIM模型，得到可用于預拼裝的包含加工實體精確數據的施工BIM模型；同時引入蒙特卡羅隨機理論，對結構的參數進行統計和歸納，研究空間鋼結構關鍵參數的概率分布類型和數字特征，建立基于BIM的空間鋼結構預拼裝可靠性評估模型[6-7]；綜合以上成果，建立基于BIM的空間鋼結構預拼裝理論，形成可用于工程應用的成套預拼裝技術[8]。

2.2 實現空間鋼結構安裝過程時變分析與仿真技術

基于正向三維施工深化設計的成果，采用有限元分析方法，對鋼結構安裝全過程、拼裝節點及特殊受力點等關鍵點處的內力分布規律、受力機理及相關參數的影響進行分析；在此基礎上，形成全面反映鋼結構性態隨時間演化的模型庫，結合仿真分析與模擬，得到最優的仿真模擬方案，對空間鋼結構安裝全過程進行時變分析，形成合理的時變分析方法；基于BIM可靠性評估模型，進行空間鋼結構安裝過程的時變可靠性能分析，建立以承載力、變形和安裝誤差等多種指標下的失效模式方程，分析鋼結構安裝過程的失效機理和可靠性，構建基于結構失效概率和可靠度指標的安全判斷準則和評估分級；通過空間鋼結構安裝過程中的偏差統計，建立相應的空間鋼結構誤差預調標準，從而修正已有待安裝BIM鋼構件模型，建立基于BIM的空間鋼結構安裝全過程的動態跟蹤控制體系及仿真分析系統。

3 基于三維設計與BIM技術的解決項目建造難點的應用

(1)針對塔梁、墩固結處的塔梁結合區錨拉桿安裝精度高，大型構件就位難度大以及超大承壓板薄層后注漿質量要求高的難題，項目基于三維設計建立工程施工三維模型，采用BIM模擬技術[9]、孔組誤差理論、仿真分析技術等手段制定解決工藝。

1)根據設計模型與BIM工具進行安裝模擬，分析塔梁墩固結處就位的影響因素，采用群孔誤差理論分析，確定錨拉桿加工、安裝、承壓板開孔的誤差要求，根據誤差要求進行有限元分析設計錨拉桿定位架并進行確保定位架剛度與強度，為方便施工設計新式組合定位架體系，對定位板采用精密加工，確保錨拉桿安裝位置偏差符合要求；

2)對于大型構件就位難題，采用DELMIA對設計模型進行模擬安裝，制定切實可行的就位方案，根據設計模型進行吊耳深化設計，并且研制新型激光對準設備確保測量準確性與就位姿態調整精度；

3)對于超大承壓板薄層后注漿質量要求高的難題，采用仿真分析與實體試驗相結合的方式進行解決。根據設計模型與設計要求，采用CATIA與專業流體分析方法對注漿過程進行仿真分析，并設計分節段的實體注漿試驗對仿真分析結果進行驗證，最終實現理論分析與實體試驗的吻合，根據分析與試驗結果制定施工方案。

(2)針對非一致曲率曲面高強度板單元高精度加工的難題，通過對設計模型的深化設計與數字化加工結合，并通過實體試驗進行驗證總結的方式進行研究。

1)使用CATIA對設計模型進行深化設計，對非一致曲率曲面板單元進行精確展開指導加工下料、合理布置板單元成型控制點從理論上確保加工精度；

2)根據理論分析結果，制定實體加工試驗加板單元試驗件，對加工的試驗件進行檢驗，最終實現理論分析與實體試驗的吻合，根據分析與試驗結果制定加工方案。

(3)針對空間彎扭鋼塔節段安裝過程中吊裝位形、節段就位、支架體系變形與索塔變形的精確調整與控制的難題。

1)采用BIM模擬技術安裝模擬技術模擬吊裝過程，確定鋼節段吊裝理論位形，應用研發的新型吊索具對實際吊裝中節段的位形進行精確控制，確保安裝過程中吊裝位形；

2)利用“生死單元”有限元計算方法，對安裝過程中索塔與支架體系的協調變形與受力進行分析，并通過多種校核方法復核結果，確保分析結果與實際工況相符合[10]；

3)根據理論分析結果，采用“正拆倒裝法”確定索塔安裝過程中的預拋高值，使用預拋高的方法實現索塔變形的精確調整與控制。

4 三維設計建模在長安大橋應用中的問題和經驗總結

(1)三維設計建模容易出現的誤區

1)只能有了全部圖紙才能建模；

2)建模只是將圖紙的二維信息轉化成三維模型；

3)建模應該一次性全精度建模；

4)模型的幾何外表就是模型質量；

5)軟件什么都能實現。

(2)容易出現錯誤的地方

1)建模使用的軟件版本、數據交互格式以及交互規則；

2)建模的結構樹的劃分原則；

3)將所有相關的模型繪制到一個文件中；

4)在建復雜模型時，所有內容均使用的原本軟件定義的顏色；

5)在建復雜模型時，不注重模型的命名方式。

(3)應對辦法

1)建模應該一定圖紙的前提即可開始對現有圖紙進行確認問題，這樣可以及時更正圖紙問題，一般按圖紙類型進行分類建模，先修改單類圖紙中的問題，再糾正綜合各專業圖紙的問題比較合理；

2)建模類似一種圖紙審核的手段，可以提高新員工的圖紙的理解，同時更加利于圖紙問題的說明；

3)建模應該結合項目情況，分梯度進行建模，這樣不至于圖紙更新后大面積的帶來模型重復制作的情況；

4)模型的質量應該分為層級架構、幾何精度、屬性信息以及是否方便查找檢索等方便。

(4)軟件是基于實踐的產物，基于當前硬件以及應用環境的考量，必然有一定的適用范圍

1)建模使用的軟件版本、數據交互格式以及交互規則應當在建模之初盡量確定下來，過程盡量減少變更，降低交互的門檻；

2)建模的結構樹的劃分原則應當充分考慮分部分項以及施工工藝順序；

3)將所有相關的模型繪制到一個文件中是一般高效的建模方式，帶來的問題就是建?？赡苣Ｐ蛿祿窟^大，對硬件要求過高，且后續可修改時繁瑣程度增加，應當在建模時考慮模型后續的應用環境后規范下來，提高模型的使用效率；

4)在建復雜模型時，顏色過濾是一個常用的手段。可以根據規則編制相應顏色應用標準，來提高模型辨識程度和過濾效率；

5)通過建立相應的建模命名規范，提高模型的可讀性。

5 結語

隨著中國城市化進程的加快和經濟的迅速發展，未來大型場館、交通樞紐、工業廠房以及商務高層建筑的投資將不斷加速，中國鋼結構的市場規模還將穩步增長，以及BIM技術的廣泛應用如何有效地提高BIM技術應用的水平成為從業者的目標。由三維模型設計技術引出的建筑模型正向建模就是完成BIM技術應用水平提升的基礎，數字仿真技術及三維掃描技術、數字模擬三維掃描虛擬預拼裝技術等BIM技術的進一步的深度應用，都將以正向工程建模為基礎它對于BIM技術應用的升級有著十分巨大的意義。

本文以長安大橋項目通過此次實踐有效地提高了項目團隊的BIM技術的應用水平。從實際需求出發展開的BIM技術應用實踐，取得了良好的應用效果，不僅優化降低了施工成本，同時為工程的建造節省了資源、縮短了工期、創造了可觀的社會價值。