基于BIM工具的鋼橋架設仿真分析

鄧寧

摘要：文章利用建筑信息建模（BIM）工具，根據二維詳細設計圖，精確建立鋼拱橋的三維模型，結合原吊裝方案的吊裝和安裝順序，進行了鋼橋架設4D仿真建模，并對吊裝方案進行了評審和改進，通過推遲部分混凝土的澆筑，及時檢測和糾正了鋼構件與混凝土橋臺的空間沖突。

關鍵詞：建筑信息建模BIM;鋼橋架設;自動沖突檢查

中國分類號：U448.36文獻標識碼：A

0 引言

從概念上講，建筑信息建模（BIM）是指在實際建造建筑物之前，利用成熟的信息技術（IT）在計算機上模擬建造過程，以解決建筑業的各種問題和效率低下的問題[1-2]。BIM具有“分別建模、協同設計、綜合分析”功能，能很好地與建筑行業的各種專業進行融合，因此得到快速的發展與推廣[3-4]。本研究試圖利用BIM工具對某鋼橋的架橋過程進行模擬，驗證了BIM仿真的有效性。

1 工程概況

某π型鋼拱橋，因臺風引發的山體滑坡而損壞，因此需要重新建設。建設項目主要包括五個部分：（1）π型鋼拱橋，總跨度為175（50±75+50） m，寬度為10 m;（2）兩個4 m直徑的基坑，深度為10 m;（3）兩個4 m直徑的基坑支基，深度為20 m;（4）引道擋墻，全長37.5 m;（5）巖錨框架梁邊坡。該項目于2015年12月開工，2017年8月竣工。鋼橋架設需要在施工現場進行一系列工序，包括運輸、順序吊裝和安裝在工廠制造的橋梁構件。由于現場條件遠比工廠復雜，每個過程都非常關鍵，風險也很高。因此詳細的吊裝計劃對于確保其在汛期前成功完成極其重要。

2 研究方法

圖1顯示了本研究中π型鋼拱橋的4D仿真流程。其中，準備工作包括收集全部二維設計圖紙，并使用Revit Architecture軟件將其轉換為三維模型，轉換過程中的所有沖突和誤解需咨詢負責設計的結構工程師，以確認模型的準確性。然后按照原吊裝方案進行4D仿真，該方案由3個步驟組成：（1）信息收集階段;（2）施工仿真模型建模設計階段;（3）橋面吊裝施工仿真模擬階段（如圖1所示）。利用該起重機的特點，提出了一種用于橋梁構件吊裝的三維起重機模型。三維模型和橋下地形都集成到另一個工具（Navisworks）中，為橋梁架設制作4D仿真動畫（4D是指3D維度上加上時間維度）。每一個鋼橋構件都是由該起重機在計算機虛擬模型中進行吊裝，以直觀地檢查空間沖突和人工吊裝的能力。最后由公路局（業主）、結構工程師、總承包商和起重分包商組成的審查委員會討論4D模擬中提出的問題，對實際吊裝工程進行記錄對比分析。

3 仿真流程自動沖突檢查

鋼橋吊裝施工仿真流程的自動沖突檢查是通過Revit Architecture軟件來實現的，主要包括建模（信息轉換）沖突、設計沖突以及部分實際情況無法達到建模條件的沖突。其中，設計沖突對實際工程具有重要指導意義[5]。

3.1 建模沖突

圖1顯示了本研究中用于驗證項目仿真全部的有效性信息，包括鋼橋設計信息、橋面吊裝信息和施工方案，使用Revit Architecture軟件將其轉換為三維模型。轉換過程中的所有沖突和誤解需咨詢負責設計的結構工程師，以減少沖突發生的次數，在后續模擬過程會進一步反饋相關施工過程信息。通過對建模沖突檢查，適當修正相關建模信息，可以自動忽略仿真模擬中的建模錯誤。

3.2 設計沖突

吊裝過程設計是吊裝方案進行4D仿真的基礎。結合起重機的特點，本文提出了一種用于橋梁構件吊裝的三維起重機模型。三維模型和橋下地形都集成到另一個工具（Navisworks）中，為橋梁架設制作4D仿真動畫（如圖2所示），顯示了橋梁架設4D動畫的屏幕截圖，這是Navisworks的一種輸出形式。通過這一動畫過程可以有效地核實起重過程。每一個鋼橋構件都由該起重機在計算機上進行虛擬模型吊裝，以直觀地檢查空間沖突和人工吊裝能力。由公路局（業主）、結構工程師、總承包商和起重分包商組成審查委員會對4D模擬提出的問題進行討論，并對實際吊裝工程進行照片記錄對比。為了避免返工和提高生產率，應當高度重視仿真過程中出現的所有設計沖突，將設計方案進行調整后重新模擬。

3.3 其余沖突

其余沖突是指仿真無法100%地還原實際操作，這時需要由結構工程師仔細審查無法模擬的部分。例如在本文研究的項目中，混凝土橋臺設計成橋外車道曲率超高，設計高約25 cm。然而，本研究所使用的軟件無法模擬鋼構件的物理性質，因此，最后兩個鋼構件的標高根據超高設計進行了調整，以滿足模擬需求，而實際工程則需要工程師反復仔細查看。

本文研究項目通過對Revit Architecture進行自動沖突檢查，共發現7個空間沖突，如表1所示。

4 實際工程中的應用

以本文研究項目為例，最初的吊裝計劃由經驗豐富的工程師進行設計，而吊裝過程仿真一般另外由工程師在咨詢了最初的規劃師后制作成4D仿真模擬，并提出相關吊裝問題，最后由項目組進行評審。吊裝程序在虛擬4D模型中進行了檢查，并與實際現場的后續工作進行了驗證。起重機SCX 2800，吊臂總長為（67.05+12.2） m，工作半徑為48 m，起重量為11.6 t，部件重量為11 t，在虛擬模型中該提升臂視覺上太短，無法成功提升組件，或在橋臺邊緣使用起重機AC 395成功地提升了部件但卻擋住了當前的交通。

因此在實際的架橋過程中，使用了兩臺起重機，其中一臺安裝了較長的吊臂，以彌補4D模擬中出現的問題。除了使用不同類型的起重機外，模擬結果與實際起重情況相似。

最后將傳統的二維提升方案與建議的4D模擬進行了比較（如表2所示）。對于傳統的起重方案，經驗豐富的規劃師可以完全控制并將起重過程可視化。使用BIM工具，所有信息都可以客觀地集成到仿真軟件中，并可通過視覺或自動方式反復審查。很明顯，4D模擬能夠改善傳統提升方案效率低下的問題。

5 結語

本研究的目的是借由模擬一座鋼橋的架設，來驗證使用BIM工具的有效性。通過將原始的二維大樣圖轉換為三維模型，并結合架設方案（甘特圖），建立了鋼橋架設的4D仿真模型。安裝程序在虛擬4D模型中進行了檢查，并與現場的后續工作進行了驗證。項目組在審查架設方案時，4D仿真結果顯示了鋼橋在不同時間點的不同狀態，有效地指出了在實際吊裝時可能會造成災難性的空間碰撞等問題，及時對施工現場、設備、吊裝步驟進行了必要的調整，保證吊裝工作在截止期前順利完成。

參考文獻：

[1]劉延宏.BIM技術在鐵路橋梁建設中的應用[J].鐵路技術創新，2015（3）：47-50.

[2]胡 杰.BIM技術在橋梁施工設計中的應用探索[J].鐵路技術創新，2014（2）：63-67.

[3]張建平.BIM技術的研究與應用[J].施工技術，2012（2）：15-18.

[4]宋紅飛，常順志，梁善國，等.BIM技術在鋼橋制造中的應用研究方向探討[J].鐵路技術創新，2014（2）：60-62.

[5]李紅學，郭紅領，高 巖，等.基于BIM的橋梁工程設計與施工優化研究[J].工程管理學報，2012，26（6）：48-52.