連續(xù)梁BIM 建模應(yīng)用

陳潘峰CHEN Pan-feng

（中鐵建大橋工程局集團(tuán)第五工程局有限公司，成都610000）

0 引言

從工業(yè)革命開(kāi)始至今，人類(lèi)就在不斷追求生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步。隨著我國(guó)對(duì)高鐵基建大量的投資，提出了技術(shù)與管理精細(xì)化的需求，以達(dá)到施工效率高、投資成本低和質(zhì)量可靠的目標(biāo)。BIM 技術(shù)的提出使建筑業(yè)在前期規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維階段實(shí)現(xiàn)了信息化管理，提高了造價(jià)估算準(zhǔn)確性、縮短了工期、優(yōu)化了施工流程、增加經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。

由于BIM 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，住建部發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見(jiàn)的通知》[3]。目前BIM 技術(shù)形成的研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，使得工程建筑領(lǐng)域出現(xiàn)了“無(wú)BIM 不工程”的說(shuō)法，為整個(gè)工程建筑領(lǐng)域的發(fā)展增加了活力。就鐵路橋梁工程而言，國(guó)家重大基礎(chǔ)建設(shè)中橋梁的數(shù)量年增幅較大，其工程造價(jià)占比10～20%[4-5]。BIM 技術(shù)的應(yīng)用加強(qiáng)了橋梁施工與管理信息化，有利于我國(guó)橋梁行業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)和高效發(fā)展[6]。

本文針對(duì)連續(xù)梁設(shè)計(jì)和施工過(guò)程，探究BIM 技術(shù)的優(yōu)越性和實(shí)施的必要性，為推動(dòng)BIM 技術(shù)在鐵路橋梁工程的大范圍應(yīng)用具有實(shí)踐指導(dǎo)意義。

1 工程概況

本論文以某工程項(xiàng)目高鐵客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)連續(xù)梁為研究對(duì)象，梁全長(zhǎng)177.5m，該橋如圖1 所示。施工方法采用掛籃懸臂澆筑施工。

該連續(xù)梁施工采用懸臂灌注法施工方案，該橋墩頂梁段采用墩頂灌注，而其余各梁段采用活動(dòng)掛籃懸臂灌注方案施工，掛籃及附屬設(shè)備重不得大于100t，掛籃應(yīng)同步對(duì)稱(chēng)移動(dòng)，位移差不得大于30cm；移動(dòng)速度不宜大于10cm/min。懸臂灌注時(shí)最大不平衡重不大于20t。

懸臂施工時(shí)，各中墩采取臨時(shí)錨固措施，其承受中支點(diǎn)處最大豎向力為77376kN，承受彎矩為117121kNm。臨時(shí)固結(jié)構(gòu)造圖僅供施工單位參考，施工單位也可采用其他構(gòu)造形式。

本連續(xù)梁采用縱橫向預(yù)應(yīng)力體系，鋼筋管道布置比較密集，較易發(fā)生管道與鋼筋干涉的情況。施工過(guò)程基于先普通鋼筋，后橫向預(yù)應(yīng)力筋原則進(jìn)行調(diào)整，避免預(yù)應(yīng)力管道變動(dòng)。采用定位鋼筋固定的鋼索管道，要保證管道、錨具墊板、喇叭口及波紋管的位置正確。

為提高結(jié)構(gòu)耐久性，混凝土耐久性指標(biāo)應(yīng)和施工工藝應(yīng)符合相關(guān)技術(shù)條件。該梁段混凝土強(qiáng)度及彈性模量達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，各梁段預(yù)應(yīng)力鋼索才可以進(jìn)行張拉，并按要求做若干管道的摩阻試驗(yàn)，再按施工順序從外到內(nèi)左右對(duì)稱(chēng)張拉。對(duì)于管道壓漿，按時(shí)間節(jié)點(diǎn)和要求進(jìn)行壓漿。

2 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁BIM 模型的建立

依據(jù)連續(xù)梁設(shè)計(jì)圖紙，將預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁拆分成多個(gè)橋梁構(gòu)件，利用Revit 族對(duì)梁體結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)鋼筋進(jìn)行三維模型建模。

2.1 構(gòu)建梁體和橋下結(jié)構(gòu)

采用Revit 軟件中拉伸、剪切和布爾運(yùn)算等方式，建立樁基、承臺(tái)、墩身進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型。并對(duì)各個(gè)模型的設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行參數(shù)化定義，以實(shí)現(xiàn)模型幾何尺寸的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，使得模型得到優(yōu)化調(diào)整。

2.2 各結(jié)構(gòu)鋼筋、梁體預(yù)應(yīng)力模型。

連續(xù)梁鋼筋配置需考慮因素較多，其型號(hào)和布置形式較為繁雜，建模過(guò)程中將梁結(jié)構(gòu)框架族從不同角度剖切，通過(guò)布設(shè)鋼筋實(shí)現(xiàn)鋼筋數(shù)量、長(zhǎng)度等尺寸參數(shù)化。同時(shí)，鋼筋與結(jié)構(gòu)主體相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)更新。箱梁為三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，依據(jù)預(yù)應(yīng)力束的線(xiàn)形、位置、分布規(guī)律建立預(yù)應(yīng)力鋼絞束模型。

圖1 有砟軌道連續(xù)梁立面圖

3 BIM 在連續(xù)梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

基于BIM 技術(shù)對(duì)連續(xù)梁進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)檢查，在設(shè)計(jì)階早起發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷，評(píng)估工程量。同時(shí)，還能進(jìn)行結(jié)構(gòu)和鋼筋設(shè)計(jì)的優(yōu)化，有效避免設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)沖突及相互干擾。

3.1 優(yōu)化混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

連續(xù)梁內(nèi)普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼束、支座預(yù)埋件結(jié)構(gòu)交互存在并干擾，基于BIM 技術(shù)建立其三維模型能夠直觀(guān)地顯示結(jié)構(gòu)間相關(guān)關(guān)系，并能夠指導(dǎo)設(shè)計(jì)者進(jìn)行鋼筋優(yōu)化。針對(duì)吊籃、檢查梯，通過(guò)建立的三維模型，較為直觀(guān)地反應(yīng)出進(jìn)人孔設(shè)計(jì)是否合理。避免了依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和二維設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行排除出現(xiàn)疏漏狀況，若后期施工階段發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，將會(huì)導(dǎo)致不必要的返工，影響了施工的連續(xù)性。

基于BIM 模型提出放射式鋼筋布置結(jié)構(gòu)，有效避免了傳統(tǒng)鋼筋布置與墩頂體系預(yù)埋構(gòu)造干擾嚴(yán)重問(wèn)題，從設(shè)計(jì)端解決了現(xiàn)場(chǎng)施工困難、質(zhì)量難以保證的難題。如圖2所示，梁體鋼筋、墩頂加強(qiáng)鋼筋與墩頂預(yù)埋件干擾，使得鋼筋施工無(wú)法進(jìn)行。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，如圖3 所示，有效避免了干擾情況的發(fā)生。

圖2 鋼筋優(yōu)化前模型

3.2 二維出圖及工程量設(shè)計(jì)

基于建立連續(xù)梁BIM 模型，可以快速導(dǎo)出工程所需的二維圖紙，同時(shí)將土建、鋼筋、安裝等專(zhuān)業(yè)的工程量進(jìn)行批量計(jì)算。三維模型一旦發(fā)生調(diào)整，所需二維圖紙也將相應(yīng)發(fā)生改變，達(dá)到隨時(shí)生成施工圖的目的，節(jié)省了制圖成本，提高了設(shè)計(jì)效率。

圖3 鋼筋優(yōu)化后模型

3.3 碰撞檢測(cè)

針對(duì)連續(xù)梁施工圖而言，普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼筋、預(yù)應(yīng)力管道等，其二維圖紙直觀(guān)暴露在設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，施工過(guò)程中常常出現(xiàn)“差、錯(cuò)、漏、碰”等碰撞與干擾問(wèn)題，造成不必要的設(shè)計(jì)變更或返工。

采用BIM 可視化技術(shù)進(jìn)行碰撞檢查，能夠在設(shè)計(jì)初期發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，減少施工階段的返工現(xiàn)象，有利于連續(xù)梁設(shè)計(jì)質(zhì)量的提高，避免人力和財(cái)力的浪費(fèi)。

3.4 基于BIM 模型的鋼筋自動(dòng)化加工

現(xiàn)有的鋼筋自動(dòng)化加工是在鋼筋翻樣基礎(chǔ)上，打印成鋼筋料單，手動(dòng)錄入到鋼筋加工設(shè)備，完成鋼筋加工。該方式人工成本高、效率低，并且對(duì)于復(fù)雜構(gòu)件容易出現(xiàn)鋼筋沖突，綁扎時(shí)需要二次加工，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

圖4 基于BIM 模型的自動(dòng)化加工

如圖4 所示，基于BIM 模型的鋼筋自動(dòng)化加工，直接從BIM 模型中自動(dòng)提出鋼筋加工數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過(guò)鋼筋數(shù)據(jù)管理云平臺(tái)，將加工數(shù)據(jù)分配給加工設(shè)備綜合信息管理系統(tǒng)進(jìn)行生成分配。打通了BIM 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)由設(shè)計(jì)階段到施工階段的路徑。

4 BIM 在連續(xù)梁施工中的應(yīng)用

利用BIM 技術(shù)建立的可視化連續(xù)梁模型，開(kāi)展施工模擬，優(yōu)化施工方案，提高連續(xù)梁施工效率。

4.1 建立精細(xì)化模型

按照施工工序建立連續(xù)梁主體結(jié)構(gòu)、橋墩結(jié)構(gòu)、承臺(tái)結(jié)構(gòu)、貝雷梁支架及基礎(chǔ)、滑道及拖拉系統(tǒng)及球絞精細(xì)化模型。BIM 模型所見(jiàn)即所得，施工前找出其碰撞位置，通過(guò)視圖和表格的形實(shí)記錄下來(lái)并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，及時(shí)消除隱患，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，使施工過(guò)程能夠順利進(jìn)行，并為建立BIM 施工管理平臺(tái)提供數(shù)據(jù)支撐。

4.2 施工可視化技術(shù)交底

利用BIM 技術(shù)根據(jù)施工工藝，形成連續(xù)梁可視化技術(shù)交底。利用其模擬仿真功能，將施工過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示，使施工人員能夠?qū)Τ薪庸こ痰奶攸c(diǎn)、技術(shù)要求、施工方案與安全措施等方面進(jìn)行直觀(guān)地理解，以有效地組織施工管理和提高施工質(zhì)量。同時(shí)將不夠直觀(guān)，難以精確表達(dá)的構(gòu)件搭接關(guān)系，重要工序等進(jìn)行動(dòng)畫(huà)模擬，以避免接底人與交底內(nèi)容理解有偏差的問(wèn)題出現(xiàn)，提高了較低的直觀(guān)性和精確度。可視化交底能夠使施工人員直觀(guān)快速地理解設(shè)計(jì)意圖和施工方案。

4.3 多方案優(yōu)化

通常將普通方案采用2D 圖紙，空間感在一定程度上受到限制。基于BIM 的三維可視化模型，能夠全方位的評(píng)估設(shè)計(jì)和施工。還可以憑借智能的機(jī)器算法，完成方案設(shè)計(jì)。本文BIM 模型中，采用支架現(xiàn)澆的連續(xù)梁0#號(hào)塊，支架采用鋼管柱+貝雷梁支架體系，由下至上為鋼管柱、砂箱、I45a 頂橫梁、貝雷梁、I18 分配梁、方木、模板等組成。應(yīng)用BIM 可視化技術(shù)模擬施工過(guò)程，能夠確定0#支架及橋墩施工過(guò)程中搭建構(gòu)件的相互關(guān)系，同時(shí)承臺(tái)上鋼管柱支撐和橋墩內(nèi)預(yù)埋件位置也可以精確定位，并且統(tǒng)計(jì)出支架所需材料的工程量。

4.4 預(yù)應(yīng)力鋼束空間定位

預(yù)應(yīng)力鋼束多成空間三維曲線(xiàn)布置（如圖5 所示），根據(jù)施工需求通過(guò)C#二次開(kāi)發(fā)提供不同截面的預(yù)應(yīng)力鋼束空間坐標(biāo)值，施工隊(duì)伍基于該坐標(biāo)值能夠精確設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼束定位鋼筋，從而實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程中預(yù)應(yīng)力管道精確定位。

4.5 零號(hào)塊下料孔設(shè)計(jì)

根據(jù)中國(guó)鐵路總公司工程管理中心關(guān)于推廣應(yīng)用懸臂澆筑連續(xù)梁相關(guān)施工工藝的指導(dǎo)意見(jiàn)，對(duì)施工單位進(jìn)行三維采用BIM 技術(shù)進(jìn)行三維建模提出更高的要求，以利于優(yōu)化懸臂澆筑連續(xù)梁施工工藝和提升施工管理水平。同時(shí)，在BIM 平臺(tái)能夠針對(duì)鋼筋與預(yù)應(yīng)力管道間隙進(jìn)行合理優(yōu)化，能夠有利于梁面與底板間豎向振搗通道的形成，使得混凝土澆筑過(guò)程中達(dá)到較高的密實(shí)度。

圖5 預(yù)應(yīng)力鋼束空間三維曲線(xiàn)布置

采用構(gòu)建的BIM 模型，能夠?qū)κ┕がF(xiàn)場(chǎng)的混泥土下料孔、振搗孔布設(shè)方案進(jìn)行研究，確定優(yōu)化的布置形式，系統(tǒng)解決了連續(xù)梁零號(hào)段施工病害多、質(zhì)量難以控制的難題。

5 結(jié)論與建議

BIM 技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)階段主要基于二維平面的CAD圖紙?jiān)O(shè)計(jì)完成后，再翻模為BIM 模型。這種方式的應(yīng)用可以在一定程度上進(jìn)行碰撞檢測(cè)、管線(xiàn)綜合、方案對(duì)比等多方面、多維度的分析，對(duì)連續(xù)梁設(shè)計(jì)正確性、施工合理性和管理高效性得到保障。

基于BIM 技術(shù)在設(shè)計(jì)、施工及管理等方面的優(yōu)勢(shì)，為推廣其應(yīng)用深度和和廣度，提出以下建議：

①現(xiàn)有BIM 三維設(shè)計(jì)研究在鐵路工程領(lǐng)域已得到了初步的應(yīng)用成果，BIM 技術(shù)在鐵路行業(yè)的全面應(yīng)用必將打破固有行業(yè)的管理模式，促進(jìn)鐵路行業(yè)從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)生命全周期管理；

②BIM 對(duì)專(zhuān)業(yè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)、英語(yǔ)甚至相關(guān)工裝設(shè)備的知識(shí)層次要求較高，急需培養(yǎng)復(fù)合型技術(shù)人才；

③BIM 的研發(fā)及應(yīng)用受限于BIM 相關(guān)軟件的國(guó)產(chǎn)化及專(zhuān)業(yè)化，后期應(yīng)加快推進(jìn)國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)交通行業(yè)的BIM 軟件研發(fā)。