基于BIM技術的橋梁施工碰撞檢測信息化監控實現探究

趙彩云

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

工程施工碰撞檢測信息化監控的專業系統化、模擬圖表化以及實時動態在線化，使該監控的信息豐富度擴展性和工程安全管理適時參考性大幅提升。本研究參考橋梁工程案例，借助Navisworks 檢測系統，以BIM 技術工程應用分析的方式，對橋梁施工碰撞檢測信息化監控的實現與運用課題開展專題分析探究，為同類工程施工碰撞防范監控的應用提供研究和技術參考，助力實現安全有效的橋梁施工碰撞監控與防范。

1 案例項目概況

案例公鐵兩用鋼桁梁斜拉橋跨度布設結構為（125+196+573+196+125）m，總長度 1 215 m。主梁上層是典型的六車道，下層是允許上下通行的雙線鐵路，主梁實施板桁與鋼桁梁相結合的構造方案，以最大限度地滿足橋面不等寬的設計需求。案例整橋立面結構狀態及三維Revit 數字化模型見圖1 和圖2 所示。

圖1 整橋立面結構狀態

圖2 三維Revit 數字化模型

整橋桁架為可靠性高、安全系數高的N 型結構，主桁上下弦桿是比較常見的一種箱型斷面，腹桿為H 型和箱型兩類斷面。H 型鋼混主塔承臺以上設計高度200 m，下塔柱斷面型式為雙室單箱，上塔柱和中塔柱斷面型式均選用單室單箱。扇型雙索面斜拉索布設方式，兩側各均勻設置拉索17 對。整體焊接鋼牛腿和鋼錨梁。為改進完善混凝土與鋼牛腿結合位置的應力狀態，專門在單側增加強化鋼筋網兩片。

2 項目模型族庫結構

隨著BIM技術的不斷發展，BIM 相關軟件也取得了一些突破性進展。許多BIM軟件開發商都針對不同的專業領域、不同的軟件使用需求開發出了不一樣的BIM 技術相關軟件。比較主流的有Nemetschek 公司開發的 ArchiCAD、Autodesk 公司開發 的 Navisworks 和 Revit、Dassaullt 公 司 開 發 的CATIA 以及Bentley 公司開發的Navigator 等相關軟件。這些都是BIM常用的核心建模軟件，各自有自己的優點，但是也都有一些不足之處，需要結合項目實際情況，選擇使用合適的BIM軟件。

經過深入的調查研究，同時結合該案例的實際情況，選擇使用Autodesk 旗下研發的Navisworks 和Revit 進行該案例的BIM 模型建模和碰撞檢測。通過使用Navisworks 軟件的碰撞檢測功能，可以對橋梁的施工工序、比較復雜的細節構造以及各專業模型進行碰撞檢測，既能降低資源浪費，又可以提高工作效率。Revit 建模軟件使用人數較多，使用范圍較廣，同時還具有較好的可擴展性和較高的兼容性，操作簡單，可以與該公司的另一款軟件AutoCAD 相互兼容。

使用Revit 建模軟件完成項目，族是一個項目的基礎，每個族都包含了許多單一圖元，屬于一個族的多個圖元一定具有相近的參數或屬性。圖元具有的這些參數由族的類型或者項目實例化參數決定。實施該案例項目的碰撞檢測和動態模擬需基于一套完善的族庫信息結構模型。該項目基于Revit 系統的項目模型族庫結構見圖3 具體所示。

圖3 項目模型族庫結構

基于Revit 系統的項目分析建模，可以在物理參數和幾何特性上有效實現三維數理模擬與工程實際狀態間的一致性，良好的模擬契合度才能確保所得分析結論的應用參考性和技術可靠性。將橋梁結構以主體、附屬、臨時結構以及施工機具四部分建立族庫，可以克服Revit 系統既有的族標準主要面向房屋類建筑的功能不足。

3 施工碰撞檢測信息化監控的實現與運用

3.1 空間沖突分析

在施工組織方案設計環節，需根據工程特征及實際需求，利用二維圖紙對場地布局、機械調配區域等進行科學、合理的規劃。為有效避免分項操作出現交叉效率制約影響，分項工程作業需要相互協調與配合，主要需注意做好以下兩個方面的工作：一是統籌規劃工程操作空間，合理分配使用有限的工程空間。二是分項目正常操作時須保持足夠的操作場地空間及基本安全范圍[1]。項目施工期間的適宜作業空間一般可以借助式（1）進行表述。

在工程開展期間，因工作空間分布不合理或未規范使用工作空間而引發沖突矛盾的現象可謂是司空見慣，由此一來，既無法保證分項工程進度，實現施工資源的高效配置與使用，還會增加工作量，延長施工周期，致使操作效率下降幅度加大，最終引發一系列相關生產安全問題，導致本該避免的經濟損失，所以有必要深入全面分析研究項目操作空間可能存在和出現的沖突問題，并密切關注時間要素，一旦發現工程進度有變就要在第一時間對原工作空間區域做出相應調整與優化，以保證項目工程有條不紊地正常開展，從源頭上提高生產效率，盡可能地縮短施工周期，同時強化施工管理水平，為施工人員營造安全、穩定的作業環境。

3.2 主塔構造內部碰撞沖突的優化防御分析

主塔斷面沿高程變動，一定要嚴格按照要求合理安排預應力體系、強化錨固區鋼筋網片以及構造預埋件等空間布局。拉索導管安裝流程過于復雜，并且精密程度需要高，其安裝水平的高低不僅會直接影響構件的安全質量，同時也會對整橋受力體系建設產生決定性影響。圍繞常見的主塔內部沖突碰撞問題，本研究基于主塔的對稱性，在確保檢測成果不受任何干擾的前提下，取半側塔結構實施檢測和數據成果匯總，具體見表1 所示[2]。

下面對主要碰撞點實施分析。

3.2.1 主塔Ⅰ區碰撞檢測

主塔區域Ⅰ的碰撞檢測成果具體見圖4 所示。因為碰撞點不是簡單的一兩個，因此在本課題研究中，考慮篇幅方面的原因，只對拉索導管與N1 縱筋構件點進行直觀剖析，其檢查成果可詳見圖5 所示。

表1 主塔碰撞檢測數據成果匯總

圖4 主塔Ⅰ區碰撞檢測成果

圖5 拉索導管與N1 縱筋沖突

3.2.2 主塔區域Ⅱ碰撞檢測

主塔區域Ⅱ碰撞沖突波及構件比較多，上橫梁與主塔接連節點細部結構復雜，彼此間的預應力筋及鋼筋縱橫交錯，為更為直觀清晰地表達構件間的處位關系，方便碰撞點狀態信息檢查，依據構件類別采取分組碰撞檢測。其中主塔Ⅱ區鋼筋與拉索錨固齒塊碰撞檢測成果具體見圖6 所示。

圖6 主塔Ⅱ區鋼筋與拉索錨固齒塊碰撞檢測成果

3.2.3 主塔區域Ⅲ碰撞檢測

主塔區域Ⅲ碰撞檢測是判定橫隔板鋼筋與區域Ⅲ鋼筋間存在沖突與否，并采取適宜手段解決沖突，其成果具體如圖7 所示。嚴重沖突所波及的部分重點構件具體見圖8 和圖9 所示。

圖7 橫隔板鋼筋與主塔區域Ⅲ鋼筋碰撞檢測成果

圖8 橫隔板D5 和D6 筋與Ⅲ區 G2 筋

圖9 區域ⅢG2 筋與橫隔板 D5、D6 筋

3.2.4 主塔Ⅳ區碰撞檢測

主塔Ⅳ區與下橫梁相接連，節點細部結構較為繁瑣，預應力筋與鋼筋縱橫交錯，與主塔Ⅱ區碰撞檢測相似，參考構件類別把它分組實施碰撞檢測得到對應成果，其中碰撞檢測成果如圖10 所示。

圖10 下橫梁預應力與Ⅳ區主筋碰撞檢測成果

因為碰撞點不是簡單的一兩個，因此在本課題研究中，考慮篇幅方面的原因，只對幾個沖撞相對比較嚴重的構件點進行直觀剖析，其中預應力下橫梁筋與G2、G2a 箍筋檢查成果可見圖11 所示，預應力下橫梁筋與橫隔板箍筋檢查成果可見圖12 所示。

圖11 預應力下橫梁筋與G2、G2a 箍筋

圖12 預應力下橫梁筋與橫隔板箍筋

3.2.5 碰撞檢測報告

經過對各構件的碰撞沖突進行全面、細致的檢查，可及時發現設計組織的不足之處，在此基礎上，也就能結合實際需求編制出更具體、更可靠的碰撞檢測報告，此報告包涵兩碰撞對象的狀態、碰撞點坐標、工程名稱和種類等更多細節信息。反饋給相關人員，摒棄傳統邏輯思維，在新思想、新技術的引導下，對相關參數做出及時調整與優化，以科學控制返工率，加快項目建設進程。

3.3 主塔施工及預拼裝主梁節段碰撞檢測

3.3.1 主塔施工碰撞檢測

塔吊是施工現場不可或缺的一項重要機械裝置，通過它可輕松完成鋼筋、鋼錨梁等諸多材料的吊裝作業。選用規格適宜的塔吊方能準確科學地設定預埋件位置。在選型時，務必要同時滿足施工期、吊裝重量等多種需求。選型完成后，構建參數化模型，以空間坐標與工程基點約束為參照定位塔吊附墻件，并且向Navisworks 系統輸入以進行合模。之后再對主塔內部構造與預埋件存在沖突與否進行細致全面檢查，也可以借助RevitAP 系統開展檢查，以及時超前發現可能存在的碰撞問題[3]。

在強風浪的惡劣天氣環境下，主塔吊裝就成為難度最大的一個作業環節，為預防阻止施工過程中可能出現的碰撞，應用Navisworks 系統和Animator工具插件構建軟碰撞模型，實施動態全過程吊裝碰撞檢測，找出吊裝最佳方法，全面審查施工作業流程，如圖13 所示。

圖13 吊裝碰撞檢測流程

依照塔吊的蓋覆率、吊裝路徑等相關參數設計成動畫實施模擬，選取要實施碰撞測試的對象，并將其輸入塔吊場景，通過多方面檢查及時發現不良問題。塔吊在主塔作業結束后仍須斜拉掛索，卸拆塔吊能否導致塔吊臂桿跟主塔或者拉索沖突問題，可借助Animator 碰撞模擬進行細致全面檢測，以及時發現不良問題并采取有效手段進行處理。

遇到強風浪惡劣天氣，難以避免碰撞問題的出現，甚至會對已完工的主塔節段產生強烈撞擊。

因為施工期間橋寬度不足，一旦班組間溝通不及時就容易造成運輸沖突，不利于主塔混凝土筑澆作業正常開展。這些問題也常見于其他施工工序中，在工程施工期間，由于需要運輸原材料、機械設備進入施工場地，因此要對車輛的運輸路線進行動態模擬，以設定出科學、合理的運輸路線，保證原材料、機械設備等順利進場，這對于增強機械選用率具有重大現實意義。對于管理層人員來說，可通過動態模擬確定最佳施工方案，探索出最佳運輸路線，并對起吊順序做出合理安排。

3.3.2 主梁節段預拼裝碰撞檢測

各大廠商在生產制造鋼桁梁橋時一般會進行預拼裝，以檢驗是否存在著拼接碰撞問題。本研究工程項目鋼橋構件量較多，務必要保證各環節操作的精準性與可靠性，一旦出現偏差就容易出現拼接失敗的具體情況。在本課題中，利用專業、成熟的BIM系統按照參數化1∶1 的要求構建仿真模型，之后選用空間約束精準定位并實施虛擬拼裝，以及時發現內部構件是否存在著沖突或者對接不規范的問題。概括來講，通過各構件的預拼裝仿真分析不僅從源頭上保障了細部結構接連點的精準性與可靠性，還盡可能地減少了成本支出，加快了整體施工進度[4]。

主梁節段間拼裝碰撞檢測，可利用Navisworks系統自帶TimeLiner 插件以時間為基礎開展，可及時發現此間是否存在沖突問題。本研究選用雙懸臂吊機對稱架梁施工方案，將斜拉索掛設、主梁節段吊裝等施工速度導入至TimeLiner 系統中。

提前添加斜拉索、鋼梁節段等構造到集合中，在視圖ClashDetective 中鏈接已依照實際施工速度所完成加添的TimeLiner，按設定時間間隔，系統會自動進行檢查，以確定拼裝主梁是否存在碰撞隱患。完成所有檢查后，隨機擇取碰撞檢測成果，TimeLiner模擬選項卡可以提供與之相關的大量移動滑塊，精確定位至干擾沖突出現的時點，此時只需調節進度滑塊，即可了解干擾沖突出現的施工段前后具體情況，以便于管理員對現有參數做出相應調整與優化。

4 結語

本研究借助Navisworks 檢測系統，以BIM 技術工程應用分析的方式，對橋梁施工碰撞檢測信息化監控的實現與運用課題開展專題分析探究。主要收獲：a）介紹了基于Revit 系統的項目模型族庫結構；b）結合實例工程對主塔內部構造動靜態碰撞檢測開展了施工碰撞檢測信息化監控分析。案例分析研究揭示，基于BIM 技術的工程碰撞檢測，有助于及時發現工程設計、施工組織等各工程環節可能存在的沖突碰撞問題，施工碰撞防范監控應用研究可以助力實現安全有效的橋梁施工碰撞監控與防范。