淺析橋梁工程中基于BIM工具的鋼橋架設仿真應用

■蔣雪芹

（中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300459）

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）在計算機上虛擬建造建筑物，以解決建筑業效率低下等各種問題[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，因此得到了快速發展與推廣[3][4]。

一、工程概況

某π型鋼拱橋，由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）米，寬度為 10米；(2)兩個4米直徑的基坑，深度為10米；(3)兩個4米直徑的基坑支基，深度為20米；(4)引道擋墻，全長37.5m；(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在汛期前成功完成吊裝極其重要。

二、鋼橋吊裝施工仿真流程

結合鋼橋典型吊裝的特點以及BIM施工模擬技術，提出鋼橋吊裝施工仿真模擬流程。同時,在該實施流程的基礎上，構建鋼橋吊裝施工仿真模擬系統的技術架構和實施框架模型，并根據實施框架模型建立系統的功能模塊模型。整體可分為三個階段來實施鋼橋吊裝施工的仿真模擬，如圖1所示。

(一)信息收集階段

此階段的工作內容是施工仿真模擬相關數據的前期收集處理，包括了實施鋼橋吊裝工程的設計信息、吊裝層的材料和結構信息以及吊裝層的施工方案，并使用進度管理軟件錄入施工方案中的施工進度信息。

(二)施工仿真模型建模設計階段

這個階段的主要工作是在上一階段收集的數據信息基礎上，使用建模軟件分別建立相應的施工子信息模型，如橋梁子信息模型、橋面吊裝層子信息模型和施工機械模型等。

(三)橋面吊裝施工仿真模擬階段

此階段將建模軟件生成的施工子信息模型數據導入到施工模擬軟件中，導入施工過程信息后，構建成完整的施工仿真信息模型，便可進行鋼橋面鋪裝4D施工仿真模擬（4D是指3D維度上加上時間維度）。

圖1 鋼橋吊裝施工仿真流程圖

三、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通過Revit Architecture軟件來實現，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那部分沖突，其中設計沖突對實際工程具有重要指導意義[5]。

（一）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RevitArchitecture軟件轉換為三維模型。轉換過程中的所有沖突和誤解需全部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。

（二）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，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，通過對設計方案進行進一步的調整進而重新進行模擬。

（三）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厘米。然而本研究所使用的軟體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的自動沖突檢查，共發現7個空間沖突，如附表1所示。

四、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由另外工程師咨詢了最初的規劃師后制作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。提升臂過短的問題，起重機SCX 2800，吊臂總長67.05+12.2米，工作半徑48米，起重量11.6噸。部件重量11噸。在虛擬模型中，可能會發現提升臂視覺上太短，無法成功提升組件，或者可以在橋臺邊緣使用起重機AC395成功地提升部件，但是起重機擋住了當前的交通。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。對于傳統的起重方案，經驗豐富的規劃師完全控制起重方案，并將起重過程可視化。或者使用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的效率低下（見附表2）。

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前可能會造成災難性的空間碰撞，及時對施工現場、設備、吊裝步驟進行了必要調整，吊裝工作在截止期前順利完成。

附表1 自動沖突檢查發現的七個沖突分析

附表2 常規吊裝方案與4D架橋仿真方案比較