基于BIM技術的下承式大跨度尼爾森體系簡支拱橋施工

張宏博 王祥國 張文東 袁本哲 崔 健

(中建鐵路投資建設集團有限公司路橋公司， 青島 266000)

Building Information Molding(建筑信息模型)簡稱BIM，是建立在三維數字技術基礎之上，集成了建筑工程項目各種有關信息的工程數據模型[1]。BIM技術的核心是虛擬“設計與建造”，依據圖紙等相關信息，實現工程可視化性的設計與施工，是對項目工程設施實體與功能特性的數字化闡述[2]，支撐起建筑行業的第二次“科技革命”。2015年，住房城鄉建設部印發《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》，在其發展目標中明確提出“到2020年末，以下新立項項目勘察設計、施工、運營維護中，集成應用BIM的項目比率達到90%。”；2017年5月，《建筑信息模型施工應用標準》發布，中國建筑業有了可參考的BIM標準；2018年后，越來越多關于BIM的推進政策陸續推出，BIM技術逐步向全國各城市推廣開來，實現在全國范圍內的普及應用。

目前，BIM技術運用于房建項目的成功案例非常多，如貴州建工軍區總醫院、北京奧體中心、天津大禮堂、南京福特廠等。在路橋行業中，伴隨著高速鐵路和現代路橋工程的快速發展，橋梁結構設計越來越復雜[3]，異形結構越來越多，對建造工藝要求也越來越嚴謹，施工進度要求越來越緊。為推進路橋工程緊跟時代技術發展的步伐，近些年BIM技術也逐漸開始應用于橋梁工程。本文依據濰萊鐵路大跨度簡支拱橋施工，結合BIM技術在施工管理中的應用，研究高速鐵路144 m下承式尼爾森體系簡支拱橋的綜合施工。在實施過程中，逐步完成BIM族庫的建立以及過程資料的收集、整理，總結出基于BIM技術的大跨度簡支拱橋施工的BIM團隊建設、建模流程、建模關鍵控制點、優化設計變更方案、施工管理可視化方法等技術。通過基于BIM技術的大跨度簡支拱橋施工實踐，驗證了BIM技術在拱橋施工中運用的可行性，為類似工程提供參考依據。

1 工程概況

1.1 鐵路工程概況

濰坊至萊西高速鐵路(簡稱“維萊高速鐵路”)為雙線無砟軌道鐵路，線間距5.0 m，設計時速350 km，西起規劃終點濟青高速鐵路濰坊北站，往東接入青榮城際鐵路萊西北站，線路位于膠東半島腹地，是山東省“三縱三橫”快速鐵路網的重要組成部分。

1.2 簡支拱橋工程概況

濰萊高速鐵路在里程DK 58+128.49處，以下承式鋼管混凝土簡支拱的形式跨榮濰高速公路，與高速公路斜交149.42°。下承式簡支拱橋梁全長148 m，是濰萊高速鐵路全線的控制性工程之一。

2 大跨度簡支拱橋設計

簡支拱橋結構為剛性系梁剛性拱，采用尼爾森吊桿體系，先施工梁體，后施工拱肋，系梁采用滿布支架施工，鋼管拱肋在系梁上拼裝合龍。梁端采用實心矩型截面，高3.0 m，兩端實心段各長8.5 m；系梁橫截面為單箱三室截面，高3.0 m，中間段長126 m，兩端過渡段各長2.5 m。

簡支拱橋計算跨度144 m，拱肋矢跨比為1∶5，拱肋在橫橋向內傾8°呈提籃式，立面投影矢高(28.8×cos 8°)m，呈二次拋物線形式，拱肋面內方程Y=[4×28.8×(144x-4x2)]/1442；拱肋截面是等截面的啞鈴型形狀，截面高4.0 m，鋼管直徑1.3 m，由20 mm的鋼板卷制而成。在圓形鋼管內設置加勁箍，拱肋的兩鋼管之間用20 mm的厚腹板連接，并在腹板中焊接拉桿，拱肋中灌注C55自密實補償收縮混凝土；拱肋中間用外徑1.5m的圓形鋼管布置1道一字撐，用外徑0.9 m的圓形鋼管布置6道斜撐(K撐)，斜撐鋼管內均不填充混凝土，拱肋采用Q345qE鋼材。32對吊桿組成拱橋尼爾森體系，在拱肋端設置吊桿張拉裝置；在吊桿內安放磁通量傳感器，監測施工過程中和施工后期吊桿的應力狀態。

3 簡支拱橋施工技術重難點

3.1 施工環境復雜

拱橋正下方為榮濰高速公路，日常車流量較大。受施工環境的限制，拱橋支架體系布置情況復雜，施工難度較大。傳統的技術交底難以直觀地指導工人現場施工，嚴重影響施工進度，增加成本投入。

3.2 拱架結構復雜

(1)拱架形式復雜

上部結構拱架整體為二次拋物線形式，荷載集中程度隨著簡支拱橋軸線高度的變化而變化，拱橋的曲線變化形式較復雜[4]，且橋梁中部分受力構件為異型構件。

(2)放樣定位難度大

拱橋縱梁長度148 m，測量放樣定位難度大。

(3)拱橋剛度要求大

簡支拱橋以承受壓力為主，產生較大的水平推力；拱肋內澆筑C55自密實補償性收縮混凝土，拱橋自重非常大，增大了橋梁下部結構的工程量，穩定性問題比較突出，對地基基礎條件要求較高，施工難度較大。

3.3 鋼筋密度大

系梁和拱腳等鋼筋節點處鋼筋密度較大，且系梁處與波紋管交織通過，極容易發生碰撞[5]，施工過程中出現問題較多，造成嚴重的工程返工，項目成本增加較大。

3.4 工程基礎數據多

目前，施工企業現場管理的不精細，造成大量的工程基礎數據統計不及時、不完善、不準確，現場管理缺少有力的數據計量支撐，造成項目資源、物流以及儲存環節的嚴重浪費。

4 基于BIM技術的簡支拱橋施工

4.1 組建BIM團隊

基于BIM技術的大跨度簡支拱橋施工中，有大量的工程基礎數據，數據處理繁瑣費時，因此組建了BIM實施小組。根據BIM應用和實施等工作內容的不同，對小組成員進行明確分工；根據專業技術特點，確定人員的工作側重方面。健全建模工作制度，確定BIM各項工作的主要負責人和實施人員，所有人員協調工作。項目實施階段BIM人員組織架構如圖1所示。

圖1 項目實施階段BIM人員組織架構圖

4.2 基于BIM技術的大跨度簡支拱橋施工建模流程和關鍵控制點

分析BIM建模輔助工程施工管理實施階段及建模流程[6]，發現BIM技術在大跨度簡支拱橋施工運用中，存在模型創建精度不精確、項目拆分原則不規范、項目樣板不完善等常見問題。為加強BIM技術建模的可視化性、協調性、模擬性、優化性以及可出圖性，本文提出基于BIM技術的大跨度簡支拱橋施工建模流程和關鍵控制點[7-8]：(1)檢查模型創建精度是否合格；(2)檢查項目拆分原則是否合格；(3)檢查項目樣板是否合格；(4)檢查BIM 工具規劃是否合格；(5)檢查階段性成果是否合格；(6)檢查合模是否合格；(7)檢查視頻制作是否合格。 基于BIM技術的大跨度簡支拱橋施工管理運用關鍵控制點如圖2所示。

圖2 基于BIM技術的大跨度簡支拱橋施工建模流程關鍵控制點框圖

4.3 基于BIM技術創建的簡支拱橋核心構件模型

應用BIM技術創建三維模型，建立健全結構詳細的屬性信息，將其與施工進度結合，進行4D施工可視化模擬，使用多媒體的形式進行交底[9]，讓參與工程的所有人員實質性地認識結構的組成、功能以及作用。大跨度簡支拱橋基于BIM技術創建的核心結構模型，如圖3所示。

4.4 基于BIM技術解決簡支拱橋施工重難點

4.4.1基于BIM技術的施工可視化

拱橋正下方為榮濰高速公路，施工環境較為復雜，運用BIM技術模擬簡支拱與榮濰高速的相對位置關系，并將施工流程細化，再配合二維碼技術及網絡平臺，制作二維碼貼在現場。針對簡支拱橋施工組織復雜的問題，運用BIM的可視化，預先對場地各功能區進行布置，整體漫游，為場地布置提供合理方案。一方面進行三維可視化技術交底，便于現場隨時隨地查閱施工作業交底；另一方面進行方案模擬，為后期施工方案的編制及報審工作提供依據，提高各參與方的協同性，進而提高施工效率。

4.4.2基于BIM技術的方案優化

針對簡支拱拱架形式復雜、放樣定位難度大、拱橋剛度要求大等難題，運用BIM技術進行可視化編程建模，對模型進行預拼裝，完美解決了二次拋物線定位問題，提高了拱肋建模精度和拱肋拼裝方案的可行性；采用Dynamo編程建模，輔助Revit對模型進行預拼裝，可保證模型的精準度，可提供精度達LOD500層級的竣工模型。

圖3 基于BIM技術創建的核心結構模型圖

4.4.3基于BIM技術的設計變更優化

運用BIM技術模擬施工過程，指導簡支拱橋上下部結構施工，通過BIM模型對結構物進行360°全方位觀察，對模型校核比對，快速獲取構件信息，提前預估存在問題，并提出《設計深化建議書》，交由設計單位調整，可在工程施工前排除障礙，針對性地提出解決難題的方案，優化設計方案等，為后續設計變更的工程量提供支撐，也確保了施工進度和質量。

4.4.4基于BIM技術的施工隱患排除(碰撞問題)

簡支拱橋具有工況復雜、機構內部易出現碰撞、橋梁主要受力構件為異型構件等特點，基于BIM技術創建的鋼筋模型在三維可視化、碰撞檢查、深化設計等方面的應用[10]，可進行各類鋼筋用量統計、碰撞試驗校驗、深化復雜節點等研究。在項目施工前期，按照施工圖紙對系梁鋼筋、波紋管及拱腳鋼結構進行精細建模和碰撞檢查，及早發現碰撞點，并事先針對性地提出解決方案，減少不必要的經濟損失，可有效提高綁扎鋼筋的效率和質量，保證施工順利高效開展。

4.4.5基于BIM技術的數據庫標準化管理

簡支拱橋工程量較多且比較復雜，數據統計難度大。運用BIM技術創建的工程基礎數據庫，查看工程量“明細表”，可隨時快速準確地查看工程消耗量等數據信息[10]，了解工程運營狀況，有效地做出維度方面的調整，為工程施工制定精確的人、材、機實施計劃，實現資源消耗控制調整，進而有效地實現工程成本風險管控。如拱橋中存在大量異型構件，分類別、分部位、分工況進行工程量統計，可為施工及結算提供可靠數據支持。

4.4.6基于BIM技術的安全環境管理

建立以BIM模型為基礎的危險源識別體系，根據項目搭建的BIM模型，將危險源標注在BIM模型中，注明各危險源的防護要求、樣式，確保危險源檢查全覆蓋、不遺漏。如檢查過程中發現無防護、防護不到位、無警示標語等安全隱患問題，可隨時拍照，記錄檢查情況，并將其在模型上進行標識，及時督促相關責任人整改，整改完成后取消標識，排除安全隱患；針對工程施工中產生的廢物、廢水、廢氣等環境污染物，可運用BIM技術結合實際情況分析工區附近環境，針對性地制定相應環保措施，建立基于BIM模型的環保信息平臺，統一有序管理。制作各類安全環保標識標牌族文件，將標識標牌導入Infraworks軟件，應用于施工場地布置，形成制作標準，生成安全標示標牌布設的漫游視頻，進行簡單明了的安全環保可視化交底，實現環保綠色施工。

5 結語

(1) 本文結合下承式大跨度尼爾森體系簡支拱橋施工，基于BIM技術的精細化施工管理，組建了BIM實施小組，提出了實施階段BIM人員組織架構；在深入研究下承式大跨度尼爾森體系簡支拱橋設計的基礎上，明確了下承式大跨度尼爾森體系簡支拱橋放樣定位難度大、鋼筋密度大、工程基礎數據多、拱架形式及施工環境復雜等特點；深入研究了簡支拱橋施工工藝，細化施工工序，精細化建模操作，形成了基于BIM技術的下承式大跨度尼爾森體系簡支拱橋建模流程，并提出建模流程關鍵性控制點。提高了BIM技術于簡支拱橋建模的效率和精細度，深化了BIM技術運用的可視化、協調性、模擬性、優化性以及可出圖性特點，展示了基于BIM技術創建的簡支拱橋核心構件模型，更為直觀地給所有施工人員展示了各工序及結構構件的模擬施工場景，有效減少了設計變更與返工，提高了施工效率，降低工程成本。

(2) 基于BIM技術的可視化性和模擬性，運用BIM技術模擬簡支拱與榮濰高速公路的場地位置及整體漫游，借此分析施工組織，事前編制合理的施工方案；基于BIM技術的優化性，結合Dynamo編程建模，輔助Revit對拱橋進行預拼裝，解決了二次拋物線定位問題，提高了拱肋拼裝方案的可行性；基于BIM技術的協調性和可出圖性，選用Autodesk公司旗下產品作為全過程BIM應用軟件，配合Revit使用，避免了軟件接口不統一難題，實現了軟件間信息轉換，實現了建模、碰撞檢測、設計深化、出圖以及整體效果展示等運用，節約了項目資源，提高了工程質量。

(3) 本項目基于BIM工程智慧管理在工程施工管理中應用的可視化、協調性、模擬性等優勢，大大節省了管柱支架、工字鋼等周轉材料；通過三維反饋設計，優化鋼筋、鋼絞線設計，精確鋼筋翻樣，有效降低材料成本；通過綜合施工技術研究，有效降低了交通管理費用，減少了勞動力投入，提高了產品一次質量合格率，為項目大大地節約成本。本項目基于BIM技術的下承式大跨度尼爾森體系簡支拱橋的成功施工，可為類似工程的施工提供參考依據。