BIM技術在橋梁鋼圍堰施工中的應用

王碧軍， 王明慧， 陳艷芳， 杜 康， 張 橋

(1.中鐵十一局集團第五工程有限公司，重慶 400037；2.渝萬鐵路有限公司，重慶 400014；3.重慶交通大學交通運輸學院，重慶 400074)

鋼圍堰施工是跨海或跨江大橋施工中重要的組成部分。鋼圍堰結構復雜、體積龐大、體系轉換受力復雜，在進行鋼圍堰設計及施工時，通常通過CAD軟件進行圖紙繪制[1]。然而，CAD繪制的設計圖紙在工程實踐中存在一定的局限性，很難對鋼圍堰的整體結構、鋼圍堰復雜的施工工藝進行迅速、準確的辨認，不能實現項目施工協同工作及數據共享[2]。

建筑信息建模/管理(Building Information Modeling/Management，BIM)是一種實現建設項目的數字描述和管理的新型技術，其可以建立建筑全生命周期的數據庫，實現項目數據的共享、更新、修改、運用等功能，進而實現項目的協同作業。利用BIM技術指導橋梁施工，可顯著提高施工效率和質量，優化項目管理水平。

1 工程概況

彭溪河多線特大橋位于重慶市境內，長約742 m，共14跨，第10至12跨為(96+200+96)m連續剛構-拱組合結構。橋址處于低水位時，河段寬約230 m；高水位時，河段寬約340 m，處在三峽三期蓄水庫區范圍，且有Ⅲ級通航要求，通航水位最高174.46 m(85高程，以下同)、最低143.87 m。施工中采用鋼棧橋及雙壁鋼吊箱圍堰輔助完成水下基礎的施工，基礎施工處于三峽庫區蓄水范圍，水位變化周期快，高差30多m，通過對陡坡河床裸露基巖水位無規律大幅度升降與通航條件下橋梁施工技術研究，通過BIM三維仿真、三維交底技術、VR技術等應用，確保施工質量的安全可靠。

項目主要特點為：鋼吊箱作為承臺施工擋水結構，設計復雜、加工難度大。鋼吊箱板材的焊接焊縫質量等級較高，在焊接過程中的防變形措施顯得尤為重要，焊接后的變形校正工作量較大。鋼構件加工數量較多，周期比較長，保存、運輸等難度較大。封底混凝土設計厚度3.5 m,一次性澆筑方量約1 200 m3,一次性水下封底方量大,澆筑時間長,并且在高水位期進行水下封底、澆筑工藝和現場組織安排均要嚴格控制。

2 基于BIM的施工技術

2.1 施工仿真模擬

彭溪河大橋工程工期緊，交叉施工優化難，臨時結構布置難，鋼圍堰加工、拼裝、下放施工難度較大，運用鋼圍堰BIM模型進行仿真施工(見圖1)，可以更迅速的了解施工工藝、控制要點以及施工組織情況。現場管理人員可以合理有序的安排施工進度，確保鋼圍堰拼接、下放高效有序[3]。

圖1 鋼圍堰與主體結構總圖

鋼圍堰結構在普通的CAD平面圖紙上無法直觀呈現結構形式、連接節點等視點效果。通過模型漫游，對拉壓桿與圍堰底部龍骨的連接方式、拉壓桿與鋼護筒的連接方式進行建模，使得圍堰下放系統中各項工作方式、連接方式一目了然。

例如，拉壓桿與圍堰底部龍骨的連接大樣(見圖2)為圍堰結構受力的關鍵部位，此處的連接施工、體系轉換關系著整個鋼圍堰施工的成敗[4]。特別是鋼吊箱拉壓桿上端與鋼護筒按設計要求進行焊接連接，封堵鋼護筒四周洞口，施工封底混凝土，等封底混凝土達到設計強度，利用設備抽排鋼圍堰內部水，將鋼吊箱拉壓桿下端與鋼護筒按設計要求進行焊接連接，并將鋼吊箱拉壓桿上端與鋼護筒焊接連接解除，完成體系轉換。

通過模型漫游實現模型可視化，對施工前、施工中的放樣、連接等工作及時比對，發現問題及時進行改正。

2.2 碰撞檢查

鋼圍堰內支撐結構體系復雜，根據設計圖紙，每層內支撐豎向在中間節點處設置4根鋼管，安裝內支撐前先安裝豎向鋼管，采用鉛垂線與全站儀測量方式對其垂直度進行測量(見圖3)并矯正[5]。

通過深化模型，檢測出結構干涉，提出鋼圍堰結構設計時存在的系列問題：如鋼圍堰與棧橋距離較近，鋼圍堰標注尺寸錯誤導致水位變化與鋼圍堰高度不符合實際情況，拉壓桿體系與護筒結構空間位置沖突等。

內支撐采用分層安裝技術，安裝完成后將鋼吊箱圍堰下放。內支撐在場內提前根據設計圖紙下料，現場拼裝固定。實際操作中考慮到封底混凝土用的隔艙板、底部環形鋼板等需穿過內支撐狹小的空間進行下放，而且內支撐安裝時相互干擾極大。碰撞檢查可在施工前對鋼圍堰內支撐安裝、封底混凝土施工時的各項設備下放等工序進行檢查，有效避免了問題的發生。

2.3 構件信息查詢

為了在極短的時間內組織好施工，需要對各部位構件進行編碼。運用BIM將鋼圍堰相關信息與模型進行關聯，通過手機移動端、云平臺等方式進行信息模型檢索，可對構件的重量、部位、尺寸、連接方式、連接要求等信息實時查看，為項目快速、高效、準確施工打下堅實的基礎。

2.4 復雜節點優化

彭溪河大橋10#、11#鋼圍堰設4道水平支撐，內支撐采用?820 mm×10 mm的鋼管，從下部以此向上共計4層(見圖4)。內支撐設置有豎向支撐鋼管，其安裝分層進行；底部豎撐支撐在圍堰底板大龍骨上，采用焊接連接，為防止出現滲水，鋼管采用鋼板封底。內支撐的平面設計為“Y”形，此形狀在封底及承臺施工時，存在材料、設備下放空間小、施工效率低等難點。通過對內支撐部位虛擬施工+模型建立的方式，提出3種處理方法：①根據內支撐的空間對鋼筋專門下料；②通過結構計算對鋼筋布置方式進行優化；③將平面為“Y”形的內支撐結構形式更改為井字架結構形式。根據3種解決方案的模型演示、仿真，經現場施工人員的討論分析，結合方案①的可行性對方案③進行了設計優化，施工中有效避免了空間狹小、施工組織困難等難題。

圖2 拉壓桿連接大樣 圖3 空間測量定位的三維模型 圖4 鋼圍堰內支撐位置關系

2.5 工程量統計

建立鋼圍堰單位工程全專業主體工程量，并實施落地全專業各種鋼構件等的數量統計，精準的尺寸與圖紙進行復核對比，利用尺寸數據導出excel表格，通過布爾運算解決硬件卡頓及顯卡配合問題，保證項目所需的全部工程量的復核對比，為項目減少復核工作量。

2.6 鋼構件的制作及空間測量定位

鋼吊箱圍堰主要由內壁板、外壁板、支撐角鋼、隔艙板、箱型板單元件等組成，部件之間均為焊接連接。水平環板、箱型板需緊貼內外側板施焊，一定程度上可以控制內、外單元件斷面尺寸，防止單元件扭曲變形，承擔側板單元件中內胎的作用，加工精度要求極高，下料時必須控制嚴格。下料切割完成后，嚴格檢查加勁板長寬及矢高尺寸。壁板等構件的加工精度影響著鋼圍堰整體拼裝質量，利用Tekla Structures軟件進行三維建模，在壁板建模過程中對隔艙板、箱型板等構件的尺寸、彎曲弧度等利用軟件功能進行驗證(見圖5)。支撐角鋼的安裝精度影響到鋼吊箱圍堰的結構安全，通過Tekla Structures軟件對構件進行建模，利用建模構件形成的空間位置關系、構件數據進行安裝大樣圖的生成[6]。

主墩鋼吊箱設計分為4層：底3節高度7.5 m，頂節高度8.4 m，形成其底板及側板、整體下放內支撐的施工方案：一是根據拼裝后的底板，在底板上放出內外側板的線，做好相關標記。二是在起吊側板時，根據設置在底板上的定位塊進行側板的安裝，同時詳細檢查安裝后的位置。

底板及側板安裝精度要求較高，利用ekla Structures建立的模型進行構件測量坐標的放樣，對構件的測量控制線及中心線的坐標定位后，運用全站儀及相關測量儀器進行測量放線及調整[7]。

3 基于BIM的施工管理

3.1 項目管控

利用BIM模型進行相關數據整合并進行二次開發，生成項目施工生產過程的控制管理平臺，此平臺的突出特點是適應每一個項目。由于初始定位在項目級別，所以能針對各個項目的特點，按需提供相應的管理模塊，真正的將本項目的重點、難點進行統一的管理，并且全三維的瀏覽模式也能更加清晰反映問題，實現使用者對項目的三維全局掌控。

3.2 施工進度管理

通過BIM對時間、人力、材料、機械等各種資源并對這些資源進行合理分配的管理，其最終目標是在合同約定的時間內完成工程項目建設內容。在鋼吊箱圍堰施工中，以廣聯達BIM 5D為平臺，關聯構件清單、物資信息、單價清單，以專人對每天的施工進度進行錄入更新[8-10]，項目部全員通過手機端等方式進行相關專業的查看，及時了解現場施工信息。

3.3 安全管理

運用采集高清視頻圖像，鋼吊箱圍堰施工時隨時查看不同工序、時間范圍內的施工情況。將該圖片、視頻資料與BIM模型進行關聯，實現模型與現場施工的有效集合，并及時對采集到的施工過程進行識別、判別安全等級，確保施工安全。

4 基于BIM的3D打印

彭溪河鋼圍堰結構復雜，前期需要方案論證、施工中需要對作業人員進行詳細的技術交底，利用3D打印出來的縮尺比例鋼圍堰模型，直觀的進行實體復制(見圖6)。

圖5 壁板細部結構圖 圖6 鋼圍堰3D打印模型

利用BIM技術對鋼圍堰進行參數化建模后，對建成的三維模型進行逐層截面“分割”，用于指導打印機進行打印。打印機通過讀取文件中的橫截面信息，用片狀的材料將這些截面逐層的打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來，制造出一個實體。

5 結束語

BIM技術在彭溪河大橋的應用，可有效解決鋼圍堰構件下料、加工高精度的難題，克服鋼圍堰內部結構復雜、空間狹小、施工組織的困難，驗證方案前期論證過程中的科學合理問題、降低實施成本，防止施工過程中容易遺漏的安全問題等。總之，通過BIM技術的應用，全方位提高了蓬溪河大橋鋼圍堰施工工程的建設管理水平，為工程建設科學化、精細化管理起到了一定的推動作用。