BIM技術在矮塔斜拉橋中的應用研究

周 楓 余文成，2 劉均利，2

(1.桂林理工大學 土木與建筑工程學院，桂林 541004； 2.廣西巖土力學與工程重點實驗室，桂林 541004)

引言

BIM技術的核心是以二維圖紙為基礎，使用三維建模軟件建立虛擬的三維立體化模型，利用數字化技術實現對項目的可視化效果[1-2]。隨著近些年來我國建筑行業的發展，BIM技術在房屋建設，大型建筑以及車站隧道中得到了充分的應用[3-4]，如在國家速滑館建設工程中，使用BIM技術對構件進行精細化編碼，提高施工效率，縮短施工工期； 還有在成都地鐵8號線的建設中，運用BIM的三維模型解決了管線的交叉以及線路優化問題，實現了資源的高效利用[5]。根據房屋建設與車站隧道等方面的應用經驗，BIM技術在橋梁中的應用也得到了大力的發展，國內橋梁建設行業的大公司也相繼的推廣BIM技術，讓人不難想到BIM技術將會引發一場建筑行業的技術革命[6-8]。在橋梁施工過程中，經常能遇到預制構件過多，施工工藝復雜，人員管理不協調等問題，因此需要對項目施工不斷的進行優化[9]，根據BIM三維模型和項目施工信息，可以對施工工序、施工進度、施工安排等進行動態模擬，發現可能出現的問題，從而進行方案的修改與變更[10]。采用BIM技術可以優化施工組織方案與施工工藝，落實質量與安全保障措施，提高溝通、管理、資金等資源配置效率，節約時間，降低經濟成本[11]。本文以培森柳江特大橋項目為例，將BIM技術應用在該項目施工的眾多階段，從樁基方案處理、施工場地布置、碰撞檢測、工程量校核、施工進度模擬等方面進行了應用研究，從而對該橋梁項目的各個施工階段進行指導，提升工程項目建設管理的信息化水平[12]。

1 項目概述

培森柳江特大橋位于廣西壯族自治區來賓市象州縣，屬賀州至巴馬高速公路項目，橋型方案為預應力混凝土矮塔斜拉橋。主橋橋跨布置為145m+280m+145m，全長570m，橋型布置如圖1所示。預應力混凝土箱梁為整幅單箱三室直腹板形式，箱梁頂板寬度29m，底板寬度20m，兩側翼板懸臂長度4.5m。頂板頂面設置2.0%的雙向橫坡，底板水平。箱梁根部梁高11.5m，中跨跨中及邊跨現澆梁段梁高4.5m，梁高及底板厚度均以1.8次拋物線變化，箱梁0號段截面如圖2所示。

圖1 培森柳江特大橋立面圖

圖2 箱梁0號段橫斷面布置圖

2 BIM軟件的選用與三維模型設計

2.1 BIM軟件的選用

目前國內外常用的BIM建模軟件眾多，各個設計單位與施工單位所使用的軟件也不盡相同。在橋梁工程方向的BIM軟件主要包括美國Autodesk系列軟件與Bentley系列軟件、法國Dassault系列軟件以及芬蘭Tekla系列軟件。本項目以Bentley系列軟件為主，其他軟件為輔來進行使用。項目應用軟件如表1所示。

表1 項目軟件配置

2.2 數字地形模型創建

培森柳江特大橋項目附近地形起伏不平，二維地形圖很難展示出地形狀況，因此需要建立三維地形模型。三維地形模型可以直觀地展示項目現場的地形起伏變化，是后期橋梁模型建立的基礎。

Bentley平臺的OpenRoads Designer(以下簡稱ORD)軟件可以把二維圖形里的等高線與高程點篩選出來，通過生成三角網建立出三維地形模型，再對建立出來的三角網進行簡單的處理，刪除錯誤的等高線與高程點，整理之后就可得到地形模型圖，如圖3所示。

圖3 培森柳江特大橋地形模型

2.3 地質模型創建

依據地質資料，使用Earth Volumetric Studio(以下簡稱EVS)軟件來進行地質建模。EVS軟件有許多板塊，可以根據工程的需要選擇模塊得到想要的模型效果，如圖4所示。使用Excel把前期勘察工作得到的轉孔數據進行分類，再把整合完成的表格導入EVS中進行計算，即可得到地質模型，如圖5所示。

圖4 EVS建模主要板塊

2.4 全橋BIM模型設計

通過Bentley平臺的ORD軟件篩選出二維圖紙中橋梁的平面線，在地形與平面線的基礎上進行路線縱斷面的設計，然后使用OpenBridge Modeler(以下簡稱OBM)軟件在路線上布置橋面板與箱梁等上部結構，通過Microstation軟件建立斜拉塔，主橋橋墩與其它細部構件的三維模型，用參數化建模的方法創建出引橋的橋墩，最后在OBM軟件里把建立出部件模型放置在橋梁相應的位置，全橋模型如圖6所示。

圖5 項目地質模型

圖6 培森柳江特大橋BIM模型

2.5 鋼筋模型創建

根據橋梁施工圖紙的鋼筋構造圖，使用Bentley平臺的ProStructures軟件對橋梁的細致部位進行鋼筋建模，為下一步進行鋼筋碰撞檢測奠定基礎。由于本項目0號梁段與主墩的鋼筋布置不規則，需要使用Miscrosation軟件創建曲線幫助鋼筋進行布置。箱梁0號段鋼筋模型如圖7所示，主橋橋墩鋼筋模型如圖8所示。

圖7 箱梁0號段鋼筋模型

3 BIM技術的應用研究

3.1 樁基施工方案選擇與優化

培森柳江特大橋處于溶巖發育區，地質情況較為復雜，若直接進行樁基施工，很大可能會發生施工事故。根據鉆孔數據使用BIM技術可以建立出準確的地質模型，對模型的樁基部位進行定點剖切，隱藏被剖切的部分，可以讓施工人員直觀地看到每一個樁基溶洞的分布狀況與發育情況，如圖9所示。依靠BIM技術，可精準地了解樁基地層分布的厚度與深度，對樁基施工方案的選擇以及對溶洞處理的方法提供參考依據。

圖8 主橋墩柱鋼筋模型

圖9 主橋樁基地質模型

通過EVS軟件分析模型中的地質情況，提前做出處理方案。當深度在0-10m時樁基遇到的主要是雜填土與黏土，幾乎沒有溶洞分布，可直接進行開挖。深度在10-30m時會出現少量溶洞，若洞內有地下水，需將水抽完后再進行開挖； 若為半填充溶洞或空洞，則需要使用鋼護筒跟進成孔進行施工。深度在30m以下時會有許多大型溶洞出現，若為半填充溶洞或空洞時，先使用碎石或沙土填充溶洞，再進行注漿； 若洞內有地下水時，先用鋼護筒法把護筒打到溶洞底層，采用噴射灌漿法固結填充物，再進行施工。使用BIM技術，有效的解決了橋梁樁基施工過程中的難題，施工工期縮短為預計的3/4，保證了項目的高效進行。

3.2 施工場地布置及方案優化

培森柳江特大橋在施工過程中需要進行大量的復雜操作，各施工區交叉作業眾多，容易導致施工現場發生不同施工設施碰撞事故。在施工過程中，許多預制構件的體積龐大，導致施工現場材料的儲存與運輸問題難以得到解決，所以施工前要多次確認大型構件的路線、運輸時間以及進場順序。根據項目要求，使用BIM技術對三維場地進行布置，合理規劃出施工材料的存放位置以及加工區域，讓施工現場的材料運輸路線更為便捷。場地布置如圖10所示。優化后的施工場地減少了施工材料二次運輸，在節約施工成本的同時保證了施工進度計劃的實現，避免了可能出現的路線交叉問題，提高了材料運輸效率。

圖10 施工場地布置

3.3 工程材料用量校核

材料的工程量校核在橋梁項目施工階段非常重要，使用BIM軟件對項目構件的工程量進行統計，可以對圖紙中構建的工程量進行核查。使用Bentley平臺的ProStructures軟件對構件進行工程量統計分析，把建立的三維實體模型導入軟件中，為構件模型賦予材料屬性，軟件就能直接導出工程量統計表。基于BIM技術的工程量統計操作方便快捷，可以為施工與設計人員減少大量的的手算工作。本項目在校核0號梁段鋼筋工程量時發現直徑20mm的鋼筋比圖紙多了0.715t，通過反復核查，最終發現由于人員失誤，少統計了7b號鋼筋0.715t。可見，應用BIM技術統計出的工程量結果科學準確，有效的節約了構件工程量的校核時間，并避免了工作人員的統計失誤。

3.4 鋼筋碰撞檢測分析

基于BIM軟件可以對橋梁中各種構件進行碰撞檢測分析，能夠預先判斷出各工程構件之間的位置是否發生空間位置沖突。Bentley平臺的Navigator軟件可以對不同構件的不同的碰撞類型進行檢測，培森柳江特大橋0號梁段的鋼筋與預應力管道眾多，并且橋墩與橋塔的部分鋼筋也伸入0號梁段內，極易發生位置沖突。鋼筋碰撞示意圖如圖11-12所示。

圖11 橋墩鋼筋與0號段鋼筋碰撞

圖12 預應力管道與鋼筋碰撞

由于墩柱鋼筋與預應力管道的位置調整難度大，所以對0號梁段內的部分普通鋼筋的位置進行調整，根據設計規范，將發生位置沖突的N5A號鋼筋橫向錯位移動2cm，N10B號鋼筋縱向移動3cm。通過BIM技術對鋼筋位置進行調整，使鋼筋避開了與預應力管道的位置沖突，節約施工成本，加快施工進度。

3.5 BIM4D施工進度模擬

施工進度模擬是在BIM三維模型的基礎上，賦予其時間維度形成新的4D擴展模型，通過與甘特圖相關聯，直觀的模擬出不同時間節點需要完成的工程進度。本項目使用Bentley平臺Synchro Pro軟件來進行施工模擬，如圖13-14所示。使用BIM技術對項目進行4D施工進度模擬，以可視化的方式讓施工技術人員提前熟系項目的不同施工階段所需要的工期。通過對施工進度的模擬，實時對施工進度進行監控，并不斷的進行調整，使施工實際進度與設計目標進度保持一致，能夠有效的保證項目工期能夠按時完成。

圖13 主橋施工進度模擬

圖14 合攏段施工進度模擬

4 結論

本文以培森柳江特大橋為實際案例，探究了BIM技術在矮塔斜拉橋施工中的應用。在多個BIM平臺軟件的輔助下，建立了地質模型、橋梁模型、鋼筋模型，保證了橋梁可視化施工的順利進行。在項目施工階段，應用BIM技術解決了施工中的諸多難點，優化施工方案，同時依據可視化模型為施工人員直觀地展示了橋梁施工過程，指導現場施工。BIM技術使培森柳江特大橋大大縮短了施工工期，節約了施工成本，保證了項目能夠順利高效地進行施工。