基于BIM的短線預制箱梁橋設計與線形控制

胡 娟 劉海龍 汪 濤

（1 中國路橋工程有限責任公司；2 東南大學 交通學院)

(3 道路交通工程國家級實驗教學示范中心（東南大學））

0 引言

裝配式建筑最早在西歐國家開始投入實際使用，我國隨著節(jié)段預制拼裝梁技術(shù)的不斷應用，對該技術(shù)的研究也越來越深入[1]。節(jié)段預制拼裝箱梁的優(yōu)點較多[2,3]：①節(jié)段箱梁在預制工廠內(nèi)的預制工作可以和基礎、承臺、橋墩等工作的施工一同進行，節(jié)省工期，有利于加快施工進度；②節(jié)段箱梁標準化模板預制、統(tǒng)一生產(chǎn)，澆筑質(zhì)量高，生產(chǎn)效率較容易得到保證；③節(jié)段預制完成后具有較長的養(yǎng)護時間，混凝土完成了大部分的收縮徐變，成橋后線形優(yōu)美；④節(jié)段箱梁在工廠中預制，方便把鋼筋、管線、水泥漿等施工廢料進行統(tǒng)一處理，減少施工現(xiàn)場及周邊區(qū)域的環(huán)境污染；最后，拼裝施工時無需搭設支架，不受地形影響。通常，市政橋梁工程受到場地范圍小、目標投入等條件限制，一般采用短線法進行節(jié)段預制。使用短線預制法的難點在于，箱梁節(jié)段與節(jié)段間的線形和姿態(tài)精度不易滿足設計要求，其精準度很大程度取決于施工班組的經(jīng)驗和測量人員的業(yè)務熟練度。節(jié)段預制橋梁的施工線形監(jiān)控大多數(shù)都是通過第三方軟件計算生成，數(shù)據(jù)的獲取記錄和調(diào)整過程是以數(shù)據(jù)坐標形式輸出的，無法通過直觀的圖形演示達到方便一線工程人員日常作業(yè)的目標。

BIM 技術(shù)在整個橋梁項目生命周期中的使用帶來橋梁領域巨大的技術(shù)革新。目前，國內(nèi)已經(jīng)建成或在建的特大橋梁，如南京長江五橋、港珠澳大橋和五峰山大橋等，均積極在工程實施的各個環(huán)節(jié)運用BIM 技術(shù)。具體到橋梁工程涉及的職能單位，應用目標和側(cè)重點各有不同。設計單位的應用主要在三維參數(shù)化設計、多專業(yè)協(xié)同設計、圖紙校核和工程量統(tǒng)計等方面。施工單位的應用主要在施工方案深化設計、輔助重難點技術(shù)的執(zhí)行和協(xié)助項目管理等方面。因為傳統(tǒng)的管理模式并沒有發(fā)生實質(zhì)性改變，單純增加基于BIM 的管理平臺往往意味著增加相關工作人員時間及工作量，可以說需求和效益一定程度上限制了BIM 技術(shù)的落地生根。

據(jù)此，本文首先通過對不等跨徑連續(xù)變截面預應力箱梁橋進行參數(shù)化和精細化設計建模、分析計算和拼裝施工過程中的線形控制研究，探索基于BIM 的短線預制拼裝箱梁橋的設計方法和線形監(jiān)控措施。其中Open-Bridge Modeler 軟件中所建立的數(shù)字信息模型，可直接進行預應力筋配置、施加邊界條件和荷載作用，從而杜絕了諸如二次建模的偽BIM 做法；基于C#語言的軟件平臺二次開發(fā)思路和方法，可以為同類橋型施工的線形監(jiān)控數(shù)據(jù)直觀化展示提供借鑒。

1 基于BIM 的參數(shù)化建模方法

基于香港蓮塘-香園圍口岸土地平整及基礎建設工程中的A 橋按南北方位可分為A-N1、A-S1、A-N2 和A-S2 共四聯(lián)，兩主聯(lián)（A-N1 和A-S1）各十跨，兩副聯(lián)（A-S2 和A-N2）各四跨，均屬于不等跨徑連續(xù)變截面預應力箱梁橋。本研究的主要對象即是A-N1 橋，其中上部結(jié)構(gòu)的節(jié)段預制混凝土箱梁段10 跨，共有154 個標準塊，11 個端頭塊和墩頂塊，圖1 為箱梁段典型截面示意圖，截面幾何尺寸數(shù)據(jù)見表1。

參數(shù)化設計是指對構(gòu)件組成分析以及參數(shù)化模型建立這一整體過程。參數(shù)化建模構(gòu)成了參數(shù)化設計的重要組成部分，使用參數(shù)化建模，編輯復雜元素的工作將會非常輕松，用戶無需再手動重建元素，而只需對用于創(chuàng)建對象的參數(shù)稍加更改就能獲得不同的結(jié)果。參數(shù)化建模的關鍵問題就是如何創(chuàng)建一個滿足設計要求的參數(shù)化模型，所以在進行參數(shù)化建模時需要考慮多方面的因素：

⑴分析組成零部件幾何形體的基本元素，以及各個元素之間的關系；

⑵分析自由參數(shù)與哪些元素有關，如何保證參數(shù)的自由變化；

⑶確定模型主體參數(shù)及所有的輔助參數(shù)；

⑷在參數(shù)編輯管理工具中設立相關的模型參數(shù)公式；

⑸確定特征創(chuàng)建順序，并進行模型的創(chuàng)建；

⑹更改各個自由參數(shù)的值，驗證模型的變化是否合理。

圖1 箱梁段典型截面示意圖

表1 箱梁典型截面幾何尺寸數(shù)據(jù)

1.1 參數(shù)化建模軟件平臺

BIM 技術(shù)的應用依托于具體的核心軟件及軟件群實現(xiàn)，這些核心軟件是BIM 技術(shù)得以發(fā)展與廣泛應用的基礎與前提。美國Building Smart 聯(lián)盟主席Dana K.Smith 在其著作中給出這樣的結(jié)論：“依靠一個軟件解決所有問題的時代已經(jīng)一去不復返了”[3]。由于BIM 技術(shù)涉及到工程項目上下游的各層次與工程相關的各領域，所以僅僅依托單一軟件難以實現(xiàn)BIM 技術(shù)的所有方面內(nèi)容，基于核心軟件平臺搭建的軟件系列和軟件群是當前BIM 技術(shù)應用的普遍解決方案。行業(yè)內(nèi)主流的服務提供商包括以AutoCAD 和Revit 軟件為核心的美國Autodesk 公司、以MicroStations 和OpenBridge Modeler 為核心的Bentley 公司、以ArchiCAD 和Allplan為核心的德國Nemetschek 公司以及以CATIA 和ABAQUS 為核心的法國Dassault 公司，其實際應用優(yōu)缺點的總結(jié)比較見表2。

在具體的橋梁工程項目中，從項目最開始的方案設計，到將設計書上具體的設計任務內(nèi)容轉(zhuǎn)化為可見到的模型方案，再到設計完成后的設計出圖等內(nèi)容，僅僅依靠一項單一的核心軟件是完成不了的，也需要其他軟件支持。一個成熟的橋梁工程BIM 技術(shù)解決方案應當包括：方案設計、深化設計、結(jié)構(gòu)分析軟件、可視化和運營管理軟件等。基于上述對現(xiàn)今市場上的主流軟件的介紹，Bentley 系列軟件在道路橋梁領域提供了一整套完整且較為成熟的解決方案，因此本文采用了Bentley 系列軟件進行橋梁的參數(shù)化模型設計和正向設計研究。

1.2 參數(shù)化建模方法與成果

表2 主流BIM核心軟件應用優(yōu)劣

以常見的梁橋來說，其橋梁構(gòu)件主要包括主梁、橋墩、橋臺、樁柱、橫向加勁肋和支座、護欄、燈柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件。橋梁參數(shù)化設計的基礎是實現(xiàn)各構(gòu)件的參數(shù)化。當前OpenBridge Modeler 中支持的橋梁類型有：預應力（預張緊）梁和板橋、鋼結(jié)構(gòu)梁和板橋（軋制形狀或組合）、板橋、節(jié)段預制箱梁橋、懸澆橋（逐跨平衡懸臂）等，暫不適用于較為復雜的斜拉橋、拱橋和懸索橋等模型的建立。各類型橋梁的上部結(jié)構(gòu)建模流程總體相似，建模步驟如下：

⑴上部結(jié)構(gòu)建模。獲取橋位所在地形環(huán)境的dtm 文件和橋梁線形dgn 文件導入OpenBridge Modeler 軟件平臺，選擇節(jié)段預制拼裝橋梁（Segmental）。依據(jù)橋梁縱向橋臺和橋墩分布放置布跨線，針對橋面板懸臂端的長度變化添加與橋梁跨徑相關聯(lián)的變量約束，參數(shù)化自定義主梁橫截面。主梁箱型截面定義好之后，選擇窗口工具欄“實體約束定義”，設置橋A-N1 縱向上的截面變化類型和梁高的變化。

⑵下部結(jié)構(gòu)建模。按通用橋墩圖紙的尺寸設計，調(diào)用OBM 軟件庫中的橋墩和兩側(cè)橋臺的模板庫，通過自定義參數(shù)進行尺寸修改，自動匹配契合到對應布跨線位置處的上部結(jié)構(gòu)底端處。一定數(shù)量的異形花瓶墩，采用MicroStation 平臺進行自定義設計。

⑶支座及附屬設施建模。支座默認采用橡膠支座，附屬設施尺寸形式參照圖紙進行設計。具體操作時，在OpenBridge Modeler 平臺中，調(diào)用支座、護欄等模板，選擇布梁線后，系統(tǒng)自動匹配到已建成的箱型截面主梁橋面板合適位置處。

基于網(wǎng)格化地形和路線的橋A-N1 整體三維數(shù)據(jù)信息化模型見圖2。

2 短線匹配法線形糾偏二次開發(fā)

2.1 監(jiān)控線形控制方法

圖2 A- N1 預制箱梁橋數(shù)據(jù)信息化模型

短線匹配法預制，是將連續(xù)梁劃分為多個短節(jié)段，考慮荷載、預拱度、混凝土彈性模量、收縮徐變等因素后，將橋梁結(jié)構(gòu)線形空間坐標轉(zhuǎn)換成預制單元坐標系，以相鄰的前一梁段作為匹配梁段來控制待澆梁段的幾何尺寸和線形，確保相鄰梁段的拼接精度，圖3 為梁段預制示意圖。文獻[4]指出短線法預制幾何控制流程，在每塊梁段的預制完畢過程中，該梁段施工誤差將在該塊梁段移至匹配梁段的位置時，短線法誤差控制系統(tǒng)將自動比較匹配各測點的實測值與設計所給定的理論目標值的差別并提出后續(xù)待匹配梁段各測點目標值。

圖3 短線梁段預制示意圖

假設預制節(jié)段頂面理論上是一個平面，若高程控制點誤差發(fā)展延伸到整個節(jié)段，則箱梁頂面將會成為一個翹曲的雙曲面，四個高程控制點很難恰巧處于同一個平面內(nèi)。因此，幾何控制點偏離其理論高程位置，將形成高程誤差和接縫面橫坡誤差。在忽略新澆筑節(jié)段在其澆筑位置發(fā)生水平位置偏離的前提下，采用分段閾值逐次糾偏法對短線匹配法的線形進行糾偏，即不在當下新澆筑的箱梁節(jié)段的澆筑過程中一次性地將誤差調(diào)整掉，而是期望在之后的若干個節(jié)段的澆筑過程中，逐步地將此前存在的高程偏差分攤掉，達到誤差糾正的目的。根據(jù)節(jié)段施工的經(jīng)驗性誤差數(shù)據(jù)，設定相對高程誤差閾值，例如：

式中：

η——節(jié)段高程控制線控制點的相對高程誤差；

Zi——節(jié)段高程控制線控制點的理論高程坐標；

Zi1——節(jié)段高程控制線控制點的實測高程坐標；

⑴相對高程誤差η≤α%，新澆筑節(jié)段一次性糾正上一節(jié)段的誤差；

⑵相對高程誤差α%＜η＜b%，待澆筑兩節(jié)段均分糾正當前節(jié)段的誤差；

⑶相對高程誤差b%＜η＜c%，待澆筑三節(jié)段平均糾正當前節(jié)段的誤差；

⑷相對高程誤差η＞c%，待澆筑四節(jié)段平均糾正當前節(jié)段的誤差。

圖4 二次開發(fā)的編程框架示意圖

表3 程序框架具體模塊功能描述

2.2 線形糾偏二次開發(fā)

根據(jù)上述的施工監(jiān)控線形糾偏思路，本研究基于OpenBridge Modeler CONNECT Edition SDK 和Visual Studio 2017，采用C# 語言進行了二次開發(fā)[5]，BridgeSolution 程序框架如圖4 所示，具體模塊的功能說明見表3。

在此程序框架下，用戶可以進入OpenBridge Modeler 軟件主菜單下，使用key-in 命令加載自定義的Bridge 施工監(jiān)控插件，完成對工程節(jié)段箱梁理論線形的建立。在此基礎上，添加表格坐標數(shù)據(jù)行，手動輸入施工監(jiān)測高程至目前施工號段，點擊更新高程按鈕，誤差和調(diào)整立模高程即自動計算出來。選定適當?shù)目s放比例，繪制所需的三維線形Z 或者Z＇，刷新模型窗口進行投影顯示。

因此，OpenBridge Modeler 窗口范圍內(nèi)的誤差表示曲線，可以實現(xiàn)動態(tài)查看和延伸，不單單只是以圖線的形式展現(xiàn)實際與理論之間的誤差，而是實現(xiàn)包括誤差的閾值判斷、調(diào)整分配與糾正反饋在內(nèi)的閉環(huán)工作流程。

程序插件功能測試過程中，將節(jié)段幾何控制點的理論高程曲線（藍色）、實測高程曲線（黑色）、高程偏差連線（橙色）和誤差顏色預警（扁平圓錐體）在同一個三維立體坐標中生成，圖5 實現(xiàn)直觀展示監(jiān)控線形的糾偏效果。

圖5 二次開發(fā)的線形糾偏效果

3 小結(jié)

本研究將BIM 技術(shù)引入短線預制拼裝的預應力混凝土箱梁橋的設計和施工階段，通過借助Open Bridge Modeler、RM Bridge 和相關程序開發(fā)軟件，進行了預制箱梁橋結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模和施工監(jiān)控的線形糾偏二次開發(fā)。并得出以下結(jié)論：

⑴基于BIM 技術(shù)建立節(jié)段預制箱梁橋的精細的三維參數(shù)化模型，一定程度上杜絕傳統(tǒng)設計長期存在重復建模的低效率現(xiàn)狀。

⑵基于對水平方向偏差的忽略，短線匹配法的線形糾偏施工監(jiān)控可以使用分段閾值逐次糾偏法的開發(fā)思路；立足于Open Bridge Modeler 軟件進行二次開發(fā)，直觀方便地克服箱梁節(jié)段與節(jié)段間的線形和姿態(tài)滿足精度要求的難點。