基于BIM的橋梁施工監控技術應用★

朱 維 香

(浙江廣廈建設職業技術大學，浙江 東陽 322100)

0 引言

BIM作為建設行業信息化重要支撐，在建筑行業運用已較普遍，而在交通行業正處于探索階段。斜拉橋作為高次超靜定結構，操作過程復雜，影響參數眾多，對線形、內力、位移等控制要求也極其嚴格[1]。本文以杭州灣大道橫江橋梁工程為依托，利用BIM開展施工監控，通過建造過程的可視化模擬使得操作過程更直觀、更易發現問題，增強對施工過程的預知能力。通過對施工現場數據的動態采集、分析及反饋，為施工提供更準確、更精細的數據支持，為同類型橋梁施工的監測與控制提供一定的借鑒。

1 工程概況

1.1 工程結構

杭州灣大道橫江大橋工程橋梁全長234.4 m，其中主橋為總長171 m的獨塔斜拉橋，引橋總長60 m的兩跨預應力混凝土連續箱梁橋，主橋寬40.5 m，引橋橋寬36.5 m，主橋通航凈空為30 m×2.5 m。主橋為空間雙索面交叉拱獨塔斜拉橋，共設13對鋼絞線拉索，主梁為預應力混凝土箱梁。本橋獨特之處在于主塔由兩個獨立的傾斜曲線拱組成，主跨及邊跨斜拉索分別拉在兩個拱上，形成相對獨立的無備索拱塔，具體見表1，圖1。

表1 杭州灣大道橫江大橋結構組成

1.2 施工工藝

主橋采用支架現澆施工。主梁全長171 m，分為8個施工節段；施工完成承臺及墩柱后，搭設支架，預壓后，從邊跨向主跨側在支架上澆筑主梁節段，并逐段張拉預應力鋼束，直至完成8個施工節段循環。主塔大拱塔劃分為17個節段，小拱塔劃分為15個節段，同時采用節段對稱吊裝施工，現場焊接，直至拱頂合龍；張拉大小拱塔之間的臨時連接索，由塔底向塔頂依次分節段灌注微膨脹混凝土。待塔內混凝土強度達到設計強度的90%時，大小拱塔同時左右對稱張拉斜拉索，斜拉索張拉從塔根由下至上。斜拉索全部張拉結束后，拆除主塔臨時連接拉索、支架、主梁現澆支架及塔吊，再是二期橋面布置，最后驗收。

2 施工監控方法及內容

2.1 自適應控制法

近年來，橋梁的施工控制越來越被工程界重視，提出了多種監控方法。根據對誤差處理方法不同，主要有開環控制、反饋控制、自適應控制等方法[2]。本橋為較新穎的交叉拱獨塔斜拉橋結構，無論是計算還是施工都存在很高的要求，技術含量較高，綜合考慮本工程選用自適應控制法。

自適應控制方法主要是通過在施工現場獲得實測數據進行關鍵參數識別，然后對結構分析模型進行誤差修正，是一個預告→施工→量測→計算→參數識別→分析→修正→預告的循環過程。通過幾個工況反復識別，計算模型與實際結構基本一致，從而達到對施工狀態更好的控制，為后續高精度監控奠定基礎。控制原理見圖2。

2.2 施工監測內容

本橋施工過程復雜，為了防止不利受力情況出現，準確的主塔節段定位、合理的索力和合理的主塔主梁合龍工藝非常重要，需要采取嚴格措施，如控制主塔節段定位坐標、主塔混凝土澆筑時間、主梁混凝土澆筑方量誤差、預應力鋼束張拉、施工荷載的堆放、控制施工步驟和工況、施工工藝以及增加高程測量和索力測量次數，并限制其主塔兩側不對稱性等。

本橋施工主要監測內容有主橋監測、定位側移沉降監測、鋼錨箱的應變—應力測量、斜拉索索力測試、現場混凝土試驗等幾大方面。主橋監測主要內容有：1)鋼混組合交叉曲線拱主塔監測。主要有主塔鋼節段施工定位控制監測、主塔塔頂側移的工況監測、索塔鋼結構應力—應變監測、測點的溫度測量、氣溫記錄等。2)預應力混凝土主梁監測。主要有主梁全線標高的測量、主梁關鍵截面應力—應變的監測、主梁斜拉索錨管空間空位控制、橫梁監測等。3)鋼絞線斜拉索監測。主要對斜拉索索力進行監測。4)主橋基礎監測。主要是對沉降和變形開展監測。5)混凝土材料性能監測。在橋梁施工過程中，對主塔C40與主梁C50的實際抗壓強度、抗壓彈性模量及主梁C50的抗彎彈性模量等進行混凝土材料試驗。6)預應力鋼束損失參數的驗證。通過實際有效永存應力現場試驗，驗證設計參數正確性。7)混凝土裂縫檢查。每個節段施工完成后對主橋結構進行關鍵重點部位的裂縫普查，對出現的裂縫進行長期監測，防止和避免裂縫出現引起意外問題。

2.3 施工監測點布置

根據監測內容，開展施工監測測點布置，主要有主塔定位及變形監測點、主橋變形測點、主橋沉降監測點、主梁主塔結構應力及溫度場監測點、斜拉索索力監測點等方面。其中主塔施工定位及變形監測點布置見圖3。

本橋拱塔采用鋼節段現場焊接拼裝工藝，大拱塔分17個節段，小拱塔分為15個節段，各包括一個合龍段。每個待拼裝鋼節段設置4個空間坐標監測點，每個已拼裝鋼主塔設置2個空間坐標監測點，施工過程中主要監測每個塔柱J節段的空間坐標定位及已拼裝主塔節段的位移。主塔封頂后監測各節段的2個坐標監測點，并在塔頂設置2個全站儀觀測棱鏡，觀測塔頂三維變形。施工中應注意測點的保護，測量數據應保持連續性，測量時間應符合監控要求。

3 施工監控BIM應用

斜拉橋施工控制BIM應用流程中信息獲取是其控制管理的基礎和關鍵階段，信息分析階段可利用BIM技術進行可視化的對比分析，然后是進行施工控制評價，最后是對信息進行集成管理，BIM應用實施流程詳見圖4。

3.1 施工模擬

本工程施工模擬主要是可視化模擬及有限元模擬兩方面。通過BIM呈現動態可視化模擬，分析工序及資源配置等可行性，處理模擬中出現的問題，提前排除危險，優化方案。同時，BIM模型是一個數據集成體，通過相關插件轉化成有限元模型，進行施工監測分析，減少重復勞動。

3.2 施工監測

建立構件監測傳感器信息智能化采集系統，結合三維激光掃描、GIS測量等自動化量測技術，將橋梁施工現場線形測量數據進行實時獲取并集成到施工監控BIM應用系統平臺，項目管理人員可通過手機等獲取BIM平臺信息，精準掌握構件的線形及內力狀態，實現數據實時動態顯示[3]。

3.3 數據可視化分析及反饋

在BIM模型中將施工現場監測數據及有限元模擬的理論數據以應力、變形“云圖”的樣式呈現，達到監控數據可視化分析及評價[3]。結合環境等因素，偏差對比分析，自動糾偏，取得關鍵指標，再下達后續指令，達成全過程監控；若應力變形超過誤差界限，則自動預警，暫停動工，調整方案。

3.4 信息協同管理

施工監控BIM應用系統是相關單位協同管理的基礎，各單位的相關數據資料都集成于BIM中。在施工監控過程中，信息發生變更，可實時進行信息變更，并及時通知項目各參與方，實現信息協同管理。

4 施工監控結果分析

本橋的施工步驟較多，工藝復雜，影響結構誤差因素也多，需在每個節段給出指令進行施工指導，對實測數據誤差分析并進行動態調整等。其中主塔由MS1號張拉至MS13號過程中其根部應力數據見表2。

表2 MS1號張拉至MS13號過程中主塔根部應力數據 MPa

主塔在混凝土灌注過程中大小塔柱塔頂測點X向面內位移坐標變化部分結果見圖5。

從實測值與理論值的對比的圖、表可知，主塔在斜拉索張拉過程中結構穩定，結構的理論變形及應力變化與實測值數據基本吻合。施工工序應按監控工序進行，現場斜拉索按超張拉5%，施工中應注意多次檢查主塔塔根索外側混凝土。

5 結語

在杭州灣大道橫江大橋施工過程中，按照自適應控制法進行施工監測，運用BIM技術進行橋梁施工全過程控制，實現施工可視化模擬及信息協同管理，為施工監控提供更準確、更精細的數據支持及協作平臺，最終大橋施工順利完成既定目標。