BIM和Mi das 軟件在鋼箱梁施工中的組合應用

李佶桐

（中交四公局第三工程有限公司，北京 100123）

1 工程概況

貴州江玉高速岳家寨樞紐互通E 匝道橋跨既有S30 江都高速公路、岳家寨樞紐互通E 匝道橋第2 聯上部結構（8.5 m+10 m+9.5 m+8 m）采用1 聯鋼混組合梁，其中，鋼箱梁主材采用Q345q-C 鋼材。鋼箱梁位于11～12 號墩，全幅位于緩和曲線上，采用單箱雙室等截面連續鋼箱梁，長度為36 m，總重181.6 t，順橋向布置縱向板肋，每隔1.5 m 設置1 道橫隔板，橫隔板分為實腹式橫隔板及框架式橫隔板。結構吊裝盡可能采用大塊件，以減少現場焊縫數量，拼接縫不應設在支點和跨中附近，連接方式均采用焊接形式。

2 BIM技術和Mi das 軟件介紹

BIM 技術可實現集成化設計、優化設計、創新設計等，從而給施工帶來極大的便利。

在施工階段，利用BIM 技術可以建立精確的、完整的三維可視化設計模型，尤其對本工程涉及跨既有高速公路鋼箱梁施工，由于鋼箱梁跨既有高速拼裝施工復雜、交通及施工風險較大，因此，利用BIM 技術模擬施工過程和施工現場，可以降低施工風險和成本。

邁達斯（Midas）有限元分析軟件，主要用于地下結構、工業結構、橋梁結構等結構的分析與設計，特別是橋梁結構Midas 軟件中，基本涵蓋了國內的規范和標準，目前在各大高速公路、鐵路等工程建設中被廣泛采用。本工程鋼箱梁臨時支撐的搭設、使用、拆除過程中，利用Midas 軟件對臨時支撐進行受力分析驗算，相比于傳統手算，其分析完畢即可查看結果，將一堆枯燥的數字通過軟件的運算轉化成生動的云圖，更直觀明了[1]。

3 BIM技術在鋼箱梁施工中的運用

在岳家寨樞紐互通E 匝道橋跨江都高速項目中，BIM 技術建模主要解決的是本工程在施工過程中鋼箱梁的分段架設及交通導改之間的問題。針對此，BIM 技術可提供更清楚的三維展示。E 匝道橋鋼箱梁上跨江都高速公路，交角87.8°，本工程位于半徑為70 m 的圓曲線上，縱斷面位于半徑為1 800 m 的豎曲線上。

鑒于E 匝道橋鋼箱梁結構系統中豎曲線及平曲線設計較大，結構構造比較復雜，利用傳統的二維施工圖對鋼箱梁進行加工和拼裝會產生偏差，最終會使鋼箱梁的整體線形無法滿足設計要求。這是因為傳統施工圖具有線條復雜、空間關系表達不清晰、不易發現問題等缺點。

對此，使用BIM 技術可獲得三維可視化圖形，其采用三維立體建模代替二維平面成像，具有道路關系清晰、展示一目了然、可以快速發現問題等優點。因此，采用BIM 技術可有效幫助工程進行合理的施工組織和設計，減少道路交通和安全方面的影響，優化施工工期。

另外，BIM 技術將施工場地布置和橋梁模型組合放入施工模擬軟件內，利用軟件模擬整個鋼箱梁拼裝施工過程。通過利用更加直觀、立體的三維動畫模擬，找出鋼箱梁拼裝過程中有可能出現的難點和危險點，并針對其特點進行調整與優化，從而形成能夠用以指導鋼箱梁施工的可實施性方案，確保鋼箱梁安裝過程的順利和施工質量，提高實際安裝效率和精準度。

BIM 技術在提取鋼箱梁各零件的信息并優化后，可以對鋼箱梁的零件進行數據統計，從而確定各組件的規格和數目清單，并根據清單使用自動化智能排版技術完成自動排版、檢查調整，最終獲得下料圖。不僅如此，BIM 技術還能在利用原料進行數字化精準切割下料后，對照模型和下料編號進行依次組合，依次按照正確的焊接順序完成構件的焊接，并進行檢查校正。

完成上述步驟后，就可以根據模擬預安裝進行現場實施性拼裝，鋼箱梁吊裝到位后先進行初步定位，再通過微調設備完成精準定位，最后進行焊接。

4 Mi das 軟件在臨時支撐計算中的運用

本工程E 匝道橋鋼箱梁中間臨時支架結構由橫梁（分配梁）及立柱組成：

1）分配梁采用熱軋H 型鋼HM300 mm×300 mm×10 mm×15 mm 制作，立柱采用φ450 mm×10 mm 鋼管，中間橫、斜撐采用角鋼P180×10 連接成整體；

2）用φ450 mm×10 mm 的鋼管組成2×3m 井字型支架；

3）材料均為Q235B；

4）抗拉、抗壓、抗彎強度設計值為215 N/mm2；

5）抗剪強度設計值為125 N/mm2。

4.1 岳家寨E匝道第4 聯鋼箱梁分段劃分

依照設計圖紙的要求，綜合考慮鋼箱梁（結構節段劃分見圖1）分段廠內制造、運輸、現場安裝等因素的影響，確定以下分段原則：

圖1 鋼箱梁結構節段劃分

1）盡可能減少現場焊縫數量，分段劃分主要采用橫向和縱向劃分方式。

2）根據現場情況確定分段質量和長度，最大限度地減少現場焊接工作量，采用大構件、大跨度吊裝。

3）鋼箱梁為單箱雙室，分段寬度控制在4.8 m 內，長度以中分帶臨時支撐為基準劃分。

4.2 岳家寨E匝道第2 聯鋼箱梁分段參數

岳家寨E 匝道第2 聯鋼箱梁分段參數見表1。

表1 E匝道第2 聯鋼箱梁分段參數表

4.3 有限元模型的建立

采用Midas 軟件對施工過程中的臨時支撐體系進行強度、剛度及穩定性分析，其中的要點如下：

1）定義單位體系。kN（應力），m（長度）。

2）確定結構類型。Midas 軟件是為分析三維空間結構而開發的。

3）建立結構模型。建立節點和單元，節點一般建在支撐部位、集中荷載、2 個單元的連接處、邊界條件等部位，節點坐標定義為三維空間坐標，單元均采用一般梁單元。

4）定義材料和截面特性。包含臨時支撐所用的材料和截面材料。

5）定義荷載和荷載組合。包括移動荷載、恒荷載、風荷載等。

6）定義邊界條件。根據實際情況將約束臺架柱底3 個方向的平動自由度定義為：X 向平行于紙面水平向右為正：Y 向平行于紙面水平向上為正；Z 向垂直于紙面向外為正。

7）定義施工階段。根據各工況，激活和鈍化結構組、邊界組和荷載組。

8）運行結構分析。

5 BIM技術、Mi das 軟件與傳統手算方法的對比分析

1）運用BIM 技術可助力工程項目數字化變革，即通過虛擬建模和真實地貌相輔相成，從而實現工程實體的數字化和環境要素的可視化。

2）BIM 技術可視化模型將傳統的二維線條式的鋼箱梁結構，形成了一種三維的立體實物圖，更直觀、更真實。

3）BIM 技術能夠從根本上改變依靠符號文字形式圖紙進行項目施工管理的方式，從而在建設項目全生命周期內實現提高工作效率和質量、減少錯誤和風險的目標。

4）相對于傳統的手算，Midas 軟件計算精度更高，可以很好地輔助鋼箱梁施工過程的控制管理，使施工過程可借助計算結果，做到有的放矢，抓重點、抓關鍵，與此同時，為結構優化提供了依據。

5）Midas 軟件計算過程更為細化，且計算結果能夠可視化。但傳統手算方法往往更注重結構的使用功能，忽略了結構施工過程，這為后續結構施工埋下了較大的安全隱患。

6）Midas 軟件僅通過建立模型以及輸入各種荷載和邊界條件就可以得到各種荷載下的結構受力計算結果，大幅度地減少了重復的計算工作，從而提高了效率。

6 結語

BIM 技術的出現引發了工程建設領域的第二次數字革命，不僅帶來現有技術的進步與更新換代，也將影響生產組織模式與管理模式的變革，這將推動人們思維模式的轉變。施工組織就是對施工活動實行科學管理的重要手段，通過BIM 技術，可以對施工重點和難點進行可見性模擬，提高工程的可造性。Midas 軟件以往多運用于永久結構設計方面，而在臨時結構計算方面運用較少，如果施工（監理）單位的人員熟練掌握并運用該軟件，將使結構計算精度大大提高，而且有利于施工過程的安全控制；同時，臨時結構設計也將更加優化，從而大大提高項目的經濟效益。