基于BIM+FEM協(xié)同技術(shù)的寬幅鋼箱梁優(yōu)化分塊與整體頂推技術(shù)研究

李正全、趙貴朋

（中國(guó)水利水電第七工程局有限公司一分局，四川彭山 620860）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，BIM 技術(shù)在項(xiàng)目建設(shè)中的應(yīng)用逐漸拓寬和深入，推動(dòng)著智能建造的快速發(fā)展。BIM 技術(shù)在工程施工過(guò)程中的廣泛應(yīng)用，不僅能夠解決施工過(guò)程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題，也能夠促進(jìn)施工管理質(zhì)量與效率的不斷提升[1-3]。現(xiàn)如今，國(guó)內(nèi)利用BIM指導(dǎo)施工還存在一些問(wèn)題，其中就包括施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)安全等問(wèn)題。在信息化管理、模型可視化及三維建模等方面，BIM 建模軟件均具有良好的應(yīng)用效果，表現(xiàn)出其獨(dú)有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，由此可實(shí)現(xiàn)利用現(xiàn)代化信息技術(shù)手段對(duì)建筑施工全過(guò)程進(jìn)行管理的目標(biāo)。FEM方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變形與應(yīng)力的計(jì)算分析[4-5]。因此，將FEM 和BIM 技術(shù)引入橋梁工程建設(shè)中可以推動(dòng)建筑工程施工質(zhì)量的提高，實(shí)現(xiàn)降本增效的管理目標(biāo)，提高寬幅鋼箱梁的施工效率和施工管理水平。

1 工程概況

韓灘雙島大橋橋梁總長(zhǎng)度為1297m，主橋長(zhǎng)度為860m，主跨長(zhǎng)430m，邊跨長(zhǎng)215m，主橋?yàn)殇撓淞航Y(jié)構(gòu)，橋面寬度為38m，共分為71 節(jié)段，總重17000t，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段尺寸長(zhǎng)度為12m×38m，單節(jié)段重233t，最重節(jié)段為377t。

2 寬幅鋼箱梁優(yōu)化分塊與拼裝

受現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸和吊裝條件限制，該工程主梁需要分節(jié)段、分塊加工，現(xiàn)場(chǎng)焊接之后再進(jìn)行整體頂推施工，主要包括以下問(wèn)題：

第一，韓灘雙島大橋主梁為桁架隔斷鋼箱梁，如何進(jìn)行橫向分塊，國(guó)內(nèi)研究鮮見(jiàn)。分塊大，吊裝運(yùn)輸困難，且因?yàn)闄M隔為桁架，需要考慮分塊吊裝施工狀態(tài)的剛度；分塊小，焊縫太多，焊接殘余應(yīng)力和殘余變形對(duì)主梁結(jié)構(gòu)的影響過(guò)大。

第二，無(wú)法試錯(cuò)。一旦加工完成，現(xiàn)場(chǎng)焊接發(fā)現(xiàn)上述問(wèn)題后，糾正困難。

第三，橫隔為桁架，拼裝的時(shí)候定位控制困難。

針對(duì)以上問(wèn)題，文章提出了用FEM 模擬焊接影響確定分塊數(shù)量和焊縫位置，再用BIM 技術(shù)模擬預(yù)拼裝的方法。

2.1 利用FEM 技術(shù)模擬焊接影響確定分塊拼裝

對(duì)大型鋼箱梁進(jìn)行分段、分塊安裝的主要特點(diǎn)是，分塊后的結(jié)構(gòu)可以由工廠加工，質(zhì)量保障性好，分塊的拼裝線形和質(zhì)量易于保證，常規(guī)起重設(shè)備即可滿(mǎn)足吊裝要求，滿(mǎn)足韓灘雙島大橋工期、施工場(chǎng)地及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等各方面的要求。

鋼箱梁?jiǎn)卧謮K應(yīng)考慮橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和斷面形式，同時(shí)，還應(yīng)考慮的分塊原則有：鋼箱梁制造條件、設(shè)備吊裝能力、運(yùn)輸要求及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等。

總體來(lái)說(shuō)，韓灘雙島大橋主梁為桁架橫隔的鋼箱梁，橫向分塊使原箱梁成了不對(duì)稱(chēng)開(kāi)口薄壁截面，其抗扭轉(zhuǎn)能力急劇下降，這會(huì)導(dǎo)致吊裝時(shí)鋼箱梁容易發(fā)生局部屈曲的現(xiàn)象，施工質(zhì)量難以控制。因此，必須科學(xué)地制定分塊原則，并進(jìn)行詳細(xì)深入地分析來(lái)確定單元分塊。

首先，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)初擬的分塊方案，建立了復(fù)雜的空間有限元模型，模擬焊接的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)合殘余變形，從而獲得最優(yōu)的分塊數(shù)量和焊縫位置。其次，分段數(shù)越多，焊接部位就越多，存在的缺陷也就越多，這會(huì)造成梁體質(zhì)量較低，應(yīng)力集中和殘余變形多；同時(shí)，臨時(shí)胎架的數(shù)量也會(huì)相應(yīng)增加，造成起重機(jī)、人力等資源的浪費(fèi)，不符合經(jīng)濟(jì)性的要求。除此之外，還會(huì)削弱主梁的抗剪剛度，影響結(jié)構(gòu)的安全和耐久性。若分段數(shù)太少，則每個(gè)分段的重量會(huì)偏大，超出起重范圍，在施工時(shí)會(huì)難以控制。更重要的是，韓灘雙島大橋的運(yùn)輸條件極為有限，過(guò)大的分段無(wú)法運(yùn)輸進(jìn)場(chǎng)拼裝。

最終確定的解決韓灘雙島大橋主梁分塊問(wèn)題的技術(shù)路線為：

第一，先根據(jù)設(shè)計(jì)確定的12m 節(jié)段為縱向分塊長(zhǎng)度，然后根據(jù)上述原則進(jìn)行橫向分塊研究。

第二，通過(guò)進(jìn)行頂板典型寬度的焊接分析，獲得焊接的參與變形和殘余應(yīng)力分布情況與峰值情況。初步選取獲得橫向的分塊。

第三，根據(jù)橫線分塊，分別建立分塊的有限元模型，進(jìn)行吊裝施工態(tài)有限元分析，獲得結(jié)構(gòu)的變形、局部穩(wěn)定性驗(yàn)算，以驗(yàn)證合理性。

第四，將焊接計(jì)算的殘余變形利用BIM 計(jì)入拼裝模型，進(jìn)行BIM 帶缺陷的數(shù)字化預(yù)拼裝，檢驗(yàn)最終吊裝到位、焊接之后鋼梁的整體質(zhì)量情況。

2.2 基于BIM 技術(shù)的模擬預(yù)拼裝

模擬預(yù)拼裝的組成可分為多個(gè)構(gòu)件拼裝擬合和單個(gè)構(gòu)件尺寸檢驗(yàn)兩個(gè)部分，在預(yù)拼裝模擬階段選擇應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)手段，可以取得良好的實(shí)體拼裝效果，與實(shí)體預(yù)拼裝操作方法相比，模擬處理的方式取得的效果更好。當(dāng)前階段，在模擬預(yù)拼裝操作環(huán)節(jié)存在兩種類(lèi)型的處理方式：第一種是比對(duì)實(shí)測(cè)坐標(biāo)點(diǎn)和理論坐標(biāo)點(diǎn)之間的關(guān)系，這種處理方式的實(shí)質(zhì)完全等同于實(shí)體預(yù)拼裝；第二種是比對(duì)分析實(shí)測(cè)模型和理論模型。

比對(duì)分析實(shí)測(cè)模型和理論模型的過(guò)程，是以設(shè)計(jì)階段或設(shè)計(jì)圖紙搭建的理論模型為依據(jù)，加工完成各類(lèi)零部件以后，再對(duì)其展開(kāi)測(cè)量，完成實(shí)測(cè)模型構(gòu)建，對(duì)拼裝的過(guò)程進(jìn)行模擬。

比對(duì)分析實(shí)測(cè)坐標(biāo)點(diǎn)和理論坐標(biāo)點(diǎn)的過(guò)程，按照理論模型完成對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系構(gòu)建，主要的測(cè)量控制點(diǎn)可選擇構(gòu)件尺寸關(guān)鍵控制點(diǎn)，完成拼裝以后再進(jìn)行測(cè)量，將獲得的實(shí)際坐標(biāo)值錄入計(jì)算機(jī)設(shè)備中，轉(zhuǎn)化坐標(biāo)，并擬合對(duì)比分析理論模型中的控制點(diǎn)坐標(biāo)值。

2.3 小節(jié)

橋梁縱向分段、橫向分塊的施工方案，并利用BIM+FEM 技術(shù)對(duì)分塊方案進(jìn)行優(yōu)化，有效解決了制造、運(yùn)輸、吊裝和拼裝等方面的施工難題，既保證了施工質(zhì)量，又加快了施工進(jìn)度。

利用BIM 技術(shù)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件空間立體模擬，通過(guò)提前碰撞檢測(cè)，可對(duì)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行深化與審核，有效解決設(shè)計(jì)圖紙中出現(xiàn)的遺漏、錯(cuò)誤、偏差等各類(lèi)問(wèn)題，從而最大化地降低后續(xù)設(shè)計(jì)與施工階段的變更概率，提高設(shè)計(jì)與施工進(jìn)度，保證施工質(zhì)量。

3 整體頂推技術(shù)研究

由于條件限制，采用全橋頂推的施工工藝，將鋼箱梁從中間往兩邊全橋頂推，為國(guó)內(nèi)同類(lèi)型橋梁施工首次采用。

鋼箱梁采用單節(jié)鋼箱梁劃分為8 個(gè)小節(jié)段，最重節(jié)段為50.5t，在廠內(nèi)進(jìn)行加工制作，運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后，采用2 臺(tái)56t 龍門(mén)吊吊裝至拼裝平臺(tái)進(jìn)行組拼，組拼按照“3+1”的模式進(jìn)行，組拼完成后，采用800t 步履式千斤頂頂推至設(shè)計(jì)位置。步履頂頂升頂由1 臺(tái)400t和2 臺(tái)200t 千斤頂構(gòu)成，最大頂升15cm，頂推頂由2個(gè)30t 千斤頂組成，每次行程30cm。滑箱兩側(cè)設(shè)4 個(gè)糾偏頂，單次可糾偏5cm。全橋共設(shè)置36 臺(tái)步履頂。

鋼箱梁頂推施工過(guò)程中存在的問(wèn)題：

鋼箱梁頂推過(guò)程中，最多需18 臺(tái)步履式千斤頂同時(shí)作業(yè)，在鋼箱梁無(wú)應(yīng)力制造線形中要設(shè)置預(yù)拱度，預(yù)拱度是變曲率豎曲線。在實(shí)施鋼箱梁頂推工程期間，支撐位置的豎向反力相對(duì)較大，在臨時(shí)墩的鋼箱梁位置會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)性的轉(zhuǎn)角位移。若是在施工操作期間出現(xiàn)鋼箱梁頂推不同步的現(xiàn)象，將導(dǎo)致設(shè)置預(yù)拱度的梁底與支承面接觸不均勻，鋼箱梁的受力將變得不利。因此，如何保證多達(dá)18 臺(tái)步履式千斤頂同步頂推及線型控制是研究的重難點(diǎn)。在鋼箱梁頂推過(guò)程中，既要確保主梁線形及臨時(shí)墩受力，保證導(dǎo)梁擾度控制，又要保證橫向位移受控，這一過(guò)程技術(shù)難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高。

3.1 基于FEM 推頂施工全過(guò)程分析

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于鋼箱梁步履式頂推施工技術(shù)一般采用有限元模擬研究，或根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際工程研究，較少有將兩者結(jié)合的研究。文章以韓灘雙島大橋的施工工藝為依據(jù)展開(kāi)分析，在結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中選擇使用鋼箱梁步履式頂推模式，通過(guò)應(yīng)用MIDAS/Civil（邁達(dá)斯工程軟件）完成橋梁各構(gòu)件的有限元模型構(gòu)建，綜合采用有限元和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的技術(shù)手段保障施工安全，對(duì)主橋部分的施工具有指導(dǎo)作用。

以韓灘雙島大橋?qū)嶋H結(jié)構(gòu)為原型，使用有限元軟件MIDAS/Civil 建立大橋的頂推施工模型，設(shè)定橋梁頂推施工整體配置，模擬橋梁頂推的施工工序，并將整個(gè)施工工作分為多個(gè)階段，分析每一個(gè)施工階段的受力情況，計(jì)算頂推施工中梁段自重、鋼導(dǎo)梁受力情況及懸臂端變形等對(duì)鋼箱梁受力的影響。模擬結(jié)果表明，隨著頂推長(zhǎng)度的不斷增加，最大位移、應(yīng)力也隨之增大。

主要施工階段應(yīng)力：最大應(yīng)力發(fā)生在桁架部分，為141.5MPa，且各工況最大應(yīng)力均小于限值，后續(xù)參考也可適當(dāng)增加頂推長(zhǎng)度。

臨時(shí)墩在施工過(guò)程中的最大反力：頂推過(guò)程中各墩頂支點(diǎn)反力均較小，最大為18300kN，最不利臨時(shí)墩為節(jié)點(diǎn)313 處的臨時(shí)墩。

經(jīng)過(guò)對(duì)鋼箱梁頂推施工階段分析，其總體計(jì)算結(jié)果步履機(jī)最大反力為658.8t，故按最大反力來(lái)計(jì)算。頂推器頂面墊梁有效長(zhǎng)度為1200mm，鋼箱梁腹板厚20mm，因此，頂推過(guò)程中鋼箱梁腹板的局部壓應(yīng)力為：

滿(mǎn)足規(guī)范要求。

由以上計(jì)算分析可知，各結(jié)構(gòu)受力滿(mǎn)足要求。為進(jìn)一步保證頂推安全，可適當(dāng)增設(shè)加勁板，控制鋼箱梁線形。

3.2 基于BIM 技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)仿真

采用三維視頻融合技術(shù)，將現(xiàn)實(shí)中視頻監(jiān)控所拍攝的畫(huà)面與BIM 三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)全時(shí)空立體融合；在系統(tǒng)中控制攝像頭的視角和畫(huà)面時(shí)，虛擬攝像頭會(huì)實(shí)時(shí)同步，實(shí)現(xiàn)虛擬模型與現(xiàn)實(shí)施工情況的對(duì)比。在施工過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)某部分施工完成后，發(fā)現(xiàn)與圖紙模型有差距，如果此時(shí)再進(jìn)行返工，就會(huì)造成材料浪費(fèi)以及工期拖延。而通過(guò)平臺(tái)的施工現(xiàn)場(chǎng)傳感器采集數(shù)據(jù)上傳并與圖紙和模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，管理者會(huì)收到報(bào)警信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工錯(cuò)誤，再通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)視頻觀察后進(jìn)行后期規(guī)劃，能把施工錯(cuò)誤造成的損失降到最低。

以設(shè)計(jì)完成的施工圖為依據(jù)，對(duì)項(xiàng)目工程的施工作業(yè)顆粒度做出分析，與項(xiàng)目工程的施工進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行結(jié)合，模擬和預(yù)演施工資源應(yīng)用和施工進(jìn)度計(jì)劃調(diào)整措施，保證項(xiàng)目工程在作業(yè)期間可以實(shí)現(xiàn)科學(xué)化的動(dòng)態(tài)管理和施工控制。主要采用BIM 技術(shù)模擬整個(gè)頂推過(guò)程，并應(yīng)用BIM 技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)施工監(jiān)測(cè)。

在實(shí)施鋼梁頂推工程期間，要合理化控制鋼梁線形，同時(shí)對(duì)其施工過(guò)程做出嚴(yán)格控制。鋼箱梁頂推施工進(jìn)行全程模擬的監(jiān)控計(jì)算、跟蹤計(jì)算及誤差調(diào)整，整體把握頂推施工全程的結(jié)構(gòu)受力變形狀態(tài)，形成施工控制目標(biāo)值序列并對(duì)各施工狀態(tài)做出實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)及誤差修正。對(duì)鋼箱梁施工進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要是為了控制梁體制作精度、施工觀測(cè)導(dǎo)梁撓度、應(yīng)力以及各臨時(shí)支墩沉降、偏位等，確保頂推階段拼接順利。鋼箱梁在制造及施工的不同階段會(huì)表現(xiàn)出幾種不同的線形，包括設(shè)計(jì)成橋線形、制作線形、安裝線形及頂推線形等；根據(jù)監(jiān)控理論計(jì)算主梁成橋預(yù)拱度并制作預(yù)拱度示意圖，便于在施工操作過(guò)程中進(jìn)行控制。

進(jìn)行頂推施工同步性監(jiān)控，需要在步履機(jī)液壓油缸前端安裝紅外監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控各步履頂?shù)耐叫圆?shí)時(shí)調(diào)整。利用BIM 仿真監(jiān)控技術(shù)輔助線形控制，在項(xiàng)目工程施工期間通過(guò)規(guī)劃與安裝虛擬攝像頭設(shè)備，將攝像頭所拍攝的詳細(xì)畫(huà)面與虛擬攝像頭所拍攝的BIM 模型情況展開(kāi)一對(duì)一的對(duì)應(yīng)，在系統(tǒng)中控制攝像頭的視角和畫(huà)面時(shí)，虛擬攝像頭會(huì)實(shí)時(shí)同步，實(shí)現(xiàn)虛擬模型與現(xiàn)實(shí)施工情況的對(duì)比，及時(shí)將不同步或偏差的情況形成數(shù)據(jù)化反饋，作為調(diào)整梁段的參考。

3.3 小結(jié)

基于韓灘雙島大橋鋼箱梁步履式頂推施工，采用MIDAS/Civil 軟件建立橋梁各典型工況下頂推施工有限元模型，對(duì)各工況鋼箱梁頂推至最不利位置時(shí)鋼箱梁關(guān)鍵截面應(yīng)力狀態(tài)及導(dǎo)梁前端位移進(jìn)行計(jì)算，綜合采用有限元和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的技術(shù)手段保障施工安全，對(duì)主橋部分的施工具有指導(dǎo)作用。

通過(guò)BIM 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)仿真技術(shù)，有效規(guī)避了鋼箱梁施工過(guò)程中監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)散亂、整理困難、信息反饋緩慢等問(wèn)題，提升了橋梁施工智能化管理水平，大大降低了鋼箱梁線形監(jiān)測(cè)施工難度。鋼箱梁施工完成后，經(jīng)第三方橋梁監(jiān)測(cè)單位復(fù)核，主橋鋼箱梁的橋面線形基本達(dá)到預(yù)期的成橋預(yù)拱度要求，橋面線形順暢。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，BIM+FEM 協(xié)同技術(shù)應(yīng)用于寬幅鋼箱梁的優(yōu)化分塊和整體頂推，可以為橋梁工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工提供強(qiáng)有力的幫助。借助FEM 有限元軟件，可以對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)部分析，也可以對(duì)橋梁進(jìn)行施工階段分析，優(yōu)化了橋梁結(jié)構(gòu)，保障了工程結(jié)構(gòu)安全和施工的順利進(jìn)行；借助BIM 技術(shù)，可以對(duì)構(gòu)件空間立體布置進(jìn)行可視化模擬，優(yōu)化施工方案，有效解決施工圖中的設(shè)計(jì)缺陷，提升施工質(zhì)量。因此，將BIM 和FEM 結(jié)合應(yīng)用，可更好地提高工程質(zhì)量、施工效率和施工管理水平。