BIM技術在牡佳客專128m鋼拱橋中的應用

卜東平，張琪瑋，郭子飛，趙忠文

(1.西安建工集團有限公司，陜西 西安 710065；2.中鐵一局集團第二工程有限公司，河北 唐山 063004)

1 工程概況

牡佳客專上跨哈同高速公路的128m鋼拱橋全長131.2m，拱橋中心線與高速公路中心線夾角131°51′。主橋上部結構采用128m尼爾森吊桿體系，簡支鋼拱，拱肋采用懸鏈線，在橫橋向內傾8°呈提籃式，拱肋橫斷面采用啞鈴形鋼管截面。拱肋間設1道一字撐和6道K撐。拱橋系梁全長131m，梁端采用矩形實心混凝土截面，寬19.3m、高2.5m，兩端實心段均長8m。普通段采用單箱三室混凝土截面，寬18.5m、高2.5m、長115m。其平面及立面如圖1所示。

圖1 128m鋼拱橋(單位：cm)

2 采用鋼結構BIM技術的必要性

1)外部干擾多 該工程上跨繁忙國道哈同高速公路，車流量大，交通導改難度大。

2)施工要求高 牡佳客專對施工質量精度、施工安全、環(huán)境保護等要求高。

3)施工場地狹窄 該橋位處施工現(xiàn)場環(huán)境復雜，施工只能在橋梁投影線下征地范圍內展開，場地狹窄。

4)施工工期緊 本工程位于全線架梁關鍵線路上，是全線架梁的控制性節(jié)點工程。

5)技術含量高 本工程施工技術復雜，采用BIM技術輔助實施，技術含量高。

基于以上5方面原因，本工程采用BIM技術輔助施工，解決現(xiàn)場實際困難，最大限度地節(jié)約人、材、機等資源及縮短工期。

3 鋼結構BIM模型創(chuàng)建

根據(jù)施工設計圖紙及建模思路對128m簡支鋼拱橋的建模順序進行分解。建模過程主要分為7個步驟：制作鋼拱肋構件，創(chuàng)建族庫；創(chuàng)建系梁混凝土主體模型；創(chuàng)建系梁鋼筋模型；創(chuàng)建拱腳混凝土模型；創(chuàng)建拱腳鋼筋模型；創(chuàng)建預應力鋼束模型；創(chuàng)建施工臨時支架模型。

嚴格按施工設計圖紙建立BIM模型，做到準確、細致、真實反映橋梁結構。由BIM專業(yè)人員根據(jù)施工技術人員提供的橋梁設計圖紙與現(xiàn)場環(huán)境實測數(shù)據(jù)，進行橋梁結構尺寸統(tǒng)計，上傳數(shù)據(jù)，建立1∶1高精度族文件；系梁、鋼筋、預應力鋼束、拱腳、鋼支撐、貝雷梁、吊桿等單獨的三維信息BIM模型，如圖2所示。最后合并創(chuàng)建整體的三維信息BIM模型，如圖3所示。便于后期細化工程量，為后續(xù)項目信息化管理提供數(shù)據(jù)保障。

圖2 鋼拱橋各構件模型

圖3 鋼拱橋BIM精細化模型

4 鋼拱橋BIM成果應用

4.1 深化圖紙設計

根據(jù)鋼拱橋BIM精細化模型，通過BIM+VR技術模擬施工過程中的每個步驟。針對原有排布施工空間利用率不高、多處碰撞等問題進行優(yōu)化。就建模發(fā)現(xiàn)的圖紙問題，給出詳細的圖紙編號、問題描述、位置、圖紙與模型顯示以及建模建議和處理方案，如圖4所示。與設計單位進行溝通，進行設計圖紙深化，避免后續(xù)施工過程中產生不必要的設計變更，從而加快施工進度。

圖4 深化設計圖紙示意

4.2 三維可視化技術交底

針對項目施工過程中的重點工序，如拱腳安裝施工、鋼管加工安裝施工、吊桿施工等工序，結合BIM技術制作工序卡，建立二維碼信息庫，將二維碼張貼在現(xiàn)場對應區(qū)域或對應構件上，供管理人員和作業(yè)人員使用手機隨時掃描查閱。掃描對應的二維碼，可形成電子影像化、3D可視化的技術交底，可查看每個工序的“施工模擬”三維視頻講解。如圖5所示，以拱腳三維技術交底單獨作為“施工模擬”應用點。重點是基于拱腳三維信息模型，隨時測量模型表面任何位置鋼筋、尺寸、混凝土工程量等信息，詳細闡述拱腳的施工順序，包括預埋管安裝、鋼筋綁扎順序、在鋼筋加工中的應用。

圖5 三維技術交底

4.3 工程數(shù)量復核

本項目BIM建模時采用精細化模型，可精確算量，快速提取工程量，如圖6所示。提取工程量可核對設計用量，有利于加快圖紙審核及預算進度，減少技術及預算人員工作量，提高圖紙審核及預算質量，進而增強項目的審核工效。

圖6 工程數(shù)量復核

4.4 空間坐標提取

根據(jù)鋼拱橋BIM精細化模型，將模型中總平面布置圖的關鍵點坐標系與大地坐標系統(tǒng)一，可在模型中得到拱橋任意位置的精確坐標，如圖7所示，提高測量放線的精確度和效率。運用模型提取出的任意剖面、任意角度、任意點位的坐標，從而快速準確地復核設計坐標，進而提高施工放樣精度。

圖7 坐標提取(單位：mm)

4.5 鋼拱肋深化加工安裝

對拱肋進行詳細BIM建模，如對加強板、加強肋、加勁鋼筋、吊桿、預埋管等細部構造建模，可通過碰撞檢查提前發(fā)現(xiàn)問題，并將問題匯總，用于指導廠家進行拱肋加工，避免運到現(xiàn)場無法安裝，造成不必要的返工。拱肋采用鋼管卷制，廠內集中加工制成，由直線管節(jié)焊接拼裝成 8～10m長度，運到現(xiàn)場后在拼裝支架上組拼成型。如圖8所示，鋼管拱主拱肋分13個節(jié)段制造，左、右各6個節(jié)段對稱加工，中間設合龍管節(jié)。

圖8 鋼拱肋深化加工安裝

4.6 施工方案模擬

根據(jù)鋼拱橋BIM精細化模型，加入施工方案中的大型臨時設施，對128m鋼拱橋主梁采用支架法現(xiàn)澆施工。首先進行鋼管立柱條形基礎混凝土澆筑，再進行鋼管柱安裝，如圖9a所示。拼裝縱向貝雷梁，如圖9b所示。

圖9 施工方案模擬1～3

臨時支架預壓，如圖9c所示。安裝模板系統(tǒng)。豎向鋼管采用φ630×10無縫鋼管，上下采用法蘭連接。橫、縱向均采用I18剪刀撐進行連接。鋼管立柱及橫向分配梁安裝完畢后進行貝雷片縱梁安裝。貝雷縱梁安裝橫向間距分別為45，90cm，采用螺栓和銷子連成整體。利用已創(chuàng)建的BIM模型，在Navisworks中進行施工過程模擬，通過BIM+VR技術展示施工全過程，進行各工況下的細部分析，并形成電子影像化、3D可視化的技術交底，以便全過程指導現(xiàn)場施工。

4.7 交通導改模擬

作業(yè)范圍內的施工安全設施嚴格按JTG H30—2015《公路養(yǎng)護安全作業(yè)規(guī)程》操作。根據(jù)相關要求，跨越高速公路施工區(qū)域設置警告區(qū)、上游過渡區(qū)、緩沖區(qū)、作業(yè)區(qū)、下游過渡區(qū)、終止區(qū)等。在高速公路上加設錐形交通路標、安全帶、圍欄、施工隔離墩、防撞桶等施工安全交通隔離措施。施工范圍夜間設置照明燈、施工警告信號燈，在防護棚架及立柱立面位置(迎車駛來方向)布置反光帶，增強警示效果。根據(jù)鋼拱橋BIM精細化模型，可通過三維渲染軟件以真實場景渲染圖形式表達，產生三維漫游動畫，在 Navisworks中進行交通導行模擬，如圖10所示，方便施工參建人員充分理解設計意圖、設計理念，真實地反映項目與周圍環(huán)境的立體關系。

圖10 交通導改模擬

5 結語

1)對大橋的各工序提前模擬施工真實場景，對關鍵施工工序、機具組織安排進行仿真，對特殊位置的人員操作進行模擬，輔助規(guī)劃施工組織設計方案，并輸出相應的漫游視頻及圖片。

2)根據(jù)大橋的主拱骨架實際拼裝質量檢測數(shù)據(jù)，調整實際BIM模型參數(shù)，得到累積誤差計算模型，將計算模型與設計模型做對比，分析累積誤差的計算結果。

3)提供大橋施工現(xiàn)場指導材料，形成三維交互式動態(tài)材料，結合圖文、圖紙、視頻等內容進行集中瀏覽和展示。

4)通過模型確定設計圖紙中未明確的鋼筋長度，避免出現(xiàn)加工的鋼筋不能用，提高工效。

5)通過對該橋的關鍵工序進行施工模擬，優(yōu)化施工方法，避免出現(xiàn)由于工序錯誤導致施工效率低及返工情況。

6)通過模擬施工工序進行三維交底，加深技術人員對圖紙的理解，更加有效地保證施工質量。

7)通過模型提前發(fā)現(xiàn)圖紙設計問題，提前與設計方溝通，避免施工過程中產生不必要的變更。

8)通過模擬跨越高速公路施工區(qū)域，確定錐形交通路標、安全帶、圍欄、施工隔離墩、防撞桶等施工安全交通隔離措施是否合理。

9)本項目BIM技術應用產生了很好的實施效果，在施工過程中未出現(xiàn)設計變更，施工進度提前完成，受到業(yè)主方表揚。