基于BIM技術的大跨徑連續剛構橋施工監控研究

劉 流

(蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210017)

為了解決在大跨徑連續剛構橋施工當中出現的安全隱患以及偏差超限問題，本文詳細闡述了大跨徑連續剛構橋BIM模型建立過程進行分析，希望能夠為橋梁施工監控計算分析提供模型技術支持。BIM技術的使用與落實很多時候能夠更好的提升橋梁建設質量，從而保證建設整體效果。

1 橋梁施工監控中BIM技術研究現狀

公路橋梁建設屬于一項非常龐大與復雜的系統化工程，這一工程需要建設團隊內部可以開展多個專業的密切配合，尤其是在這一過程中需要頻繁的開展多種方式信息交互，比如說業主、設計單位、施工單位、監管控制等等多個方面進行溝通與協作，將設計成果轉化成為實際橋梁。大跨徑連續剛構橋屬于墩梁固結無支座、無需轉化體系，并且較大的順橋向抗彎剛度和橫橋向抗扭剛度滿足大跨徑的受力要求，柔性橋墩或者雙臂橋墩設置有利于提高抗震性能，減少墩頂負彎距峰值的作用。除此之外，橋梁工程尤其是一些比較特殊的大跨徑橋梁，自身技術較為復雜，因此更需要在規劃與設計的過程中保存海量的數據和信息，方便建設人員隨時查詢，從而保證建設質量與建設效果。圖1為大跨徑連續剛構橋的實際示意圖。

圖1 大跨徑連續剛構橋的實際示意圖

國外學者在研究的過程中意識到了BIM技術在橋梁工程建設當中的作用與效果，先后制定了不同的推廣政策與相關推廣方式，并且也成立了對應的協會和組織，主要目的就是未來在橋梁工程建設當中制定出完善標準與相關規程。在橋梁施工的過程中，針對于橋梁工程也設定了對應的軟件平臺，同時在一些實際橋梁工程當中BIM技術的使用相當成功[1，2]。

大跨徑連續剛構橋采用了懸臂澆筑的施工方法，施工周期較長，并且每段梁體都需要經歷掛籃立模、澆筑混凝土、拆模、張拉預應力、掛籃移動等等循環步驟，直到橋梁合龍，梁體懸臂澆筑階段處于懸臂靜定結構，雖然受力形式較為簡單，但是施工階段結構所受荷載較為多變，隨著梁體逐漸加長，梁段撓度增大，怎么保證施工安全、懸臂結構強度、剛度滿足要求，以及成橋后橋梁受力合理、應力、應變滿足規范要求，這些施工階段質量將會關系到成橋之后運營階段橋梁混凝土開裂以及下撓程度，也就是說施工過程中必須要保證施工質量，尤其是需要控制施工監測量，保證橋梁順利合龍，保證橋梁應力、線形符合設計的標準與要求。

2 大跨徑連續剛構橋BIM模型

橋梁信息模型的建立屬于橋梁全生命周期的關鍵基礎，同時也是開展橋梁施工監控信息化、可視化的關鍵基礎，通過BIM類型建模軟件構建大跨徑連續鋼橋的三維基礎模型，可以將BIM技術與橋梁施工監控有限元計算模型結合，為橋梁施工監控信息管理平臺奠定基礎，為橋梁施工監控投標、技術較低、成橋荷載實驗提供三維信息模型。公路橋梁建設屬于一項復雜龐大的系統工程，在這一工作開展的過程中需要建設團隊內部的多專業之間的密切配合，頻發的進行多種形式的信息交互，這需要業主、設計單位、施工單位、監理等等多個建設參與方進行的溝通與寫作，共同將設計成果實現為公路橋梁實體。除此之外，橋梁工程，尤其是較長的橋梁工程自身技術復雜，需要在規劃、設計、施工、制造、管養、監測、加固、拆除等等方面的海量信息進行保存與查詢。國外學者在這一過程中已經意識到了BIM技術在橋梁工程當中應用的必要性和緊迫性，并且在這一過程中先后制定了推廣政策、成立了對應的協會，制定了相關標準和規程。橋梁施工的過程中，針對于橋梁施工監測開發了對應的軟件平臺，并且在一些橋梁工程設計當中引用了BIM技術。圖2為使用BIM技術來對大跨徑連續剛構橋的修復與應用。

圖2 BIM技術對大跨徑連續剛構橋的修復與應用

在對大跨徑連續剛構橋建模的過程中，需要根據橋梁結構特點，結合相關技術來建立滿足BIM技術要求的BIM技術模型。BIM模型建立之后，不同階段的BIM模型可以滿足對應階段的項目管理整體需求，具體來說需要滿足八點原則。第一，需要根據橋梁結構的實際特點，歸納對應的通用參數，從而更好的提升建模整體效率。第二，橋梁結構命名需要在很多時候具有一定的邏輯，保證條理處于清晰的狀態。第三，橋梁結構構建材質與皮膚需要保證統一，使用針對性的貼圖。第四，橋梁構件需要根據不同階段來區分建模的詳細程度，針對于本文來說，橋梁施工階段模型需要達到計算分析的相關精確度。第五，模型建模的過程內閣中可以使用不同建模階段來分析模型，同時還可以根據不同的建模進度來對模型進行深化或者輕量化。第六，在實際建模的過程中需要根據模型制作出更加標準化的建模分享方式，保證所有的參與者都能夠共享模型信息。第七點則是，構建需要通過制作標準來實現不同階段不同工程師的實際需求，具體來說就是可以利用同一個原則來修改對應的模型。第八，建模需要保證邏輯順序，首先開展主體部分，隨后搭建附屬部分，也就是首先在整體上明確相關位置的主體內容，隨后在主體結構上填充對應的構件[3，4]。

而當下實際情況是，目前面向公路橋梁行業的結構物參數化設計，各BIM軟件廠商尚且沒有成熟的產品，很多都是用戶直接使用制造行業或者建筑行業的軟件來開展橋梁建模和隧道建模，這些主要是通過軟件的參數化功能交互來創建出結構物整體模型，但是這些軟件依舊存在很多的問題，比如：

第一，這些軟件不符合工程設計的實際習慣，僅僅是滿足了三維幾何建模的相關要求。第二，建模并不針對于實際情況的三維線路，定位方式也是使用坐標而非工程當中的樁號和高程，這不符合工程設計的實際習慣，一旦發生線路變更，那么將會導致結構物難以做出對應調整。第三，通過這種方式的建模很多時候都屬于輕量化建模，模型的體量受到了限制。第四，復雜的參數約束不僅僅導致建模過程較為麻煩，同時處理效率較低，這很多時候導致一些復雜建筑物難以使用這種方式進行設計。第五，由于沒有給予線路模型進行設計，因此很多時候無法獲得線路資料，設計精度受到了嚴重的限制。第六，由于橋梁幾何計算以及出圖需要針對于路線信息進行設計，因此這類軟件很多時候難以滿足實際出圖需求。針對于這一問題，未來需要進一步開發相關軟件，逐步實現橋梁參數化設計。

3 大跨徑連續剛構橋施工監控分析

施工控制計算很多時候需要包括設計符合性計算、施工控制初期方針計算、跟蹤方針計算。設計符合性計算愮根據設計圖紙來提供對應的施工工序和結構池遜，同時設計圖紙和設計規范給出的餐料參數需要得到計算與分析，同時與設計方校對參數取值、便捷條件、計算結果。施工控制初期仿真計算需要根據施工組織設計確定的施工程序來開展，從而獲取各個施工階段以及成橋狀態下的結構受力和相關變形情況，從而更好的控制計算目標數據。跟蹤方針計算需要根據實測數據、數據分析、反饋控制等等得到的更新和參考數值以及相關施工流程進行分析，進行工程的總體計算，主要是為了得到后續施工各個階段以及成橋的結構受力和變形等控制計算目標數據。為了優先的溝通設計單位、施工監控咨詢單位、施工單位關于橋梁施工監控計算模型，避免發生重復建模的情況，同時也能夠成功的遠離信息孤島，讓大家實現信息數據的共享。針對于BIM技術，通過參數化的方式建模來生成的三維模型，還可以將BIM模型導入分析軟件開展分析計算，實現高效的施工監控分析計算工作[5，6]。圖3為BIM模型與施工監控方針計算結合流程。

圖3 BIM模型與施工監控方針計算結合流程

對于大跨徑連續剛構橋施工監控工作來說，在這一工作當中需要注重對于監測數據進行采集與分析，通過已經建立的BIM模型進行仿真分析，同時還需要注意利用橋梁結構損傷識別機理和云端數據庫來及時的更新結構自身狀態和力學性能信息，實現對于橋梁結構施工階段和成橋后安全評估和預警。通過這一方式，能夠擁有施工監控數據瀏覽、統計分析、監控報表、監控預警等等功能，讓參與建設各方掌握實時監控數據，同時監控人員還可以通過平臺自動生成橋梁施工監測應力測試記錄表、標高測量記錄表、幾何測量記錄表、溫度測試記錄表、立模指令表等等。在大跨徑橋梁施工監控的過程中經常會遇到實際橋梁線形與理性線形、實際預應力與設計預應力、實際應力與理論應力不相符的情況，這些情況在所難免，因此對于施工監控管理人員也提出了更高的分析決策要求，需要做出理性的分析，才能夠盡量避免誤差的存在。

在橋梁建?？傮w原則當中，主要分為八個步驟：首先是根據橋梁結構的特點進行分析，歸納對應的參數，提高建模的整體效率。其次則是需要針對于橋梁結構進行命名，在這一過程中需要保證橋梁條理更加清晰。再次則是需要保證橋梁結構構建的材質與皮膚需要統一，針對性的完成貼圖。第四額則是需要保證橋梁構件則是需要根據不同階段來區別建模的詳細程度，針對于本文的橋梁施工階段模型達到計算的分析精度。第五，模型建模的過程中可以通過不同的建模階段來共享模型，根據不同的模型精度來深化或者輕量化模型。第六則是需要根據模型制作標準化，讓所有參與人員都可以共享模型信息。

目前來說面對公路橋梁行業的結構物參數化設計，各BIM軟件廠商還沒有成熟的產品，有些用戶直接使用制造業或者建筑業的軟件來進行橋梁建模和隧道建模，目前主要利用這些軟件的參數化功能來交互的創建結構物模型，但是由于這些軟件主要是面對制造業和建筑業來開發，使用他們來進行結構物設計存在很多的問題，比如說不符合工程設計習慣，只滿足了三維幾何建模的要求；建模不是基于實際的三維線路，定位方式采用坐標而不是樁號高程，不符合設計習慣，線路發生變更，那么結構物難以做出調整；模型體量受到限制和影響；復雜的參數約束不僅僅導致建模過程較為麻煩，同時處理效率較低，導致其無法真正解決復雜的結構物；由于沒有基于線路模型進行設計，這導致無法準確的獲取線路資料，設計精度受到了一定的限制和影響；由于橋梁幾何計算及出土必須要針對于路線信息來開展，這類軟件很多時候難以滿足實際生產過程中的詳細設計出圖要求。

因此，針對于這些問題，未來需要進一步開發對應的軟件，逐漸實現橋梁的參數化設計工作，而想要解決橋梁參數設計問題，重點在于以下幾個工作方面。參數化要求需要實現全橋構件的關聯化，同時在這一過程中還需要實現橋梁與線路的關聯化，這樣才能夠保證設計變更的快速完成，方便開展多個方案的對比與篩選，進而實現橋梁幾何模型的以及結構的分析模型一體化，保證橋梁構造模型實現完全關聯。這樣一來將會大大的簡化整體結構分析建模過程，同時也能夠避免數據傳遞的錯誤，輕松完成方案的變更以及多個方案的比較，同時也能夠實現三維模型與二維圖紙之間的關聯，三維設計完成之后可以自動生成對應的二維圖紙，并且在三維模型發生變更的情況下，隨時更新對應的二維圖紙。

4 結束語

根據大跨徑連續剛構橋施工監控項目的實際要求可以看出，在未來使用BIM技術進行建模的過程中，需要根據橋梁實際情況以及BIM技術的優缺點來做出一定的權衡，保證整體監控水平。國內外針對于BIM技術的實際應用已經開展多年，但是針對于施工階段中質量監測管控軟件平臺的研發依舊處于初步階段，未來想要更加系統的開展BIM技術在大跨徑連續剛構橋施工監控當中的使用，就需要針對于質量監測管控平臺進行研究與加強。