BIM技術在預應力混凝土連續梁0#塊支架施工中的應用

戴培義

(中鐵二十二局集團第五工程有限公司，四川 重慶 400700)

我國是橋梁大國，預應力連續梁橋施工屬于成熟技術，利用現有技術完成其0號塊支架設計、計算并不困難，但存在工作量大、方案難以得到有效優化、各任務間協同性差、效率低、決策時間長等問題。

廣清城際北延項目位于廣東省清遠市城區，線路全長19.7 km，其中橋梁里程18.34 km，有15座三跨或四跨連續梁，其中一座(50+80+80+50)m連續梁橋需要跨越北江，基礎采用鋼套箱圍堰施工。所有連續梁采用懸臂施工方法澆筑，涉及相關的0號塊及邊直段支架搭設。由于該項目位于清遠市城區，現場施工條件復雜多樣，在滿足相關技術規范的前提下，常規工作流程為：針對每座橋梁每個0號塊及邊直段的現場技術條件選擇合適的支架方案，進行幾次十幾次甚至更多力學計算與評估判斷，通過工程算量計算與成本分析，完成施工詳圖設計及施工技術交底等相關工作，最后以文檔、圖紙的形式提交相關技術成果，并指導連續梁支架施工。

BIM技術作為當今一項熱點技術，已經在橋梁工程領域得到了比較廣泛的重視和應用，并已成為橋梁智能建造發展戰略的一項基礎門類。但現有的BIM技術在橋梁臨時支架工程領域的應用主要還體現在支架三維翻模、可視化交底及動畫展示等方面[1-3]，還難以實現BIM技術在連續梁支架工程領域的深度應用，本文將對此展開針對性研究，以促進該技術的轉型升級。

1 0號塊支架方案選擇

方案的優劣體現了橋梁臨時支架工程技術水平。一個好的支架方案，既需要考慮既有設計經驗、相關工程技術規范，還需要參考作業隊的施工經驗和技術水平、現場地形地質條件，盡可能地選擇易于操作、作業時間短、材料易于周轉和裝配且施工成本盡可能低的技術方案。0號塊支架通常采用盤扣支架、三角托架、鋼管立柱支架等常見型式。考慮到本項目位于主城區，墩高一般在25 m以下，施工環境對城市交通影響較大，如果采用盤扣支架，則構件多、堆放搬運困難；三角托架成本相對較高且安裝困難；而鋼管支架施工簡單，可裝配性好，易于材料周轉使用，對于多座連續梁施工時，綜合成本較低。綜合考慮后決定采用鋼管支架方案。

由于鋼管立柱支架方案可能因0號塊的差異存在多樣化鋼管立柱布置方式，現場通常采用的四類鋼管立柱方案見圖1。

圖1 0號塊鋼管立柱支架布置方案

上述四類方案的共同特征是，鋼管立柱支撐于承臺或條形基礎上，鋼管立柱上端設置大橫梁，其規格一般為2I36a～2I45a；橫梁上支撐承重縱梁或承重桁架，規格可以選擇I16～I25a工字鋼。四類鋼管支架的主要區別在于：

(1)方案I的橫梁頂面不在同一高程，承重縱梁為工字鋼縱梁，該方案施工簡單、焊縫少、易于操作；但0號塊外模需要在大橫梁位置切割，以便外側模板安裝時，可以穿過大橫梁。

(2)方案II則需要設置10片左右的承重桁架支撐于大橫梁上，其上再鋪設橫向方木和底模；該方案存在的主要問題在于承重桁架的加工麻煩，精度要求高，標高定位困難。

(3)方案III、IV的橫梁頂面位于同一高程，承重縱梁需要焊接豎向型鋼支腿以調節縱梁斜面標高(本文將該承重縱梁簡稱調節縱梁)；調節縱梁上可以設置I16工字鋼小橫梁，其上再設置縱向方木和底模板，此時調節縱梁在橫向的數量需要4～5片。施工的關鍵在于需要根據大橫梁的實際標高，精密確定調節縱梁的幾何尺寸，不但易于實現調節縱梁的裝配式施工，并可方便適應不同的0號塊底板斜坡情況。也可以取消I16橫向工字鋼，而直接布置10 m×10 cm小橫梁，此時要求調節縱梁在10片左右，但需要注意的是較多的調節縱梁數量會導致調節縱梁的精密控制工作量的加大。

參考作業隊伍的經驗，并綜合考慮安裝、定位、可裝配性及施工成本等因素，最后選擇方案III、IV作為廣清北延項目連續梁0號塊鋼管支架方案。

2 0號塊支架力學計算與信息模型構建

傳統的0號塊支架力學計算步驟是：首先選擇結構力學求解器、MIDAS或ANSYS等有限元軟件，根據規范計算主梁自重荷載、模板荷載、人群荷載、混凝土振搗沖擊等組合荷載，再根據支架幾何布置、構件鏈接及構件材料規格描述單元節點信息及支座約束信息，再進行力學計算，查詢并評估相應構件的強度、剛度和穩定性指標；當不滿足要求時，調整相應支架構件的幾何布置或型鋼構件規格，反復進行力學計算及評估，直到滿足要求為止。構件的有限元力學模型可以是三維有限元模型也可以依據等效結構法建立平面桿件有限元模型，而要完成鋼管立柱支架的三維幾何建模，則需要將鋼管支架模型采用諸如Tekla、Bentley、Revit、CATIA等國際品牌建模，通過其構件的繪制和編輯得到[4-6]。實際上，以上鋼管立柱支架的力學計算和三維BIM模型構建是一個費時費力的過程。本文采用RBCCE+Revit聯合建模的策略，可以快速實現0號塊鋼管支架的力學計算和三維BIM模型的構建，具體操作步驟如下：

步驟1，建立用二維圖形表達的內含三維模型信息的混凝土連續梁和橋墩立面模型及某一橫斷面模型。

步驟2，通過繪制簡單的特征符號線來表達鋼管支架幾何布置，并通過特征線屬性來描述構件材料規格，相應的模型用來構成鋼管立柱支架的力學計算信息模型。

步驟3，進行支架力學計算、查詢并評估相應構件的強度、剛度和穩定性指標，不滿足要求時，調整支架特征線的幾何布置或特征線材料屬性參數，再進行相應力學計算和計算結果評估，直到得到滿意的結果為止。

步驟4，利用RBCCE與國際品牌Revit的鏈接功能，將上述鋼管立柱支架信息模型自動轉化為Revit的三維BIM模型。

圖2、圖3為本項目中青欖海大橋(61.8+64.7)m二跨連續梁橋立面圖和橫斷面圖。主墩連續梁的0#塊分別位于67#墩墩頂，0#塊結構尺寸為：梁長14 m,梁底寬5.86 m,梁頂寬11.2 m(兩邊翼板2.67 m寬)，跨中梁高4.2 m，最大截面高6.8 m；梁頂板厚0.65～0.40 m,底板厚1.5～0.4 m，腹板厚0.4～0.9 m。

圖2 連續梁所處位置立面(單位：m)

圖3 連續梁橫斷面(單位：m)

圖4為采用RBCCE構建的青欖海大橋0號塊鋼管支架力學信息模型，圖中顯示了主梁立面、主梁上某一橫斷面，用來描述鋼管支架縱向和橫向布置的特征線，主要包括鋼管立柱及大、小橫梁、調節縱梁特征線，特征線包含了相應構件的材料規格信息。

圖4 青欖海大橋0號塊托架力學計算信息模型

基于上述力學信息模型，即可方便創建大小橫梁計算模型、調節縱梁計算模型，再進行相應的力學計算和計算結果查詢。結構計算所需要的組合荷載信息、單元節點信息及約束信息，RBCCE會從所構建的鋼管支架力學信息模型中自動提取、加工和轉化自動得到。如通過大、小橫梁及調節縱梁的計算模型及部分計算結果，可以便捷得到滿足強度、剛度和鋼管立柱壓桿穩定性指標的計算結果，見圖5。

圖5 各構件計算模型及最大正應力(尺寸單位：m,應力單位：MPa)

3 鋼管支架三維構造模型的構建

力學模型構建并計算完成后，再根據上述0號塊鋼管支架力學信息模型中的特征線位置，創建相應的結構特征線和結構模板[7]，它們共同構成了鋼管支架的三維構造信息模型。圖6調節縱梁、橫聯及縱聯均為結構模板，帶有箭頭的特征線為結構模板或大、小橫梁的空間定位線。結構模板的屬性中還包含有橫向布置等信息，見圖7。利用這些信息模型，RBCCE可以自動生成相應的Revit三維圖，各結構模板所對應的Revit族、族實例及其在Revit具體空間位置由系統自動生成；0號塊托架的Revit三維圖見圖8。

圖6 鋼管立柱特征線及結構模板 圖7 調節縱梁布置信息

4 鋼管支架詳圖設計

鋼管立柱三維模型創建后，還需要利用Revi的剖切、視圖樣板創建、可見性/圖形，明細及圖紙功能，利用自動生成的0號塊鋼管支架三維模型，便捷得到精細和規范的二維施工詳圖及工程量明細表等。青欖海大橋0號塊鋼管立柱支架設計的部分施工詳圖見圖9。

圖8 鋼管立柱支架三維模型

圖9 鋼管支架部分施工詳圖

5 鋼管支架的可視化交底

由于鋼管支架從設計計算到三維BIM模型構建，繪制最后的施工詳圖，既有三維圖形，可以看清鋼管支架各構件之間的相互位置關系，局部構造處理也會配有相應的局部向三維或二維詳圖；再配以相應的施工工藝安排、施工風險點說明或注意事項，即可完成鋼管支架施工的精細、直觀、易懂的可視化交底文件，以指導連續梁鋼管支架的施工，實現鋼管支架現場施工的精準管控，鋼管支架調節縱梁的交底見圖10。

圖10 調節縱梁局部三維顯示

6 結束語

本項目BIM技術在0號塊鋼管支架工程中的成功應用，可為今后其它類似工程提供有益經驗和參考。