基于BIM技術的橋梁大跨度鋼桁架施工技術

李春金

（廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530201）

0 引言

計算機技術的飛速發展，推動著全球進入智能化和信息化的全新時代［1］。信息技術已經成為當今社會的主流生產力，是影響全球經濟的主導力量，信息時代的到來促使全球技術型工業化向著智能信息化時代發展，因此信息技術對經濟的發展具有不可替代的作用［2］。建筑信息模型（Building Information Model，BIM）技術是信息時代的產物，它在建筑領域發揮了重要的作用，特別是在橋梁大跨度鋼桁架的施工過程中，利用BIM技術對橋梁大跨度鋼桁架施工方法和工藝流程進行深化設計，可以對施工過程中的具體問題進行具體分析，科學合理地選擇支撐體系，實時檢測結構的應力［3］，進而確定橋梁大跨度鋼桁架施工過程中的受力狀態的切合狀況。

李福生等［4］基于懸臂拼裝提出了一種橋梁大跨度鋼桁架懸臂架設施工技術，在蚌埠市淮河大橋項目中采用爬行架與吊機組合，結合MIDAS/Civil軟件實現鋼桁架的懸臂架設模型的構建和分析，結果證明，利用懸臂拼裝的橋梁鋼桁架的懸臂架可以實現體系的轉換，完成了無應力合龍等關鍵的施工步驟，符合橋梁大跨度鋼桁架的懸臂架內應力的設計要求。林國偉等［5］提出了一種基于常規梁體的鐵路橋鋼桁梁抬升設計方案，實現鐵路橋鋼桁梁在運行過程中的抬升需求。首先將常規的鐵路橋鋼桁梁抬升設計方案與基于常規梁體的鐵路橋鋼桁梁抬升設計方案進行對比，根據實際抬升過程中的工作進度，判斷抬升過程中需要修改的軌道尺寸，然后根據吊重量需求的不同，設計了一款可以行走的主梁，實現鐵路橋鋼桁梁的行走形式提升吊架，在兩端相鄰的鐵路橋鋼桁梁之間配備一臺提升吊架，實現鐵路橋鋼桁梁連續抬升的需求。

根據以上研究背景，本研究利用BIM技術設計了橋梁大跨度鋼桁架施工技術，以期提高鋼桁架施工的經濟效益和工期效益。

1 橋梁大跨度鋼桁架施工技術設計

1.1 布置橋梁大跨度鋼桁架拼裝場地

橋梁大跨度鋼桁架拼裝場地的最小需求標準為6.2 m×42 m，標準層鋼桁架所需的最小拼裝場地為46 m×4.9 m，橋梁頂部的最小拼裝場地需求標準為20 m×40 m，經過對比分析，橋梁大跨度鋼桁架的現場拼裝場地的最小標準為46 m×5.6 m（如圖1所示）。

圖1 橋梁大跨度鋼桁架拼裝場地示意圖

橋梁大跨度鋼桁架拼裝場地是指橋梁施工現場的臨時鋼桁架拼裝場地，現場拼裝場地主要包括橋梁大跨度鋼桁架的現場拼裝，以及橋面和橋頂的設計拼裝。根據現場施工的實際情況，對橋面設計的具體承載能力進行分析，對橋面鋼桁架的現場拼裝區域進行加固［6］。鋼結構的現場拼裝階段，需要就近尋找適合現場拼裝的材料堆積場地。

在施工現場需要尋找合適的場地，對拼裝成形的鋼桁架進行分段組裝，通過大型塔吊運到橋面上，在主吊機控制范圍內進行吊裝分段與拼裝。

1.2 安裝橋梁大跨度鋼桁架

根據橋梁大跨度鋼桁架施工項目的結構特點，將鋼桁架單元焊接成吊裝節段，對吊裝節段的尺寸進行檢查［7］，待檢查合格后，通過水運方式運輸到吊裝現場。

在安裝橋梁大跨度鋼桁架時，首先對橋梁進行施工，然后利用龍門吊對橋梁的臨時墩進行施工。橋梁大跨度鋼桁架的安裝步驟如下：①利用履帶吊對橋梁工程進行施工；②安裝100 t的龍門吊；③采用履帶吊對橋梁大跨度臨時墩進行施工，而位于中間段的臨時墩需要采用龍門吊進行鋼桁架的吊裝；④利用龍門吊在每一個橋墩處的中間節段進行吊裝［8］，橫斷面方向采用對稱的方式吊裝；⑤吊裝與中間節段相鄰的橫撐和平聯；⑥對橋梁主橋墩處的節段進行吊裝；⑦對橋梁大跨度的臨時墩進行施工，將浮吊安裝在合龍段，考慮到航道通航給鋼桁架安裝帶來的影響，將駁船的長度控制在30 m以內，橋梁的寬度控制在50 m以內，利用2臺龍門吊吊裝橋梁中跨的合龍段，在起吊過程中需要保證兩邊門機的同步性；⑧經過對稱吊裝之后，對合龍段及相鄰橫撐和平聯進行吊裝，完成橋梁大跨度鋼桁架的安裝。

根據橋梁大跨度鋼桁架的安裝步驟，得到鋼桁架安裝的詳細過程，具體步驟如下。步驟一：當下一根鋼柱和相應的鋼梁完成后，進行鋼筋網格板的裝配。步驟二：在鋪筑之前，開始點對點放置鋪面時的基準線，將基準線對齊，安裝板塊固定，然后將其他板材分別固定，板塊的連接處使用卡子固定。板與板的拉鉤要牢固，防止在灌裝混凝土時發生滲漏。步驟三：在到達安裝地點后，必須將垂直的鋼筋、底部模具與鋼梁焊接在一起。步驟四：在完成預鋪區后，為了保證鋼筋網架的橫向穩定性，應適時進行加固。根據以上步驟的設計安裝橋梁大跨度鋼桁架。

1.3 劃分橋梁大跨度鋼桁架施工階段

橋梁大跨度鋼桁架施工階段，根據鋼桁架的剛度和強度驗算標準，通過選擇橋梁大跨度鋼桁架的力學行為劃分具體的施工階段。橋梁上部鋼桁架主要通過鋼桁架單元劃分，在對橋梁大跨度鋼桁架的整體單元進行分析的過程中，鋼桁架和連續橋梁的連接可以不考慮橋梁大跨度鋼桁架與混凝土的耦合性［9］，主要考慮橋梁大跨度鋼桁架的整體節點。因此，對橋梁大跨度鋼桁架施工階段進行劃分時，主要考慮橋梁鋼桁架與橋梁主梁之間的剛性連接（如圖2所示）。

圖2 鋼桁架與橋梁主梁的剛性連接

對橋梁大跨度鋼桁架施工階段進行分析前，需要根據施工階段的步驟構建橋梁模型，還要根據施工方案對橋梁大跨度鋼桁架建立不同邊界組和荷載組［10］，然后根據不同施工階段的具體操作步驟，分析每個鋼桁架的荷載能力，以達到橋梁大跨度鋼桁架施工的真實模擬過程。

在設定好橋梁大跨度鋼桁架施工階段劃分的邊界條件后，要對邊界組進行定義，橋梁大跨度鋼桁架施工階段劃分的邊界條件如下。

（1）為了更好地模擬橋梁大跨度鋼桁架施工過程，首先要考慮橋墩沉降的壓縮力，以及主梁在整個施工過程的荷載能力，并在模型構建初期考慮橋墩的構建［11］。橋墩的底部一般采用6個自由度進行支撐，橋墩的頂部主要利用懸臂式工法實現剛性連接，采用懸臂施工技術開展連續橋梁大跨度鋼桁架的施工。

（2）對于橋梁大跨度鋼桁架橋墩的邊支座，由于橋梁采用大跨度設計，導致其在整個施工的過程中都會受到拉力的牽制，因此在整個施工過程中必須關注受力的實際狀況。在邊跨完全合龍前，要考慮鋼筋的應力作用，對自由度進行限制，完成活動支座的構建。

（3）橋墩支架的拆除會影響整個橋梁的受應力，導致失衡問題，因此在整個施工過程中還要考慮臨時橋墩的處理問題。為了準確獲取臨時橋墩在橋梁大跨度鋼桁架施工過程中的受力狀態，利用BIM技術構建臨時橋墩模型［12］，在施工劃分的過程中，臨時橋墩要與主梁進行剛性連接。

通過上述闡述發現，利用有限元模型對橋梁大跨度鋼桁架施工階段進行劃分［13］，將模型得出的結果與實際情況進行對比分析，對施工階段的橋梁大跨度鋼桁架劃分進行實際模擬，實現橋梁大跨度鋼桁架與連續橋梁的組合施工，對施工階段進行劃分后，利用懸臂施工法進行分段澆筑施工，等待全橋合龍后，方可對橋梁大跨度鋼桁架進行建模。

1.4 橋梁大跨度鋼桁架建模

對橋梁大跨度鋼桁架建模的過程中，可以采用三維模型作為可視化模擬的基礎，在Revit軟件平臺上構建橋梁大跨度鋼桁架模型，也可以考慮與云端數據庫的結合，在云端下載設備的空間操作方法及空間的移動方向。在完成橋梁大跨度鋼桁架的建模后，利用設備模擬機制對橋梁大跨度鋼桁架施工過程進行模擬，完成三維建模后，可以實現實際施工過程中的模擬效果。因此，設置施工設備的參數時，還要對空間運轉設備的操作機制進行設計。塔吊的空間操作機制分析圖如圖3所示。

圖3 塔吊的空間操作機制分析圖

橋梁大跨度鋼桁架結構中的構件種類較多，對拼裝的精度要求也很高，圖3選取的參數對整個橋梁大跨度鋼桁架構建過程十分重要，需要對樣板文件中的幾何參數和位置關系進行有限元設計［14］。

橋梁大跨度鋼桁架的建模過程，主要采用焊接箱進行截面焊接，鋼桁架寬度為780 mm，鋼桁架高度為1 200 mm，鋼板厚度為29～38 mm。腹桿采用“H”形截面，高 600 mm，外寬650 mm，板厚22～28 mm。橋梁大跨度鋼桁架主桁弦桿和腹桿的連接主要采用高強度螺栓，具體建模步驟如下：①構建常規模型的樣板文件，再根據施工步驟設計總項目流程；②根據二維圖紙進行建模，分別在樣本文件中設置幾何參數和位置關系標簽，并進行關聯；③按照上面設置的幾何參數，繪制三維橋梁大跨度鋼桁架模型；④根據關聯材質標簽，完成橋梁大跨度鋼桁架的建模工作，形成參數化的樣本模板，分別載入建模數據庫中。

根據塔吊的空間操作機制分析圖，對樣板文件中的幾何參數和位置關系進行有限元設計，完成橋梁大跨度鋼桁架的建模。

1.5 基于BIM技術模擬橋梁大跨度鋼桁架施工流程

將BIM技術與橋梁大跨度鋼桁架施工進度進行關聯，構建3D橋梁大跨度鋼桁架施工模型以及相關的4D演示視頻，可以更加直觀地觀摩整個橋梁大跨度鋼桁架施工的進度。基于BIM建模的過程［15］，在施工階段要對施工的工序進行嚴格的把控，在這一方面，BIM技術針對的不僅是施工流程和方法的模擬，還是對整個施工流程可行性的驗證，最終選擇最優的施工方法進行橋梁大跨度鋼桁架施工建設，促使施工流程中各種預設都可以滿足施工進度，避免施工拖延問題。

利用BIM技術模擬橋梁大跨度鋼桁架施工流程如圖4所示。

圖4 橋梁大跨度鋼桁架施工流程

2 實例分析

2.1 工程概況

某一特大橋與河面斜交呈87°，主橋部分為三跨變截面的鋼桁架橋，該橋梁的跨徑布置為80+150+80=310 m，橋面的寬度為58 m，分為左右兩幅，每一幅寬度為28 m，中央分隔帶為2 m，橋梁縱坡與線路豎曲線相同，位于緩和曲線段。

該橋梁的主橋面板是由30 cm厚的混凝土澆筑而成，局部進行了加腋處理，厚度為40 cm，混凝土橋面板通過“T”形板與鋼桁架連接，對橋梁混凝土面板進行分段澆筑，橋面預應力根據橋面節段進行分批張拉施工。

2.2 制訂施工方案

為了保證實例分析的嚴謹性，在實例分析中，制訂兩種施工方案，具體如下。

（1）方案一分為4個階段：階段一為橋墩結構的施工；階段二為完成150 m跨徑及150 m跨徑以前的橋梁結構施工；階段三為完成150 m跨徑及150 m跨徑以后的橋梁結構施工；階段四為完成鋼桁架施工。

（2）方案二分為5個階段：階段一為橋墩結構的施工；階段二為完成150 m跨徑及150 m跨徑以前的橋梁結構施工；階段三為完成150 m跨徑及150 m跨徑以后的橋梁結構施工；階段四為安裝150 m跨徑及150 m跨徑以后的鋼桁架；階段五為完成鋼桁架施工。

2.3 結果分析

為了驗證文中施工技術在某一特大橋梁大跨度鋼桁架施工中的可行性，引入鋼桁架的最大變形和最大應力指標，對上述兩種施工方案各個階段鋼桁架的最大變形和最大應力進行測試，結果如下。

施工方案一中各個階段鋼桁架的最大變形和最大應力測試結果如圖5所示。

圖5 方案一：最大變形和最大應力測試結果

圖5的結果表明，采用基于BIM技術的橋梁大跨度鋼桁架施工技術時，方案一的4個階段的鋼桁架最大變形在4 mm以內且前兩個施工階段的鋼桁架最大變形比較小，在2 mm以內，滿足橋梁大跨度鋼桁架施工對變形量的控制要求；在鋼桁架最大應力測試中，方案一的4個階段的鋼桁架最大應力為3～9 MPa，對橋梁大跨度鋼桁架的影響比較小，可以忽略不計，驗證了文中施工技術的可行性。

施工方案二中各個階段鋼桁架的最大變形和最大應力測試結果如圖6所示。

圖6 方案二：最大變形和最大應力測試結果

從圖6的結果可以看出，第二種方案采用文中施工技術時，測試得到的鋼桁架最大變形和最大應力都比較小，考慮到橋梁大跨度鋼桁架施工的現場組織情況，方案二的鋼桁架最大變形和最大應力滿足橋梁大跨度鋼桁架施工的要求，進一步驗證了基于BIM技術的橋梁大跨度鋼桁架施工技術在實際應用中的可行性。

3 結束語

本文提出了一種基于BIM技術的橋梁大跨度鋼桁架施工技術，經實例分析得出，該施工技術可以降低鋼桁架的最大變形和最大應力，具有一定的可行性。但是本文的研究還存在很多不足，在今后的研究中，希望可以考慮施工過程中的勞動力安排，從而提高施工效率。