城市景觀橋梁施工中結(jié)構(gòu)計(jì)算與BIM技術(shù)的融合路徑分析

蒲國(guó)柱

（廈門(mén)市市政工程設(shè)計(jì)院有限公司，福建 廈門(mén) 361008）

0 引言

城市景觀橋梁施工中的結(jié)構(gòu)計(jì)算既是一項(xiàng)復(fù)雜的多學(xué)科計(jì)算技術(shù)，也是一種施工管理和管控的計(jì)算技術(shù)。該計(jì)算作業(yè)涉及面廣、針對(duì)性強(qiáng)、計(jì)算量大，而傳統(tǒng)計(jì)算方法存在各專(zhuān)業(yè)單一、獨(dú)立等問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員無(wú)法及時(shí)展開(kāi)交流，存在信息共享滯后、信息不直觀和容易出現(xiàn)計(jì)算誤差等弊端。而B(niǎo)IM 技術(shù)具有信息共享性和傳遞性的特點(diǎn)，可根據(jù)橋梁施工信息，自動(dòng)對(duì)前期數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，不僅能夠減少人工計(jì)算量，而且能降低計(jì)算誤差，因此研究BIM 技術(shù)與橋梁施工中結(jié)構(gòu)計(jì)算的融合路徑，對(duì)縮短施工周期、推動(dòng)施工作業(yè)有序展開(kāi)有重要意義。

1 城市景觀橋梁項(xiàng)目概況

1.1 概況

A 健康步道景觀提升工程是S 市中北部的重要生態(tài)節(jié)點(diǎn)，該健康步道貫穿S 市東西方向山海步行通廊，全長(zhǎng)約23.9km，分為主線段和節(jié)點(diǎn)橋梁段，其中主線段總長(zhǎng)約22.1km，地面步道12.6km，新建林中貼地步道3.7km，改造地面步道3.4km，利用現(xiàn)狀地面步道5.5km[1]。節(jié)點(diǎn)七橋梁為景觀人行橋，全橋平面為直線，主跨度為90m，橋面全寬4.4m，橋面凈寬3.8m，兩端引橋分別長(zhǎng)15.55m 和50m。主跨橋梁采用張弦桁架結(jié)構(gòu)體系，由鋼桁架作為上弦，下部設(shè)置雙柔性纜索，中間連以外傾撐桿形成整體受力自平衡體系，撐桿外傾可增加橋面橫向剛度，體系簡(jiǎn)單，受力明確。圖1為橋梁立面圖。

1.2 BIM 參數(shù)化模型建立

基于Rhino 平臺(tái)，利用Grasshopper 插件構(gòu)建節(jié)點(diǎn)七橋梁BIM 模型，結(jié)合“自底向上”和“自頂向下”兩種BIM 建模方法。其中“自底向上”建模方法具體是指先構(gòu)建橋梁基礎(chǔ)構(gòu)件，然后根據(jù)橋梁構(gòu)件的位置關(guān)系，完成橋梁的基本結(jié)構(gòu)組裝，最后將多個(gè)橋梁基本結(jié)構(gòu)組合成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)；“自頂向下”具體是指先構(gòu)建橋梁整體結(jié)構(gòu)，然后將橋梁整體結(jié)構(gòu)劃分為不同的基本結(jié)構(gòu)，再將基本結(jié)構(gòu)拆分為不同構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后將橋梁拼裝為整體結(jié)構(gòu)。

由于節(jié)點(diǎn)七橋梁BIM 模型中包含多個(gè)附屬結(jié)構(gòu)，在對(duì)其進(jìn)行分析和計(jì)算的過(guò)程中會(huì)受時(shí)間和計(jì)算機(jī)配置的限制，即構(gòu)建精細(xì)化的橋梁模型需要花費(fèi)大量的時(shí)間成本，而計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)，只需要構(gòu)建橋梁的重要受力構(gòu)件。因此，需要在BIM 模型的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，橋梁模型如圖2所示[2]。

2 計(jì)算荷載及組合

2.1 永久作用

一期恒載：拱肋自重只考慮結(jié)構(gòu)重力、預(yù)加力、土的重力與側(cè)壓力，不考慮混凝土收縮徐變、基礎(chǔ)變位及水浮力。

二期恒載：結(jié)構(gòu)自重及鋪裝重量按實(shí)計(jì)算，欄桿重量為每側(cè)0.4kN/m；橋面鋼格柵荷載為1kN/m2。

基礎(chǔ)變位：橋梁拱座基礎(chǔ)沉降以5mm 為標(biāo)準(zhǔn)考慮。

收縮徐變：橋梁施工完成后十年出現(xiàn)收縮徐變。

2.2 可變作用

2.2.1 人群荷載

根據(jù)《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 11—2011）相關(guān)規(guī)定，橋梁不同加載長(zhǎng)度下人群荷載如表1所示。

表1 人群荷載

由表1，90m 主橋加載長(zhǎng)度人群荷載2.89kN/m2，10m 引橋加載長(zhǎng)度人群荷載為4.5kN/m2，50m 引橋加載長(zhǎng)度人群荷載為3.825kN/m2。

2.2.2 溫度荷載

體系溫度：橋梁結(jié)構(gòu)體系整體升溫為26℃，降溫為-29℃。

溫度梯度：按照橋梁?jiǎn)蝹?cè)升溫為5℃考慮。

溫度組成形式：升溫組合，結(jié)構(gòu)體系升溫+拱肋升溫；降溫組合，結(jié)構(gòu)體系降溫+拱肋降溫[3]。

2.2.3 風(fēng)荷載

《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3360-01—2018），橋梁基本風(fēng)速按V10=46.7m/s 考慮。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速值為62.58m/s；靜陣風(fēng)風(fēng)速為79.79m/s；主桁架橫向風(fēng)荷載為1.79kN/m；纜索的風(fēng)荷載按直徑規(guī)范計(jì)算。

2.3 地震作用

S 市抗震設(shè)防烈度為7 度，基本地震加速度為0.15g，地震分組為第三組，設(shè)計(jì)特征周期為0.45s；抗震時(shí)張弦梁橋阻尼比取0.02；E1 地震的水平向地震峰值加速度為0.069g，E1 地震反應(yīng)譜最大值為0.1553g；E2 地震的水平向地震峰值加速度為0.3075g，E2 地震反應(yīng)譜最大值為0.6919g。

3 橋梁結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算

3.1 計(jì)算模型

由于橋梁主纜采用索單元模擬，桁架桿件用梁?jiǎn)卧M，因此采用幾何非線性方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，橋梁計(jì)算模型如圖3所示。

3.2 主橋成橋狀態(tài)與纜索線形計(jì)算

根據(jù)撓度控制可以計(jì)算出橋梁纜索初始索力，在計(jì)算模型上施加初始索力和恒載作用，可以獲得橋梁成橋狀態(tài)預(yù)內(nèi)力與幾何形狀。另外，由于該橋梁工程二期恒載較小，僅為格柵橋面、欄桿及少量燈具，因此與一期恒載一起計(jì)算。橋梁成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)軸力圖如圖4所示[4]。

3.3 主橋各工況靜力計(jì)算

3.3.1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

（1）工況內(nèi)力

橋梁結(jié)構(gòu)工況內(nèi)力采用幾何非線性方法進(jìn)行計(jì)算，不同橋梁結(jié)構(gòu)荷載工況下，內(nèi)力主要有以下規(guī)律：主桁架和纜索之間為閉環(huán)系統(tǒng)，在不同荷載下，主纜與主桁架的軸力和撐桿軸力均勻性較好；豎向荷載為橋梁總體控制荷載，撐桿軸力、纜索拉力和桁架弦桿軸力與橋梁豎向荷載呈正比例關(guān)系；橋梁恒載為豎向荷載的65.5%，勻布活荷載為主桁架的控制荷載[5]。

（2）組合內(nèi)力

橋梁結(jié)構(gòu)荷載組合構(gòu)件包絡(luò)內(nèi)力如表2所示。

表2 橋梁結(jié)構(gòu)荷載組合構(gòu)件包絡(luò)內(nèi)力

根據(jù)表3可知，橋梁主纜拉力內(nèi)力的最大值為3520.17kN，最小值為1013.08kN；撐桿內(nèi)力的最大值為35.97kN，最小值為-139.54kN；桁架上弦桿內(nèi)力的最大值為453.47kN，最小值為-2800.49kN；桁架下弦桿內(nèi)力的最大值為252.54kN，最小值為-3897.72kN，可見(jiàn)主纜一直處于受拉狀態(tài)不會(huì)松弛。

3.3.2 構(gòu)件驗(yàn)算

表3所示內(nèi)容為橋梁纜索、撐桿、桁架上弦桿和桁架下弦桿構(gòu)件應(yīng)力統(tǒng)計(jì)情況。

表3 構(gòu)件應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表

由表3，橋梁纜索的最大內(nèi)力為3520.17kN，強(qiáng)度應(yīng)力比為0.65；撐桿的最大內(nèi)力為-139.54kN，強(qiáng)度應(yīng)力比和2 軸穩(wěn)定應(yīng)力比分別為0.191、0.433；桁架上弦桿的最大內(nèi)力為-2800.49kN，強(qiáng)度應(yīng)力比和2 軸穩(wěn)定應(yīng)力比分別為0.925、0.815；桁架下弦桿的最大內(nèi)力為-3897.72kN，強(qiáng)度應(yīng)力比和2 軸穩(wěn)定應(yīng)力比分別為0.970、0.838，說(shuō)明橋梁所有構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性滿(mǎn)足橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范要求，且有一定富余量。

3.3.3 支座反力與位移

表4所示內(nèi)容為橋梁主橋結(jié)構(gòu)4 個(gè)支座反力和平移統(tǒng)計(jì)情況。

從表4中可以看出，橋梁節(jié)點(diǎn)1 在X 軸方向的反力為32.03～-1303.54kN，在Y 軸上的反力為0kN，支座在三個(gè)方向上未出現(xiàn)平移情況；節(jié)點(diǎn)2 在X 軸方向上的反力為31.8～-1315.8kN，在Y 軸方向上的反力為0～-307.6kN，在三個(gè)方向上均未出現(xiàn)平移情況；節(jié)點(diǎn)3 在X 軸和Y 軸方向上的支座反力均為0kN，在X 軸上的平移距離為-55.4mm，并未在Y 軸和Z 軸方向上發(fā)生平移；節(jié)點(diǎn)4 在Y 軸上的反力為-244.3～0kN，在X 軸方向上的平移距離為-56.0mm，未在Y軸和Z 軸方向上發(fā)生平移[6]。

表4 支座反力和平移統(tǒng)計(jì)表

3.3.4 主橋靜力彈性整體穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)主橋結(jié)構(gòu)活荷載+恒荷載標(biāo)準(zhǔn)組合，利用非線性方法計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)無(wú)缺陷整體情況下的彈性極限承載力，表5所示內(nèi)容為橋梁結(jié)構(gòu)整體承載力系數(shù)。

表5 橋梁結(jié)構(gòu)整體承載力系數(shù)表

從表5中可以看出，橋梁D+GK1 工況組合承載力系數(shù)為18.62；D+GK2 工況組合承載力系數(shù)為22.36；D+GK3 工況組合承載力系數(shù)為24.38。所有工況組合承載力系數(shù)均大于《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D65-05—2015）的要求，且橋梁整體承載力系數(shù)有富余量。

4 結(jié)語(yǔ)

以A 健康步道景觀提升工程節(jié)點(diǎn)七橋梁計(jì)算應(yīng)用為例，利用BIM 技術(shù)構(gòu)建橋梁計(jì)算模型，并根據(jù)橋梁計(jì)算荷載及工況組合等相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)靜力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，BIM 技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算中有較強(qiáng)的適用性，此舉也驗(yàn)證了BIM 技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算中的優(yōu)勢(shì)。綜上可知，該技術(shù)不僅能進(jìn)一步提高橋梁工程的施工效率、施工質(zhì)量，也能有效避免結(jié)構(gòu)計(jì)算誤差所造成的施工成本增加問(wèn)題，同時(shí)能為橋梁工程的有序、順利開(kāi)展提供有力的數(shù)據(jù)支持。