BIM技術在裝配式橋梁工程中的作用

李 莉

(山西路橋建設集團有限公司，山西 太原 030006)

1 工程概況

某快速干道第一標段總長4.2 km左右，其所有主路均采用高架的方式，標準寬度與跨徑分別為25、30 m，為盡可能減少工程建設給附近居民、既有交通與城市環境造成的影響，絕大多數上部結構都為預制裝配式結構，包括樁基、墩柱、蓋梁和小箱梁。但由于該橋梁工程的工程數量巨大，采用傳統生產方式根本無法滿足需求，這就需要引入BIM技術為生產提供必要的輔助。

2 BIM技術主要特點

BIM主要有五大特點，分別為可視化、協調性、模擬性、優化性與可出圖性。

1)可視化就是所謂的所見即所得，從建筑行業角度講，可視化這一特點具有巨大的作用，比如傳統的施工圖紙僅能采用線條的形式對各構件信息進行表達，其真正構造往往需要從業人員自身去理解和想象。而在引入BIM技術后，可以提供一個全新的思路，即可視化，將抽象地采用線條表達的構件變為三維立體實物，使建筑業也能用到效果圖。然而，設計專業提供的效果圖并不包含除顏色、大小與位置以外的信息，使構件之間缺乏反饋性與互動性。但BIM具有的可視化可以使不同構件之間實現良好的反饋與互動，因全過程均為可視化，所以可視化結果除了能用效果圖進行展示或直接生成相應的報表外，還能使項目的規劃設計及建造運營的整個過程都處在可視化狀態之下。

2)協調對建筑專業而言是一個重要內容，無論施工方還是業主方或設計方，無時無刻不在進行著協調工作。如果項目實施時出現問題，需要將所有相關人員集合到一起召開協調會，在明確問題產生原因的基礎上，探討針對性的解決方法，然后根據解決方案作出相應的變更，通過一些補救措施從根本上解決實際問題。項目設計過程中，經常由于不同專業缺乏溝通導致各種各樣的碰撞問題發生。比如暖通專業在布置管道的過程中，因施工圖紙都是在自己專業圖紙上直接繪制的，所以在實際施工時可能在管線布置過程中遇到阻礙，這種碰撞問題大多只能在發生以后才可以解決。而BIM由于可提供協調性服務，所以能從根本上防止此類問題的發生，借助BIM能在項目建造前期針對所有專業存在的碰撞予以協調，得到協調數據，同時將其提供出來。此外，BIM具有的協調功能并非單純用來解決專業碰撞的，還能解決其他方面的協調問題，如電梯井布置和其他設計布置在凈空要求方面的協調、防火分區布置和其他設計布置之間的協調、地下排水布置和其他設計布置之間的協調。

3)BIM的模擬性并非只能對建筑物模型進行模擬設計，而是能模擬所有現實中無法操作的事物。在項目設計過程中，采用BIM技術能對設計中所有需要模擬的開展模擬實驗，比如對節能效果進行模擬、對緊急疏散進行模擬、對日照分布進行模擬、對熱能傳導進行模擬；在項目招投標及施工過程中，由于BIM技術具有4D模擬功能，所以能將施組設計作為依據對實際施工進行模擬，進而確定最佳的施工方案為實際施工過程提供指導。另外，在5D模擬功能的支持下，還能對工程的施工成本予以嚴格控制；在項目的后期運營過程中，還能對日常各類緊急情況進行的處理過程進行模擬，比如對地震發生時人員逃生進行模擬和火災發生時對人員疏散進行模擬等。

4)優化體現在從設計到運營的整個過程當中，所以優化必然與BIM之間有實質性聯系，采用BIM技術可以實現更好的優化。優化往往會受到以下三方面因素的影響及限制：時間、信息與復雜程度。如果信息不足或不準確，則將無法得出理想的優化成果，采用BIM模型可以提供各類真實信息，如規則信息、幾何信息與物理信息等，此外還能提供后續變化對應的信息。另外，如果復雜程度很高，單純依靠個人能力難以掌握各類信息，需借助很多科學技術才能完成。對于現代建筑物，其復雜程度已經遠遠超過人員自身能力，針對這種實際情況，采用BIM與其各類優化工具可能使復雜項目優化成為可能。

5)可出圖性是指采用BIM模型除了可以繪制傳統圖紙(如建筑設計圖紙與構件加工圖紙等)，還能在以上BIM各項特點的支持下提供不同專業的圖紙及其深化成果，從而使對工程項目的表達更為詳盡。

BIM具有的以上特點使其十分適用于當下流行的裝配式橋梁，能解決很多裝配式橋梁設計建造存在的問題，為裝配式橋梁建造參與人員提供極大的幫助，BIM在裝配式橋梁工程中具有的作用主要體現在以下方面。

3 BIM具體作用

建筑工業化的實行從根本上改變了以往的建筑建設方式，采用BIM作為載體，可以對三維空間技術進行應用，使工程的設計與施工真正實現一體化。另外，通過對BIM和不同部門自身需求之間的一一對應，能從本質上提高工作效率。

3.1 為圖紙會審提供幫助

在工程施工中，圖紙會審是一個重要環節，要在施工開始前審閱并糾正圖紙內容，針對圖紙所有偏差及施工工藝與設計部門之間進行溝通，以反饋自己的意見。在過去，圖紙會審往往需要投入很多人力進行圖紙研究，某些復雜程度較高的工藝，其二維圖紙十分抽象，這無疑給實際工作帶來了很大困難，尤其是大型工程，由于工程節點跨度大、精度高，所以圖紙數量大幅增加，導致圖紙會審人員承擔著巨大的壓力。而在引入BIM技術以后，能使二維圖紙變成三維模型，對構件結構與內部構件信息予以直觀展現，并通過與各類分析軟件之間的結合，還能對更詳細的內容予以分析，如鋼筋結構分析、構件工程量分析和構件之間實際受力情況的分析，具體表現在以下三個方面。

1)鋼筋結構分析。對誤差進行的控制往往貫穿整個工程建設過程，尤其是裝配式橋梁，因為它的所有構件均預先在預制場中進行加工，然后運輸到現場通過拼裝成型，相較于現澆橋梁，雖然建造速度更快，不會給既有交通造成太大影響，而且能耗水平低，但因為構件具有的固定性，會使施工現場基本不能進行調節。對此，圖紙會審過程中必須做好鋼筋結構分析，以保證現場施工得以順利完成。過去的方法為根據三視圖由人工進行自主判斷，該方法嚴重缺乏科學性與嚴謹性，僅僅可以在概論的層次上闡述問題，并且整個工程包含大量圖紙，采用這種方法根本無法實現全部糾察。而若能借助Navisworks來分析，通過對誤差值的預設，可以將設計層面的失誤限制到毫米級，進而為將來的技術交底工作提供良好的參考依據。

2)清單量核查。該橋梁建設需要用到大量鋼結構構件，而且結構復雜程度很高，要對其工程量予以復核，依靠BIM模型對鋼結構進行分析，能快速且準確地完成工程量提取，降低人員勞動強度，同時還能消除人員計算失誤等原因對清單量結果造成的影響。另外，一些支撐體系所用鋼結構并未在圖紙中明確給出，需自行完成設計與工程量統計。采用傳統方法借助CAD進行二維圖紙的繪制，為不同部位構件實施標號，再通過對標號數量的準確統計方可實現清單量統計；借助BIM技術可以直接進行三維建模，在此基礎上利用軟件還能對工程量進行自動分析，以此大幅提高工作效率。

3)有限元分析。在實際的工程建設中，需要為蓋梁設置臨時鋼支撐，并在施工完成后將其拆除，但鋼支撐使用何種形式及其結構受力都未能在圖紙中明確給出，為確保施工安全，必須在圖紙會審過程中確定鋼支撐結構受力是否合理。過去的方法為通過龐雜的運算進行推斷，這需要不同專業之間高度配合才能完成，不僅投入大，而且周期冗長，即便算出最終結果，也有可能因為人為失誤而有很大的誤差。采用數學分析法可以分析真實物理系統，并利用Midas將混凝土的強度等級和立柱高度等基本信息錄入后，可直接推導出結構達到平衡的條件，進而為之后的方案制定提供可靠依據。

3.2 為施工交底提供輔助

對于裝配式橋梁，其核心在于構件的預制與拼裝，為確保構件現場拼裝施工可以順利完成，在預制加工過程中，對精度的要求往往遠高于現澆橋梁，并且施工工藝也更加新穎，可參考借鑒的資料不多，加之缺乏專業人員，所以施工交底就顯得十分重要。過去的施工交底大多采用文字敘述和二維圖形相結合的方式，但因現場作業有極高的復雜性且作業人員自身專業水平往往較低，所以交底效果并不理想，人員很難理解，要想達到理想的效果，需要花費很長的時間。而由于BIM技術具有可視化特點，加上3D打印與虛擬現實等一系列高新技術的加持，可以對從最初的構件預制到現場拼裝，再到整個流程進行模擬，并能突出顯示其中的難點與要點，幫助人員理解，降低交底難度，采用3D打印技術制得的等比例縮小模型可以幫助人員清晰地了解到橋梁具體構造。

3.3 更好地實現方案優化

BIM還能在工程的設計階段使用，通過分析實現優化，保證設計成果可操作性。如前所述，裝配式橋梁采用的是新型施工工藝，其規范還不夠完善，導致設計經常出現可操作性差的問題，進而使返工量大幅增加，直接影響進度。而BIM的應用則能從本質上解決因設計沖突或可操作性檢測產生的問題，并能實現多方溝通與分析。在“設計-檢測-再設計”這一循環機制下，能及時發現并消除設計存在的錯誤或忽略，起到減少返工的作用。就目前來看，BIM不僅是一個工具，而且是保證設計質量的舉措，使設計成果有良好可操作性，確保后續施工得以順利完成。另外，采用整合設計的方法，使不同專業之間的協作從初期設計階段就開始進行，而且整個過程基本不需要人員的參與和管理，由中心數據庫即可實現，使設計過程中的溝通變得顯而易見。

基于BIM的設計階段方案優化主要體現在以下兩個方面。

1)場地布置優化。在項目初期開展場地布置的過程中，采用BIM技術進行三維建模，然后由管理人員通過開會審定，所有修改意見都可以在模型中實現，真正實現了所見即所得。另外，在場地漫游技術幫助下，使管理人員直觀感受項目建成后效果。不同專業之間分工合作，以相同的中心文件為核心開展工作，使設計達到前所未有的高效性。定稿之后，可直接將三維圖紙輸出為施工圖，由現場作業人員按圖施工。

2)模板深化設計。裝配式橋梁建設過程中，構件預制是一個重要環節，要想保證預制質量，保證模板精度與強度是前提。對預制構件的模板進行設計的過程中，為了使合模之后形成的模板體系有良好嚴密性，需要在模板外側按照500 mm的間隔距離安裝龍骨，相鄰兩個龍骨之間采用螺栓相連，施工中可通過調整螺栓控制模板之間縫隙的大小，以此滿足構件預制精度要求。然而，通過實際生產可知，因龍骨多次使用難免產生磨損和變形，導致在合模以后產生很大的縫隙。對此，利用BIM技術開展結構受力分析后，決定在龍骨的安裝位置額外增設一個鋼塊，這樣可有效增強龍骨耐受力。

3.4 對施工工序進行動態模擬

該工程承臺開挖方式為放坡開挖，通過BIM技術的應用，能對其整個施工過程及最終的成果予以虛擬化，進而避免由于對施工工藝的掌握不到位產生的邊坡塌方等問題，在減少資源消耗的同時，降低安全風險。基于BIM的工序模擬，還能確定最佳工序與方案，使有限的時間與資源都達到最優配置，預先發現現場施工時可能產生的問題，并制定針對性的解決措施。無論方案多么復雜，只要采用三維模型的方式呈現，都能變得通俗易懂，幫助施工人員及管理人員掌握每一道工序。

3.5 有利于施工方案的比選

對于現澆橋梁，其所有構件均在現場澆筑而成，但裝配式橋梁涉及到從預制廠到現場的流程，構件的吊裝貫穿在整個工程建設過程當中，對構件吊裝過程予以優化，選擇合適

的吊裝工具，明確吊裝步驟，對保證工程質量、成本與進度而言都極為重要。因該橋梁有很多匝道，所以和匝道之間銜接的部位需進行加寬處理，若選擇固定形式的機械進行吊裝，則在加寬段需要進行機械的拆除，由此產生一部分拆除費用，使該方案在前期初審過程中就被棄用；而采用龍門吊與履帶吊這兩套方案，并沒有太大的實質性差距。對此，可利用BIM技術對這兩套方案進行綜合分析，以此為最終方案的選擇提供科學的參考依據。

4 結 論

在裝配式橋梁建設過程中引入BIM技術可以從根本上解決很多項目生產時產生的問題，由于BIM技術具有可視化特點，所以能減少人為誤差，為工程快速、安全且高質量的建設提供極大幫助。在虛擬現實和3D打印等諸多高新技術的加持下，還能解決施工交底方面的難題，降低人員對交底內容的理解難度，使交底發揮出應有的效果。另外，由于BIM還能實現施工模擬，所以可幫助工程決策人員更好地整理思路，在諸多方案之中選出最佳的方案，這對實現精細化管理有重要現實意義。

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