基于BIM的橋梁工程設(shè)計(jì)與施工優(yōu)化研究

謝俊明

（貴州高速公路集團(tuán)有限公司,貴州 貴陽 550003）

0 引言

信息化建筑模型（BIM）作為我國綠色化建筑發(fā)展的重要信息技術(shù)手段，能夠采取智能化、三維可視化等方式實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)施工階段的輔助優(yōu)化。相對于以往傳統(tǒng)的項(xiàng)目管理模式，BIM技術(shù)能夠極大程度地縮減建設(shè)成本，優(yōu)化項(xiàng)目建設(shè)速率。BIM技術(shù)在不同工程行業(yè)中得到了大范圍應(yīng)用及認(rèn)可，技術(shù)儲(chǔ)備較為豐富成熟，但是BIM技術(shù)在橋梁工程中對于復(fù)雜構(gòu)件的設(shè)計(jì)施工研究相對較少，該文主要對BIM技術(shù)橋梁模型優(yōu)化設(shè)計(jì)及施工應(yīng)用進(jìn)行探討，以此為橋梁工程建設(shè)提供必要支撐。

1 工程概況

貴州省某跨河大橋是銜接省市及周圍區(qū)縣的重要交通設(shè)施，承擔(dān)地鐵交通、物流車輛運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵作用，設(shè)計(jì)大橋主要為3跨連續(xù)鋼桁架結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)采取剛性懸索加勁，跨徑（140+260+140）m，全長540 m；上部結(jié)構(gòu)中上層則設(shè)計(jì)為城市主干路，雙向六車道，設(shè)計(jì)車速80 km/h，斷面設(shè)計(jì)寬度32 m，其中“人行道（2 m）+桁架立柱（2 m）+車行道（11 m）+中央分隔帶（2 m）+車行道（11 m）+桁架立柱（2 m）+人行道（2 m）”。下層則設(shè)計(jì)為軌道交通通道，雙向軌道設(shè)計(jì)，軌道結(jié)構(gòu)為浮置板式道床構(gòu)造，設(shè)計(jì)寬度28 m。橋型斷面布置如圖1（a）所示，場景應(yīng)用效果圖如圖1（b）所示[1]。該橋梁上部設(shè)計(jì)有雙層鋼桁架結(jié)構(gòu)，其主桁由2片桁架構(gòu)成，鋼桁架斷面為26 m×12.5 m矩形設(shè)計(jì)，桁架上弦距離懸索最大距離為25 m。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)施工存在較大的復(fù)雜程度，主要表現(xiàn)為該橋型建設(shè)位置偏向于居住區(qū)，周圍存在數(shù)量較多、分布密度較大的新老建筑物，且地下系統(tǒng)管線分布較為繁雜，現(xiàn)場施工組織及協(xié)調(diào)難度極高。

圖1 斷面設(shè)計(jì)示意圖

2 BIM精細(xì)化模型構(gòu)建

2.1 附屬設(shè)施

該大橋項(xiàng)目BIM模型構(gòu)建中需要考慮多個(gè)不同構(gòu)建種類，如大橋附屬設(shè)施、鋼桁架主桁、異形橋墩等。其中，大橋附屬設(shè)施主要包括地面標(biāo)線、交通安全設(shè)施、標(biāo)志牌、排水系統(tǒng)、照明設(shè)施、行人系統(tǒng)等。項(xiàng)目為簡化附屬設(shè)施精細(xì)化設(shè)計(jì)過程，擬采取Micro Station軟件進(jìn)行附屬設(shè)施構(gòu)件單元庫創(chuàng)立，依據(jù)不同構(gòu)件的分布空間進(jìn)行布置。對于同一類別的交通設(shè)施構(gòu)件則需要設(shè)置成DGN文件，這有助于避免設(shè)計(jì)提及量過多導(dǎo)致的布置空間交叉錯(cuò)亂缺點(diǎn)。該大橋項(xiàng)目BIM設(shè)計(jì)主要包括150個(gè)相關(guān)構(gòu)件，且多數(shù)構(gòu)件都可以進(jìn)行尺寸參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化。附屬設(shè)施單元如圖2所示[2]。

圖2 附屬設(shè)施示意圖

2.2 鋼桁架主桁

依據(jù)項(xiàng)目建設(shè)施工實(shí)際環(huán)境，主要將橋梁結(jié)構(gòu)分為上部鋼桁架、下部異形橋墩及基礎(chǔ)三個(gè)部分。上部結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為雙層鋼桁架構(gòu)造，施工對于構(gòu)件的精度要求較高，且結(jié)構(gòu)布置相對復(fù)雜，上部鋼桁架結(jié)構(gòu)BIM建模主要以編程形式開展；橋梁下部結(jié)構(gòu)則采取多曲面異形空間薄壁空箱設(shè)計(jì)，弧形外觀控制相對較難。項(xiàng)目組擬采取Dynamo進(jìn)行鋼桁架模型構(gòu)建。上部鋼桁架結(jié)構(gòu)中的主桁包含2片桁架，桁架中心橫向距為26.5 m，節(jié)間長度12.5 m，中心桁架高度達(dá)到了12.8 m，豎桿三角桁架布設(shè)在立面。橋梁上部鋼結(jié)構(gòu)Dynamo精細(xì)化參數(shù)模型分析中，桁架截面、U型橫肋、正交異性橋面板等不同尺寸參數(shù)可進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化，以滿足不同要求[3]。

2.3 異形橋墩

下部結(jié)構(gòu)中橋墩表現(xiàn)為多曲面異形薄壁空間構(gòu)造，內(nèi)部輪廓收空，外觀結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，曲面控制精度要求極高。因此，項(xiàng)目組主要采取Dynamo進(jìn)行橋墩模型設(shè)計(jì)，效果如圖3所示。同時(shí)，也可以利用軟件相應(yīng)可視化技術(shù)，對橋墩、基礎(chǔ)等構(gòu)件進(jìn)行對角度觀察，橋墩尺寸（墩身橢圓半徑）、橋臺(tái)高度、基礎(chǔ)尺寸等參數(shù)都可以根據(jù)需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化。

圖3 橋墩及基礎(chǔ)斷面示意圖

3 基于BIM的大橋優(yōu)化控制

3.1 設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1.1 地形模擬

該大橋項(xiàng)目設(shè)計(jì)區(qū)域的地形高程變化幅度較大，且地形情況較為復(fù)雜，采取傳統(tǒng)的二維地形平面圖難以充分體現(xiàn)出實(shí)際建設(shè)環(huán)境，項(xiàng)目組主要采取BIM技術(shù)構(gòu)建大橋設(shè)計(jì)地形的三維模型。地形模型構(gòu)建主要采取Power Civil創(chuàng)建，通過對二維地形等高線、高程點(diǎn)等信息數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件篩選提取，利用三角網(wǎng)構(gòu)建地形模型。該三維模型能夠充分反映現(xiàn)場情況，為后續(xù)平面、縱向線形設(shè)計(jì)及土方回填開挖等階段提供必要數(shù)據(jù)支撐[4]。

3.1.2 平縱設(shè)計(jì)

在3D地形BIM模型構(gòu)建之后，設(shè)計(jì)人員同樣可以采取BIM技術(shù)開展平縱線形設(shè)計(jì)，平面線形設(shè)計(jì)則主要對跨河橋梁布設(shè)方向、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行比選，采取OPD軟件的直線功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，橋梁曲線線形則可以采取緩和曲線、圓曲線功能開展設(shè)計(jì)。平縱線形則可以通過軟件多次優(yōu)化調(diào)整，確保線形的流暢、平順，實(shí)現(xiàn)與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)。

3.2 施工優(yōu)化

3.2.1 施工布置

大橋施工現(xiàn)場布置BIM技術(shù)模擬，則可以依照以下階段開展，即場地施工設(shè)計(jì)、場地方案設(shè)計(jì)模擬、場地調(diào)整。BIM設(shè)計(jì)中，需要依據(jù)實(shí)際情況開展二維場地平面設(shè)置，對施工區(qū)域、生產(chǎn)區(qū)、生活區(qū)、消防區(qū)等進(jìn)行合理安排，待二維平面設(shè)計(jì)之后，首先可以開展施工場地建模工作，對場地關(guān)聯(lián)設(shè)備、儀器等進(jìn)行空間布置、模型屬性賦予工作。其次需要開展BIM場地方案模擬，模擬時(shí)間變量則需要事先設(shè)置，全過程模擬的開展有助于分析施工場地及施工組織的不恰當(dāng)處。之后，則需要依據(jù)場地模擬情況對場地方案進(jìn)行一定優(yōu)化調(diào)整，施工組織及場地布置經(jīng)一定改善之后，則重復(fù)開展運(yùn)行模擬工作，以便獲取最終方案，同時(shí)將該方案轉(zhuǎn)變成場地施工布置三維圖[5]。該大橋項(xiàng)目通過上述過程，獲取場地布置效果如圖4所示。

圖4 場地布置效果圖

3.2.2 施工流程

針對施工方案的BIM模擬主要依照以下流程開展：首先，創(chuàng)建大橋項(xiàng)目關(guān)聯(lián)臨時(shí)設(shè)備、機(jī)械設(shè)備的BIM模型，如施工桁架吊裝機(jī)械、塔吊、臨時(shí)支架等；其次，構(gòu)建現(xiàn)場鋼桁架BIM模型，并且進(jìn)行鋼桁架參數(shù)的相關(guān)賦予，虛擬軟件中需要對BIM模型進(jìn)行施工鋼桁架吊裝過程模擬，依據(jù)不同模擬結(jié)果開展施工過程的改善，調(diào)整施工方案不合理處，同時(shí)開展施工動(dòng)畫制作，演示主觀動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)效果。為確保大橋施工方案合理性，項(xiàng)目組主要將施工場地布置在大橋兩側(cè)，首先開展樁基礎(chǔ)、橋墩的施工，之后則在橋墩兩側(cè)布設(shè)臨時(shí)墩、托架來形成安裝鋼桁架的平臺(tái)結(jié)構(gòu)。平臺(tái)結(jié)構(gòu)布設(shè)完成之后，則需要開展鋼桁架梁起始節(jié)段的安裝，此時(shí)需要在起始節(jié)段鋼桁架梁處安裝吊機(jī)設(shè)備，繼而依次由橋墩邊跨至跨中開展鋼桁架片的吊裝，最后實(shí)現(xiàn)主梁合攏。局部施工工序開展BIM模擬效果如圖5所示[6]。

圖5 鋼桁架梁施工過程BIM模擬

3.2.3 碰撞檢查

橋梁項(xiàng)目碰撞檢測BIM模型構(gòu)建有助于對不同橋梁構(gòu)件位置沖突情況進(jìn)行分析，有助于對圖紙?jiān)O(shè)計(jì)錯(cuò)誤、誤差進(jìn)行校核糾正，避免后續(xù)返修施工。項(xiàng)目主要采取Navigator軟件開展碰撞檢測，通過對導(dǎo)入的施工模型進(jìn)行碰撞檢測功能賦予，對沖突構(gòu)件進(jìn)行檢測。項(xiàng)目節(jié)段鋼筋模型碰撞檢測如圖6所示。依據(jù)碰撞檢測效果及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，全橋鋼桁架弦桿拼裝錯(cuò)漏處為9處，異形橋墩處鋼筋交錯(cuò)存在15處，缺失預(yù)留孔洞位置5處。設(shè)計(jì)人員可以通過檢測缺陷對桁架豎桿進(jìn)行一定尺度調(diào)整優(yōu)化（該項(xiàng)目提升豎向腹桿2～4 cm），承臺(tái)處箍筋則可以進(jìn)行1～3 cm錯(cuò)位優(yōu)化，規(guī)避鋼筋沖突。該大橋BIM設(shè)計(jì)模型的檢測有助于解決圖紙?jiān)O(shè)計(jì)出現(xiàn)的碰撞沖突情況[7]。

圖6 項(xiàng)目局部節(jié)段鋼筋模型碰撞效果

4 結(jié)語

公路工程中BIM技術(shù)主要以3D模型為基礎(chǔ)，能夠?qū)こ探ㄔO(shè)項(xiàng)目不同階段進(jìn)行可視化分析、動(dòng)態(tài)優(yōu)化，并且能夠?qū)κ┕げ煌瑓?shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，為后續(xù)工作的開展提供必要支撐。該文結(jié)合貴州省某三跨路軌雙用鋼桁架橋梁進(jìn)行精細(xì)化BIM模型構(gòu)建，對BIM技術(shù)在該橋梁設(shè)計(jì)施工中的具體應(yīng)用進(jìn)行了分析。BIM技術(shù)能夠改善傳統(tǒng)2D地形平面的設(shè)計(jì)局限，通過3D地形圖的展示改善后續(xù)線形設(shè)計(jì)質(zhì)量。施工階段，則可以通過BIM技術(shù)進(jìn)行大橋施工場地布置、施工過程、碰撞檢測的分析，提升項(xiàng)目設(shè)計(jì)施工質(zhì)量及管理效率，降低項(xiàng)目建設(shè)成本。因此，BIM技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用具有極大的前景，希望該文所作研究能夠?yàn)轭愃茦蛄航ㄔO(shè)提供參考。