基于BIM的小半徑大橫坡橋梁施工應用研究

農左 周鑫

摘要：在小半徑大橫坡橋梁施工管理中，BIM模型數據與現場的實際施工情況交互效果較差，常常出現BIM信息斷鏈的問題，導致BIM信息技術無法高效應用到小半徑大橫坡橋梁施工環境中。文章依托小半徑大橫坡橋梁——黃艾大橋預制箱梁架設工程，提出了基于BIM的小半徑大橫坡橋梁信息化技術體系，創建了BIM信息模型，建立參數化構件族，模擬關鍵施工工序，提高箱梁架設準確性，降低失穩風險，避免了重點工序沖突的返工現象，實現了BIM技術在小半徑大橫坡橋梁施工中的應用，提高了施工品質，保證了施工質量，為今后小半徑大橫坡橋梁的施工提供參考。

關鍵詞：BIM技術；施工模擬；小半徑；大橫坡；預制橋梁

中圖分類號：U445.3A240795

0引言

在復雜結構工程中，利用BIM技術的可視化優勢可以加強施工與數據之間的協調交流，為施工工作提供數據支撐，因而BIM技術在橋梁工程中的應用越來越廣泛［1］。

現階段，BIM技術在橋梁的施工過程中具有動態管理的特點，通過集成各參建方的信息數據，建立橋梁的三維模型，通過可視化處理，實現重難點結構處的施工模擬。同時，BIM技術在設計、施工、運維等過程中均有重要的應用。龍波等［2］以大跨徑鋼管混凝土拱橋為應用點，利用BIM模型實現橋梁結構的屈曲穩定分析，改善了橋梁空間布局與成果表達信息缺失的問題；陳剛［3］以預制T梁為目標，采用基于BIM技術的Revit軟件的三維建模鋼筋碰撞檢查優勢，探討了鋼筋之間的干擾問題，優化了T梁施工過程中的鋼筋安裝情況；周群等［4］以南寧市快環綜合整治項目（北湖立交）改造工程為實例，利用BIM技術的信息化特點針對裝配式市政橋梁傳統設計管理提出了有效方案，提高了BIM技術在橋梁設計管理的應用能力；張勝超等［5］提出了一種基于Dynamo插件的預制箱梁BIM模型參數化建模方法，實現了預制箱梁BIM模型的快速精準建模，提升了預制箱梁曲線建模的精度。

在小半徑大橫坡橋梁施工過程中，傳統的二維圖紙在橋梁整體與細部結構中難以實現精細化展示，且工作量較大。同時，如橋梁建設受到環境影響產生圖紙變更，則需要修改大量的二維圖紙［6］，耗費大量的人力成本，這一現象在跨越山溝和村道復雜環境下，特別是橋梁走線涉及池塘及農田的情況下尤為突出。目前，預制梁這一工藝的出現使得橋梁上下部結構物可以同時進行施工，雖然能夠縮短建設工期和保證預制梁的施工質量，但裝配式橋梁工程質量的好壞，不僅取決于預制梁的施工，還取決于其安裝效果［7］。由于橋梁線性弧度影響，外懸臂梁與內部梁的橫隔板常會出現錯位現象，特別是在小半徑大橫坡的橋梁工程條件下，橫隔板錯位問題尤為突出。本文依托小半徑大橫坡橋梁——黃艾大橋預制箱梁架設工程，提出了基于BIM的小半徑大橫坡橋梁信息化技術體系，創建了BIM信息模型，建立參數化構件族，模擬關鍵施工工序，提高箱梁架設準確性，降低失穩風險，避免了因重點工序沖突的返工現象，實現了BIM技術在小半徑大橫坡橋梁施工的應用，提高了施工品質，保證了施工質量，為今后小半徑大橫坡橋梁的施工提供參考。

1工程概況

黃艾大橋采用5×20 m裝配式預應力混凝土箱梁，先簡支后連續，橋梁全長107.5 m，橋梁寬度為12.15 m，交角為90°。橋位平面位于R=155 m的左偏圓曲線，橋面橫坡為單向8%，橋面最橫坡大高差為97.2 cm，橋面縱坡為-2.45%。大橋預制箱梁共20片，單跨預制箱梁5片，橋梁前進方向右高左低，從右至左每跨梁片編號為主梁1#～5#。橋墩采用矩形蓋梁柱式墩，橋臺采用樁柱式橋臺。黃艾大橋橋梁平面布置如下頁圖1所示，立面布置如下頁圖2所示。該橋工程難點是轉彎半徑小、橫坡大，架梁施工安全隱患多、安全風險高、難度大，亟須一種有效合理的可視化手段確保工程安全高質量施工。在按常規設計和架設施工工藝不可能完成的情況下，通過BIM建模及施工模擬提前發現可能存在問題，從而優化施工工藝，最后成功完成梁片架設。

2工程關鍵性難點

黃艾大橋為跨越山溝和村道而設置，大小樁號兩端地形陡峭，小樁號前進方向左側為池塘及農田，由于造價定額限制，改移大橋位置，將大橋橫坡放小、將轉彎半徑放大的施工較為困難，因此從設計的方向去解決大橋建造問題不切實際。通過BIM技術建模，將橋梁所處的地形以及橋梁上下構結構物按結構詳細尺寸進行建模，再將建立好的模型按照坐標位置放樣，將得到的成果模型對比設計指標要求，提前預判該橋施工過程中出現的問題［8］。黃艾大橋在施工過程中面臨的關鍵性難點如下：

（1）對有轉彎弧度的預制梁的預制施工，通常是在梁端兩側通過對端頭角度和邊梁懸臂參數的調整，從而完成對橋梁線性弧度的調整。在大曲線半徑的上構預制及施工過程中，橋梁橫隔板錯位較小，可忽略不計，但在小半徑大橫坡的橋梁工程條件下，橫隔板錯位問題尤為突出。經在模型中的測量，該橋在第三跨外懸臂梁相鄰內部一片梁的橫隔板錯位嚴重，達到37.2 cm（見圖3）。

（2）預制梁和現澆梁的橫坡正常設置為2%～4%，黃艾大橋橋面橫坡坡度達8%（見圖4）。預制的標準箱梁橫斷面坡度為2%，這需要保證上構箱梁穩定且不影響橋梁的受力情況下，在支座墊石處、橋面處位置調出余下6%的橫坡。

（3）箱梁架設的風險問題。由于蓋梁頂部存在著接近1 m的高差，架橋機在箱梁架設和過孔時存在較高的傾覆風險；橋梁的轉彎半徑過小，正常喂梁時梁體與架橋機存在過大的角度，梁體無法進入架橋機，常規雙導梁架橋機可能無法完成所有梁片架設。

3BIM模型的建立

3.1BIM技術應用目標

在小半徑大橫坡的橋梁工程中，BIM技術可通過圖紙與參數值的三維呈現傳遞有效施工信息，信息在傳遞過程中應注意數據之間的積累，結合現場的施工順序，將設計數據、專業信息以及精細模型集成至工程對象中［9］。在小半徑大橫坡橋梁中部分橋身結構和橋墩結構為異型結構，箱梁橫截面高度在縱橋方面為曲線走勢，常規的建模手段無法連續建立完整的異型橋結構，因此需采用參數化建模手段。本研究提出了基于BIM的小半徑大橫坡橋梁信息化技術體系，主要應用目標體系（如圖5所示）。

3.2創建橋梁中心線

小半徑大橫坡黃艾大橋的橋位平面位于R=155 m的左偏圓曲線，建模初期需滿足橋梁中心線的確定，因此本研究提出了一種樁號坐標定位中分法提取橋梁中心線。通過已知的橋墩樁號坐標數據（如表1所示），輸入對應的坐標，生成連貫的坐標體系，以橋墩號坐標作為參考值，分別計算出對應的中心點坐標，獲取連續的中心坐標后，以R=155 m的圓曲線連接對應所有中心坐標生成連續線，即可創建橋梁中心線，如圖6所示。

3.3創建參數化橋梁異型構件

通過橋梁模型的創建，連續梁橋的異形結構主要集中在箱梁與橋墩位置，考慮到能夠與施工相結合，在設計階段會涉及不同結構的箱梁與橋墩，因此設計了參數化模型，通過改變尺寸和類型即可驅動生成不同結構的模型形狀，主要目的在于以參數變量的形式提高模型修改效率，進一步提升BIM模型的建模效率與精度［10］。參數化創建構件流程如下頁圖7所示。

在這一過程中，可使用剪切、拉伸與放樣三種功能在實體中挖去多余實體以創建橋墩不規則模型；連續箱梁模型創建過程中需要考慮橫縱坡的設置，可通過角度參數設計橫坡。參數化模型如下頁圖8所示。

3.4橋梁模型的創建

以樁號坐標定位中分法獲取橋梁中心線，并采用參數化建模完成異型橋墩與箱梁模型的建立，通過建立不同階段的模型，提高建模效率，降低容錯率，進一步提升了工作效率，最終完成小半徑大橫坡黃艾大橋的三維模型創建，如圖9所示。

通過對大橋三維模型的建立，將設計圖紙和參數值反映至模型最終成橋狀態，查看成橋狀態的不合理之處。由于該橋轉彎半徑太小，操作空間受到極大制約，正常喂梁時梁體與架橋機存在13°夾角，梁體無法進入架橋機，常規雙導梁架橋機不能完成所有梁片架設。為減少架橋機兩道承重主梁和后支腿對Ｔ梁喂梁時的位置限制，做了以下優化改造：（1）縮短架橋機主梁長度，僅保留40 m；（2）減小橫向寬度；（3）根據梁片角度變化調整后支腿的位置和高度；（4）充分利用優化后的操作空間，盡量減小架橋機橫移軌道的不平行角度，降低架橋機橫移的難度和脫軌的風險。通過對架橋機改裝后的受力驗算分析，架橋機穩定性滿足施工要求。但架橋機過跨后無法在橫移軌道上一次完成單跨T梁架設任務，需調節后支腿的法蘭盤和橫移軌道才能完成邊梁架設。當法蘭盤調節完成并連接后，架橋機主梁存在一定扭矩；當后支腿作為支點時架橋機前支腿將產生較大位移，存在較大安全隱患。為消除這部分扭矩造成位移帶來的安全隱患，采取法蘭盤和橫移軌道同時調節、多次微調的方法，大大減小了前后支腿位移的差異，也減少了主橫梁因軌道不平行而產生的扭矩，安全地完成邊梁架設。

3.5施工工藝模擬

創建黃艾大橋三維模型，并針對重難點的復雜工藝進行準確的施工模擬后，可發現鋼筋空間沖突、施工步驟、結構扭曲以及樁號定位等問題，并做出相應的整改方案。依據BIM技術的可視化特征輔助項目施工，實現鋼筋碰撞檢查，并通過模擬施工完成項目施工人員的技術交底工作，加深管理人員以及施工人員對小半徑大橫坡的大橋橋梁結構的了解，進一步提高小半徑大橫坡橋梁施工質量。

從預制梁制作至橋梁施工，結合工藝模擬，通過BIM技術在小半徑大橫坡大橋施工過程的應用，可總結以下注意事項：（1）梁片吊裝前或喂梁前，必須做好設備的檢查工作及試吊，做好前期的工程測量放樣；（2）過孔中必須保持架橋機平穩緩慢前行，保證前支架的穩定與垂直狀態，前、后支腿起頂以及保險跺支撐是否牢固；（3）過孔選用的配重梁均為需要架設的3#或4#中梁，過跨成功后，可以直接將配重梁“對號入座”地安裝；（4）梁片起吊前，先用鋼墊板保護T梁底角和T梁翼板角，再用鋼絲繩兜底扣住鋼墊板，確保T梁梁體不受損，鋼絲繩兜底位置應靠近Ｔ梁兩端支座預埋鋼板；（5）架橋機前支腿和中托對應的橫移軌道要通過枕木和水準儀調平，鋼軌道兩端各3 m范圍要用槽鋼或工字鋼加固，同時要與蓋梁固結好，以防架設邊梁時架橋機在軌道上偏心，導致鋼軌道受剪斷裂；（6）喂梁時，當梁體吊離運梁車2 cm時，暫停作業，在細致觀察后，確認一切正常方能繼續起吊；（7）落梁時，需等梁片做好臨時加固后，方可卸下吊裝鋼絲繩。

4結語

隨著社會經濟的發展，山區公路路網建設日益完善，尤其在復雜地形山區公路上，小曲線半徑大橫坡的預制梁預制安裝設計應用日益廣泛，但其施工難度高。本文以BIM技術設計小半徑大橫坡橋梁信息化技術體系，創建BIM信息模型，建立參數化構件族，模擬關鍵施工工序，提高了箱梁架設準確性，降低了失穩風險，避免了因重點工序沖突的返工現象，實現了BIM技術在小半徑大橫坡橋梁施工中的應用。通過優化設計，對常規的施工進行精準把控和工藝創新，從源頭入手，用BIM基礎的建模及模型調整的方法，模擬特殊施工工藝，找出錯位與碰撞現象，克服施工難點，安全完成架設任務，并在黃艾大橋預制箱梁工程中順利應用，為小半徑大橫坡橋梁施工積累了寶貴經驗，可為同類工程橋梁設計施工提供借鑒。

參考文獻

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作者簡介：農左（1993—），工程師，主要從事交通工程建設與BIM技術應用管理工作。