基于Bentley的彎橋懸臂拼裝施工仿真

張穎達 寇永輝 熊麗敏

1. 鄭州市交通規劃勘察設計研究院 河南 鄭州 450001

2. 河南省公路全預制裝配式橋梁工程技術研究中心 河南 鄭州 450001

建筑信息模型（Building Information Modeling），簡稱BIM，是由足量、精確的信息來表達建筑情況的綜合模型。由Autodesk公司在2002年率先提出，隨后在美國、日本、歐洲和韓國得到廣泛應用。自從我國建筑業在2003年引入BIM技術以來，BIM技術的應用深度和廣度不斷提高[1,2]。例如，國家速滑館項、北京財富中心寫字樓、上海世博會德國館、道路橋梁等項目[3-5]都采用BIM 技術進行多專業管線進行優化布置、碰撞檢查、施工仿真分析和數據集成。北京在2014年2月頒布的《民用建筑信息模型設計標準（DB11/1063-2014）》將BIM應用推向標準化，2017年7月發布《北京市建筑信息模型（BIM）應用示范工程的通知》進一步推進BIM在工程方面的應用。上海也在2014年10月公布了《關于在本市推進建筑信息模型技術應用的指導意見》，以推進BIM技術在公共設施建設中的應用[1]。

目前流行的BIM平臺包括Revit、Bentley、ArchiCAD、廣聯達、鴻業等[6-8]。其中Bentley平臺采用各行業統一文件格式的專業化軟件MicroStation、OpenRoads、OpenBridge、ContextCapture、LumenRT等建模，基于線上協同的云平臺可使專業性較強的建筑模型進行更好地分工協作[9,10]。由于曲線段懸臂拼裝匝道橋具有平彎、豎彎曲線并設有超高，主梁空間線形復雜，各預制節段及其剪力鍵、齒塊、預應力管道等構造復雜且各不相同，這些都增加了懸臂拼裝施工難度，開展精細化的施工仿真非常必要，經過比選，選定Bentley平臺開展施工仿真分析。

本文以鄭州南四環高架橋的鄭密立交段C匝道橋為依托，采用Bentley平臺和無人機傾斜攝影技術，對半徑360m的短線法預制懸臂拼裝橋梁進行精細化實景建模，進行高精度、多維度的施工仿真分析，總結出一套復雜橋梁結構施工的模擬方法，成果為復雜橋梁施工提供借鑒與參考[2]。

1 工程概況

鄭州南四環高架橋工程是國家綠色建設和工業化裝配式橋梁的典范工程。項目最大限度的采用墩梁工業化設計、制造、運架一體化橋梁工業化技術。其中鄭密路立交橋C匝道橋位于半徑為360m的曲線段上，橋梁寬度10m，共分為3聯，對應的跨徑布置為2×（3×28m）+3×26.83m，本文以第二聯為研究對象，橋型布置見圖1。匝道設計車速40km/h，主梁采用單箱單室等高斜腹板預應力混凝土箱梁，橋墩處墩梁固結，橋臺處設置支座。主梁高2.2m，主梁單跨共劃分11個施工節段，墩頂0號節段長4.1m，墩頂現澆0號節段與1號預制節段間設置15cm現澆濕接縫，跨中合龍段長1.2m，0號節段與合龍段均采用現澆施工。其余節段長2.8m，采用短線法預制懸臂拼裝施工。橋墩采用花瓶墩，基礎為樁基礎[3]。

圖1 鄭密路立交橋C匝道橋第二聯（單位：m）

2 Bentley平臺懸臂拼裝橋梁施工仿真流程

根據曲線段短線法懸臂拼裝施工特點，結合Bentley平臺現有軟件，總結其施工仿真分析流程如圖2所示。其中，MicroStation軟件有專門的曲線、曲面、實體等模塊，可滿足對橋梁結構構件的精細化建模。通過OpenRoads軟件進行道路的平曲線、豎曲線、邊坡、土石方開挖、局部超高及加寬的模擬，結合OpenBridge軟件，考慮施工過程，開展橋梁的截面、跨度信息定義，并通過整體放樣建立新建橋梁整體BIM模型。采用無人機傾斜攝影技術對新建橋梁周邊環境進行采集，通過ContextCapture軟件構建三維實景模型，經過3Dmax軟件調整BIM模型。最終，將以上模型融合并導入LumenRT中，開展曲線節段預制懸臂拼裝橋梁施工仿真模擬[4-5]。

圖2 Bentley平臺施工仿真流程圖

3 Bentley平臺曲線節段預制懸臂拼裝橋梁施工仿真難點

3.1 匝道的空間線形放樣

考慮匝道施工圖的平彎、豎彎、超高情況，結合橋梁施工節段劃分、施工步驟，在OpenRoads軟件中建立匝道橋所在道路中心線，以外部參照形式導入OpenBridge軟件中，建立匝道橋BIM模型（圖3）。

圖3 立交匝道模型

3.2 空間曲線預應力鋼筋模型建立

與直線橋梁預應力鋼筋不同，曲線節段預制橋梁預應力鋼筋數量多、線型復雜，且預應力鋼筋線型一般是通過沿道路中心展開繪制，需要根據匝道的平曲線情況進行坐標換算，使得直接繪制預應力鋼筋的空間曲線極為困難[6]。

由曲線段預應力鋼筋線型特點可知，預應力的空間曲線型為平彎路徑與豎彎路徑所拉伸創建的空間曲面的交線。通過MicroStation軟件，首先建立預應力鋼筋所在的平彎及豎彎曲面，然后通過線邊界提取方法獲得預應力鋼筋的空間曲線，如圖4所示。

圖4 曲線預應力鋼筋模型構建

3.3 施工場地實景模型建立

采用大疆精靈2Pro無人機通過傾斜攝影的方法，進行施工場地實景模型構建，飛行高度120m，拍攝范圍為鄭密立交全范圍，拍攝角度為范圍內的正射影像及傾斜影響，相鄰位置長邊拍攝重復率高于70%，短邊內容重復率高于50%，共1017張照片，規則切塊25塊獲得鄭密立交實景整體模型。并對主要模擬段C匝道第二聯進行細節拍攝，飛行高度50米，照片重復率同上。將以上圖片導入ContextCapture軟件中，根據照片中存儲的GPS空間位置信息、陀螺儀的空間角度信息、傳感器焦距尺寸等信息進行空中三角形計算，從而將二維照片像素點轉為三維實景模型，從而建立兼顧遠處背景及近處細節的實景模型（圖5）[7-8]。

圖5 鄭密立交實景模型

若進一步調整或編輯模型，可將切塊的OBJ格式模型導入3Dmax中，對實景模型進行調整。

3.4 施工機具設備模型建立

對于常規的標準化機具設備可通過互聯網直接獲得，而對于本橋施工專用的機具設備，則需要根據施工單位提供的機具設備圖紙通過MicroStation軟件建模。

3.5 施工仿真模擬

將橋梁結構模型、機械設備模型和編輯后的實景模型導入LumenRT軟件中，根據具體施工方法，調整相應模型構件的運動路徑及速度，從而得到橋梁施工仿真。圖6展示了本橋曲線節段預制現場吊裝模擬[9-10]。

圖6 橋梁預制節段吊裝模擬

4 結論

通過對曲線節段預制懸臂拼裝橋梁施工仿真模擬，Bentley系列軟件能滿足多曲面、條狀復雜構件的仿真模擬。目前本橋已順利完成施工，經濟、社會效益顯著，成果為同類結構施工模擬提供參考。