基于數字化技術的斜拉橋上塔柱復雜鋼筋組裝優化

熊雪飛 王鵬 張捷 楊世聰 李治翰

(1.四川川黔高速公路有限公司 四川 成都 610000；2.四川公路橋梁建設集團有限公司 四川 成都 610000；3.重慶交通大學 省部共建山區橋梁及隧道工程國家重點實驗室，重慶 400067）

0 前言

建筑信息模型（Building Information Modeling，簡稱BIM）因具有將存儲于模型中的技術信息與項目各階段資料相對應的特點，在建筑、橋梁等工程領域得到普遍應用與推廣[1]。相比于建筑領域，橋梁工程領域中的結構更加異型、復雜，加之現有軟件對于橋梁異型結構的族文件很少[2]，BIM應用于復雜的橋梁工程具有一定局限性。為此，很多國內外學者開展了研究：Young Sang Cho[3]等基于參數化BIM技術設計，探索了可設置鋼筋并且可轉化為圖紙的新型鋼筋混凝土平板建模技術；Mohit[4]等考慮梁柱接頭碰撞，建立了基于BIM技術和遺傳算法自動設計無沖突鋼筋模型；Liu[5]等基于Autodesk Revit軟件建模并二次開發軟件設置鋼筋；Mangal[6]等基于BIM研究和遺傳算法自動設計框架鋼筋的方法，自動開展鋼筋混凝土梁柱復雜節點的鋼筋碰撞檢測；崔琨[7]基于Revit和軟件的二次開發，提出了自動生成鋼筋的鋼筋混凝土框架結構參數化建模技術，該技術能自動開展鋼筋碰撞檢測；劉師卓[8]運用參數化BIM設計技術，構建包含配筋及幾何信息的混凝土梁和柱配筋模型；王一鳴[9]利用Visual Studio 2016，以及Revit軟件的二次開發技術，構建了矮T梁鋼筋模型。

已有研究極大地推動了BIM技術的應用和發展，但大多集中在建筑領域，橋梁領域的應用相對簡單，對于具有結構異型、預埋構件多、鋼筋類型多樣、數量眾多等特點的橋梁索塔錨固區復雜鋼筋的數字化技術還鮮有文獻可見[10]。本文以山區大跨度斜拉橋赤水河大橋上塔柱為依托，分析該復雜部位鋼筋組裝特性，在二維CAD基礎上，基于數字化技術，二次開發“Revit+Civil3D+Dynamo”軟件建立鋼筋組裝可視化模型，并開展鋼筋與鋼筋、鋼筋與預埋件等碰撞檢測，優化了鋼筋布局，明確了鋼筋組裝順序，減少了因對圖紙的理解差異而出現的失誤，解決了復雜環境下如何保證鋼筋施工的質量，提高施工效率的難題，以期為同類型橋梁結構的設計、施工提供參考。

1 工程概況

赤水河特大橋為雙塔雙索面組合梁斜拉橋，橋跨布置為257m+575m+257m。主梁采用雙邊“工”字型邊主梁結合橋面板的整體斷面，全寬38m（不含氣動翼板）。索塔采用收腿的 A 型造型，整體式承臺，兩側各布置23對斜拉索。索塔高約261m，由下塔柱、下橫梁、中塔柱、上橫梁、上塔柱組成，其中下塔柱高88.9m，中塔柱高85.4m，上塔柱高（含塔冠）86.7m，索塔在橋面以上高度約為158m，高跨比為0.275，如圖1所示。斜拉索塔端采用鋼錨梁的錨固方式（前兩對索采用混凝土齒塊錨固），鋼錨梁主要承受斜拉索的平衡水平力。每套鋼錨梁錨固1對斜拉索。南索塔有鋼錨梁共42套，單個塔柱包含21套，自下而上編號為3#～23#。鋼錨梁施工過程中一端固定，一端滑動，滑動端交錯設置。上塔柱混凝土施工與鋼錨梁安裝同時進行。

圖1 赤水河大橋索塔

2 上塔柱鋼筋組裝施工難點分析

2.1 預埋件多，而且安裝精度要求高

上塔柱錨固區由鋼錨梁、U型預應力筋、錨下螺旋筋、索道管、支撐構造鋼筋的型鋼勁性骨架、構造鋼筋等構成，預埋件多，組裝精度要求高，構造鋼筋類型眾多，結構為網狀多層級鋼筋。

2.2 塔柱高空作業操作空間狹小，鋼筋難以正確定位

上塔柱錨固區的鋼錨梁、U型預應力筋和索導管的安裝精度要求非常高，因此該復雜部位作業須先將這些預埋件安裝定位，然后再綁扎構造鋼筋。此外，構造鋼筋的操作空間非常有限，難以正常工作，不利于鋼筋精確安裝。因此，還須兼顧混凝土粗集料的下料通道，保證混凝土的澆筑質量。

2.3 塔柱鋼筋類型多，工序繁瑣，鋼筋綁扎質量難以控制

基于二維圖紙，操作人員難以正確掌握復雜鋼筋的組裝順序，再加上操作員素質良莠不齊，偷工減料、返工等現象常有發生，很難按照設計要求組裝，存在較大的質量和安全隱患。

3 上塔柱錨固區數字化模型的建立

3.1 型鋼模型搭建

現有的軟件對于橋梁異形結構的族文件很少，并且鋼錨梁、U型預應力筋、錨下螺旋筋、索道管等預埋件的定位精度要求高，需要在滿足預埋件位置的情況下調整、優化造鋼筋的位置，此外索塔錨固區復雜鋼筋不能直接建模，必須二次開發現有軟件才能滿足要求。本文基于Autodesk平臺，采用“Revit+Civil 3D+Dynamo”的軟件組合方式的建模方案，這里涉及三款軟件，分別為Revit、Civil 3D和Dynamo，Revit通過其強大的族功能，可以定制各種橋梁族構件，Civil 3D可以解決橋梁三維曲線問題，Dynamo用于將這些族構件放置到設計的位置。本文建模思路如下：采用Revit概念體量法創建通用索塔模型，并通過12個自適應點位控制鋼錨梁、預應力筋等預埋件創建自適應族；其次，為減少人為因素誤差，基于Civil 3D二次開發讀取索塔鋼錨梁、預應力筋等預埋件軸線數據，通過數據運算自動繪制鋼錨梁、預應力筋等預埋件中心線；最后根據索塔鋼錨梁、預應力筋等預埋件軸線數據三維生成型鋼勁性骨架，基于具有可視化編輯功能的Dynamo軟件，根據預設預留混凝土下料通道布置，適當調整局部鋼筋參數，自適應布置構造鋼筋，在勁性骨架上生成構造鋼筋實現建模[11]。建模工序如圖2所示。

圖2 復雜鋼筋數字化建模工序

3.2 數字化建模的優點

本文基于數字化通過“Revit+Civil 3D+Dynamo”軟件的二次開發技術，實現復雜鋼筋三維可視化建模實現三維可視化交底，明確各類型鋼筋的施工順序，讓每名操作員直觀地認知錨固區鋼筋的綁扎工藝及綁扎工序。

保證各預埋件的安裝精度，構造鋼筋的位置根據預埋件的位置進行局部調整及優化；明確塔柱錨固區各組成部件的施工工序，從而避免材料浪費和返工事件的發生；鋼筋綁扎時預留混凝土下料通道，保證混凝土的澆筑質量；提高鋼筋綁扎效率，保證鋼筋施工質量以及操作人員安全。

4 碰撞檢測及優化

根據CAD平面設計圖紙中鋼錨梁、U型預應力筋、錨下螺旋筋、索道管等信息，建立復雜部件密集鋼筋模型，并通過模型發現鋼筋與預埋件在空間上存在碰撞，于是，修改局部參數，調整和優化碰撞處的構造鋼筋間距，全面提高鋼筋施工質量。

通過二次開發軟件實現鋼錨梁和索塔箍筋之間的碰撞檢測，鋼錨梁的定位必須準確，發現有局部的索塔箍筋不能通過鋼錨梁加勁肋處孔洞，適當調整箍筋間距，局部箍筋間距過大輔以加強筋，部分鋼筋與鋼錨梁沖突，不能通過調整鋼筋間距來解決時，可加設勁板，安裝時鋼。

擠壓構造鋼筋間距，增加了混凝土粗集料的下料難度，應在滿足規范《公路鋼筋混凝土及預應力鋼筋混凝土橋涵設計規范》（JTG3362-2018）的基礎上，焊接固定筋與勁板，確保上塔柱混凝土施工與鋼錨梁安裝同時作業。由于此前預埋了鋼錨梁鋼板和大量的開孔板，當水平鋼筋穿過開孔板時應盡量遠離預埋鋼板，同時適當挪動豎向鋼筋位置，核查鋼筋與鋼板間的凈距，保證骨料能夠順利通過。

索導管的安裝精度直接關系到斜拉索的安裝效果，當構造鋼筋與斜拉索套導管相干擾時，可使部分構造鋼筋繞道索導管，部分間距大的構造鋼筋輔以加強筋補強，或者構造鋼筋在索導管處截斷，應將截斷的鋼筋牢固焊接在索導管上。施工放樣時，應提前幾個施工節段預判主筋和預應力錨頭的干擾，預先彎折部分主筋繞開錨頭，避免主筋截斷。

先鋪設U型環向預應力管道，并且保證位置準確，當構造鋼筋通過環向預應力管道時，可適當調整局部構造鋼筋位置，優先保證環向預應力管道位置正確。當錨下螺旋筋與分布筋相干擾時，適當移動分布鋼筋或調整分布鋼筋的間距。

已安裝的鋼錨梁、U型預應力筋、錨下螺旋筋、索道管等預埋件，需要適當調整構造鋼筋間距，預留出混凝土下料通道。

此外，模型內部也存在諸多碰撞問題，應結合現場需要和工程實際適當調整局部參數，最終得出鋼筋模型的碰撞報告，通過碰撞報告，明確碰撞位置，優化鋼筋綁扎工藝，并重點記錄下來，在三維可視化施工交底時予以強調。

5 結束語

在山區大跨度斜拉橋赤水河大橋上塔柱施工過程中，本文基于數字化技術，采用“Revit+Civil 3D+Dynamo”的軟件二次開發的基礎上建立模型，實現鋼筋碰撞檢測，優化了鋼筋布局，實現數字化三維模型技術交底，明確了鋼筋組裝順序，減少操作人員因對圖紙的理解差異而出現的組裝失誤，避免了返工，節約了工期，解決了復雜環境下保證鋼筋施工質量，提高了施工效率，可為今后類似橋梁復雜部件鋼筋設計、施工提供有益參考。