基于BIM技術鋼箱拱肋精確制作與線形控制施工技術

邵嘉兵 （安徽省公路橋梁工程有限公司，安徽 合肥 230001）

0 引言

鋼結構橋梁由于其自重輕、剛度大、施工速度快等特點在市政交通工程中被廣泛應用[1]。拱肋是系桿拱橋中主要受力部件，因此拱肋的加工質量以及線性精度控制是拱橋結構安全的重要保證。傳統的拱肋采用在鋼結構廠內加工、現場拼裝的方法施工，廠內加工由技術員用CAD 制圖，對多節點桿件加工精度控制難度大[2-4]。因此需要對傳統拱肋加工方法進行改進，以解決拱結構拱肋加工精度和現場安裝線型、焊接質量、安全控制等問題，形成工序化作業，提高鋼結構拱橋施工效率，降低制造成本。

1 工程概況

繁華大道橋是安徽省第一座軌道與城市道路共線的大跨度橋梁結構，主橋采用鋼桁架拱橋設計，其中拱肋為四面封閉箱型構造，采用鋼結構廠內加工、現場安裝方式施工，拱肋內部為4 個拼接板栓接連接，拱肋外部為焊接連接，全橋共4 條拱肋。為增加拱肋穩定性，相鄰兩條拱肋采用“米”字形風撐連接，“米”字形風撐連接節點多，故對風撐的加工及安裝精度要求較高。

主拱肋為鋼箱拱，采用全焊接方式連接，內側加勁采用高強螺栓連接。吊桿采用柔性吊桿，標準間距9m，上端錨固于拱肋底部，為張拉端，下端錨固于上弦節點處，為錨固端。拱肋加工完成后，由運梁車將其運送至橋位，采用汽車吊上橋法進行吊裝施工。

箱型拱肋采用內部栓接、外部焊接形式連接，待全橋焊接施工、高強螺栓施擰完成后，先拆除拱肋支架，進行吊桿安裝、張拉施工，再拆除鋼桁架支架，進行吊桿二次張拉，最后施工完成橋面附屬工程。

圖1 主橋鋼桁架結構圖

2 施工工藝流程

本技術施工工藝流程為施工準備→拱肋BIM 建模→桿件制造工藝補償量設定→鋼材下料→單元件焊接→胎架制作→桿件焊接→桿件試拼裝→噴砂涂裝→桿件運輸→拱肋支架搭設→拱肋安裝→風撐安裝→線型調整→拱肋焊接（栓接）→吊索安裝→吊索張拉→支架拆除。

3 基于BIM技術拱肋精確制作和安裝施工

3.1 拱肋BIM建模

繁華大道橋拱肋采用箱型截面，外高1800mm，外寬1100mm，板厚36～50mm。采用Revit 軟件對鋼桁架結構進行精確建模，鋼材的下料及加工嚴格按照BIM 圖紙進行下料，根據構建大小設置加工余量，保證鋼結構加工及試拼裝的準確，減少返工。拱肋采用全焊接方式連接，內側加勁采用高強螺栓連接。吊桿采用柔性吊桿，標準間距9m。上端錨固于拱肋底部，為張拉端，下端錨固于上弦節點處，為錨固端。風撐采用H 形截面，采用全焊接方式連接。

3.2 箱型拱肋制造

拱肋采用胎架法制作，根據BIM 模型放樣，將鋼板組裝焊接，焊接好的桿件在胎架上試拼裝，具體施工順序如表1所示。

3.3 拱肋臨時支架設計及驗算

單個拱肋支架主要是由φ377×8mm 鋼管和槽鋼[14 連接而成的立體鋼支墩，支墩間距為9m，支墩頂部設置400×300H 型鋼調節墊塊，拱肋支架采用MIDAS CIVIL 軟件進行驗算，結構應力及變形均滿足鋼結構設計規范要求。

圖2 支架整體變形驗算結果

3.4 拱肋安裝

主拱拱肋安裝采用1 臺125t 龍門吊，將1 臺180t 汽車吊吊裝至上層橋面系上，通過汽車吊安裝主拱肋分段。風撐FC3-1 分段安裝采用1 臺125t 龍門吊，將主拱風撐FC3-1 分段吊裝至上層橋面系上，吊車安裝FC3-1 分段及連接節點。風撐FC3-2 分段安裝采用1 臺125t 龍門吊，將主拱風撐FC3-2 分段吊裝至上層橋面系上，吊車安裝FC3-2 分段并與風撐節點焊接連接。風撐FC3-3 分段安裝采用1 臺125t 龍門吊，將主拱風撐FC3-3 分段吊裝至上層橋面系上，吊車安裝FC3-3 分段并與風撐節點焊接連接。以此循環安裝至拱肋合攏段。

圖3 拱肋現場安裝圖

主拱合攏段安裝。拱肋合攏時，先測量合攏段長度，切割拱肋加工余量。采用1 臺125t 龍門吊，將SS5 分段吊裝至上層橋面系上，采用汽車吊吊裝，與梁段拱肋焊接連接。主拱合攏段風撐段安裝采用1 臺125t 龍門吊，將主拱風撐FC1-3 分段吊裝至上層橋面系上，采用汽車吊吊裝并與拱肋節點焊接。吊索安裝，主拱支架拆除，橋面鋪裝施工。

待初次張拉后進行拱下支架拆除，支架拆除完成后根據監控指令進行吊索二次張拉，全橋竣工。

4 拱肋測量與線型控制

為保證桿件的制造線形達到設計要求，制造時搭設胎架，縱橋向及橫橋向之間必須在工廠胎架進行匹配制造。在出廠前進行預拼裝，拼裝前按設計的坡度要求進行臨時胎架的架設，經過專業測量人員復測合格后，方可進行預拼裝，組裝找正后，經復測合格后對構件進行編號，桿件的上、下中心都必須做好標識，為現場安裝提供依據。

4.1 監控測點布置

每根桿件設置4 個監控點，在距離每端頭500mm 處頂板兩側各設置1 個主桁架監控點，在距離每端頭1000mm處腹板兩側各設置1 個拱肋桿件，橋面板在頂板側布設4個監控點。

4.2 拱肋標高控制

根據拱肋桿件劃分情況，可選定距支架點最近的下弦與腹桿匯交節點作為標高控制點。通過水準儀將后視標高逐個引測至胎架上的某一點并做好標記，以此作為后視依據。根據引測各標高后視點，分別測出平臺上相應下弦控制節點標記點位實際標高，和相應控制節點設計標高相比較，即得出高差值，明確標注于胎架相應節點標記點，以此作為桁架桿件組裝標高的依據，標高控制目標為±5mm。

4.3 拱肋直線度測控

根據拱肋下弦桿中心線在水平面上投影為一直線，拱肋外邊投影線對稱于下弦中心線，故直線度的控制依據可考慮以下弦入手。

4.4 拱肋垂直度觀測

拱肋標高、直線度調校完畢后，即采用平移法進行拱肋垂直度控制。將具體測量定位軸線向同一側平移約0.7～1.2m（視具體通視情況定），得兩平移點。在一平移點上架設經緯儀，后視另一平移點，在拱肋中間起拱處設立塔尺，用經緯儀縱絲截面的讀數，并與平移值比較，以此確定拱肋跨中垂直度，跨中垂直度偏差允許值為10mm。

4.5 拱肋下撓變形觀測

鋼桁拱安裝完成后，架設全站儀于任意位置，直接照準反射貼片中心得出此時高度坐標并做好記錄，待桁架卸載后用同樣的方法，再觀測相同位置的高度坐標，比較兩次高差即得出鋼桁拱下撓值，并做好記錄。

在每一組支撐體系的每個格構柱固定位置刻好標記，作為沉降觀測的測量點，在桿件安裝前對支撐體系整體進行一次沉降記錄。

固定完畢后立即再對支撐體系進行一次沉降觀測，并比較前一次的數據，看沉降是否均勻。若不均勻，應立即停止安裝，并制定相應的處理辦法。一根桿件安裝完畢后進行整體復測，合格后方交下一工序焊接及栓接。按上述方法，依次安裝、測量其他桿件。

5 結束語

采用BIM 出圖與數控下料機結合，可提高鋼材下料精度，結合BIM 模擬試拼裝技術，采用“長線法”加工拱肋，提高箱型桿件制造誤差。

拱肋在鋼結構廠采用“長線法”加工，有效避免了“短線法”的加工誤差，由于拱肋為細長桿件，桿件變形受溫度影響較大，該工法根據理論計算各桿件變形設置加工余量，在鋼板下料時扣除余量，降低了溫度影響誤差。

將原設計圖紙中單個風撐為1 個中心節點+6 個工字型桿件組成，桿件的數量越多，現場吊裝步驟越繁瑣，安全風險越難控制。本工法中優化了風撐施工工藝，將其中2 個桿件提前焊接在中心節點上，組成1+4個桿件形式，使得現場安裝速度更快，安全風險降低。