BIM技術在雙層鋼桁梁與拱殼協作體系橋項目管理中的應用

韓 旭 （中新蘇滁（滁州）開發有限公司，安徽 滁州 239000）

0 引言

“為滿足人民群眾對美好生活的需要，改善人民群眾的生活品質，以人為核心，提高新型城鎮化質量，不斷改善人居環境?！睘檎J真落實國家有關城市建設的大政方針，建設方在九梓大橋項目策劃伊始，便將該理念融入方案設計中。經過不斷推敲，最終打造出集交通、休閑觀光、景觀為一體的國內首座雙層鋼桁梁與拱殼協作體系橋——九梓大橋。由于橋梁造型復雜，常規設計文件難以精準表達，因此在項目的設計、建造階段運用BIM 技術對項目關鍵環節進行輔助管理。

建筑信息模型（Building Information Modeling）簡稱“BIM 技術”，其應用了三維數字化技術，搭建賦予大量的幾何信息以及非幾何信息的信息模型。在橋梁方案設計和鋼結構制造安裝過程中，BIM 技術的使用可以作為效率提升和精益制造的解決手段之一。本文就BIM 技術在橋梁設計、鋼結構制造、施工過程中的深化應用及項目管理進行研究和探討。

1 工程概況及重難點分析

1.1 工程概況

九梓大橋為跨清流河上的一座融合交通和景觀的市政橋梁，位于安徽省滁州市中新蘇滁高新區，東至來安，西接滁州主城區，全長1547m，上跨濱河北路、濱河南路、清流河、豐收渠、規劃一河2路3 河，與創業路及滁山路平交。其中主線橋梁全長850m，主橋長260m，跨徑布置為50m+80m+80m+50m，采用雙層連續鋼桁梁與拱殼協作體系，外包鋼拱殼與下層橋面系連接，鋼拱殼采用空間異形曲面結構。主橋上層橋面寬度為24.5m，雙向6 車道，下層橋面19.5m，布置人行道和非機動車道。施工作業交叉點眾多，為滁州市標志性工程，也是安徽省重點建設項目之一。

圖1 九梓大橋正面效果圖

圖2 九梓大橋側面效果圖

1.2 項目重難點

主橋鋼梁安裝施工中存在的難點為鋼梁吊裝噸位較大且梁體分為上下兩層，中間桁梁斜腹桿安裝精度控制難度較大；鋼梁拱殼總重1300t，采用蝶型空間多肢拱型結構，鋼材損耗大，加工難度高。本項目鋼梁及拱殼制造安裝為本橋施工最大重點與難點，是超過一定規模危險性較大的分部工程。鋼梁支架搭拆、鋼梁安裝、拱殼的加工與安裝是本項目風險點。

2 設計階段的BIM應用——BIM模型建立

2.1 空間異形曲面鋼拱殼

本橋鋼拱殼為空間異形曲面結構，存在橋體間節點隔板構造多、分段數量多、各段構件均為非標準構件、形狀差異大、精度要求高、模型建立困難、質量控制難度高、拱殼厚度0.8m 等特點。拱肢采用鋼箱結構，鋼箱板厚8～14mm，頂側板、腹板、內側板均設板式加勁肋。拱肢的圓弧倒角采用8mm外包鋼板，并且在上層橋面系、下層橋面系與鋼拱殼之間的連接處構造復雜，設計圖紙無法直觀體現出構件連接的細節。

建模方法：先建立順橋向拱殼輪廓模型，再拾取斷面拱殼外表面線50 個點，擬合樣條曲線，同時根據設計圖紙對模型校核調整，再校核和修改，直至符合設計和曲面變化（順橋向建模）；再運用同樣的建模質量控制方法對橫橋向輪廓模型和鋼拱殼曲面上鏤空部分進行模型建立（橫橋向建模）。

圖3 鋼拱殼建模流程

2.2 雙層橋面鋼桁梁

橋由四跨連續主桁及上下層橋面系組成，主桁采用等桁高，桁式采用“V”形桁，桁高7.7m（含橋面板），桁架基本間距10m。上層橋面系采用正交異性組合橋面板，下層橋面系采用正交異性鋼橋面板，板桁結合處復雜結構設計圖紙無法清晰表現。上層橋面系設雙向2%橫坡，下層不設置橫坡；主橋縱向設置雙向2.5%縱坡。

建模方法：采用內嵌族的方法，先建立鋼桁梁的各嵌套族子模型，再根據設計圖紙各構件空間位置之間的關系，通過參數化定位和拼裝鏈接，在族窗口中組成鋼桁梁族模型，并整理建模參數，輔助可視化編程方法，調取橋梁設計數據進行模型組裝，最后完成對組裝模型的碰撞檢查和整體三維設計線閉合驗證。

圖4 鋼桁梁BIM模型

2.3 其他結構模型建立

根據設計圖紙，建立引橋段橋臺、鋼箱梁墩柱、橋梁支座和欄桿附屬設施、花瓶型防塵罩、照明路燈、交通信號燈、道路標識牌和行車指示標志等一系列橋梁構件族和道路附屬構件族。

觀景平臺：運用自適應族的特點以及以直代曲的方法，將三維空間曲線（螺線型）觀景平臺逐步分解優化，同時運用內建族的方式插入內部各種類嵌板，建立BIM模型。

綜合管線：根據設計圖紙，建立橋面排水、污水管、窨井等一系列綜合管線模型。

圖5 橋墩、橋臺、護欄等其他結構模型

3 施工階段BIM應用

3.1 鋼桁架復雜節點BIM深化

3.1.1 問題

桁架上弦、橋面板、腹桿、桁架下弦、橫梁和桁架之間位置連接相對復雜，傳統二維圖紙很難清晰呈現。

3.1.2 BIM的應用

根據設計院給出各節點構件連接要求和尺寸數據，建立BIM 模型，通過BIM 模型直觀明確地展示和表達出設計意圖，進行碰撞檢查，并根據碰撞報告完成深化設計。在加工生產之前，通過對各節點進行碰撞檢查和深化設計，明顯減少了施工過程中設計變更的次數，主要體現為因構件腹板（Z2，Z2a）和節點板(JD1，JD2)厚度不同，縱向加勁板與節點板會有碰撞。節點板的下部長度是可變的，但是與節點板連接的腹板卻是固定的，因此產生偏差。根據給定尺寸繪制腹桿連接板，與連接處底板有碰撞。

圖6 鋼桁梁BIM深化模型

基于鋼桁梁BIM 模型，結合現場施工條件和要求，將模型規劃分割如下。同時將對應構件按項目施工要求編碼，方便施工組織調用。

主橋結構劃分：主桁上弦分為56 個箱型梁節段，下弦分為56 個箱型梁節段，腹桿為104 個節段；上層橋面T 型梁108 個，下層橋面T 型梁108 個；下層橋面板橫向分為7 段，縱向分為26 段，共有7×26=182段；上層橋面板橫向分為8段，縱向分為26 段，共有8×26=208 段；懸挑橫梁每件0.75t，中間橫梁每件1.75t。

圖7 鋼桁梁順橋向數字化編號

圖8 鋼桁梁橫橋向拆分

3.2 主橋鋼拱殼BIM深化

3.2.1 問題

鋼拱殼在空間內的扭轉彎曲造型極不規則，空間構型完全由建筑景觀決定，并不存在常規意義上的拱軸線，大量的空間雙曲面結構導致橋梁精細化程度高，加工制作困難。

①存在大量的空間雙曲面結構，橋梁建模、放樣及出圖表達難度大。

②由于二維表達方式的局限性，原設計施工圖以及設計院建立的三維模型錯漏碰缺等問題不可避免。

③全橋節段劃分后加勁共約1.3 萬條、1300 塊異形隔板，隔板需根據加勁位置開過肋孔，加勁需根據焊接工藝開具過焊孔，項目工藝復雜，工作量大。

3.2.2 BIM的應用

①輪廓修復

設計提供的曲面撕裂等情況需要進行修復、重構等，當模型零件之間間距較大或者曲面情況較為復雜時，將采用多截面曲面去重新生成輪廓面。

②加勁線定位

設計未提供加勁線模型，需要根據設計原則，進行大量的曲線構造、曲線光順、修正等。當曲面情況較為復雜時，為減小誤差，利用CATIA平行曲線、光順邊線、投影等功能高效地得到平滑、精確的加勁定位線性。

圖9 加勁線定位流程

③施工分段劃分

通過已有分段方案進行輸入輪廓自動劃分以及節段編號。本工程裝飾拱根據結構位置不同，分為邊縱梁端部、邊縱梁中跨、拱梁結合段、拱肋、拱肢及合攏段。其中邊縱梁端部共計劃分為34 個、邊縱梁中垮共計劃分為66 個、拱肢共計劃分為84 個、拱肋共計劃分為36 個、合攏段共計劃分為4 個，全橋共計224 個節段。每個節段外形尺寸寬度不超過3.0m，高度不超過4.5m，節段重量基本在10t左右。

考慮橫隔板的對齊方式、對加勁及隔板定位，加勁根據分段自動劃分到對應節段，并自動裁剪。

圖10 設計提供的分段劃分

④模型快速生成

調取加勁定位和節段劃分數據，通過BIM 深化設計軟件工程模板批量化生成模型；根據生成的模型，對不同節段隔板自動成型，并生成相應隔板加勁孔，最后根據設計深化原則對生成的隔板和加勁孔進行優化調整；根據鋼拱殼的總體結構劃分樣式，提前預定板件樣板和參數定制，實現板件尺寸參數化控制；自動編號。

⑤模型碰撞檢查

通過BIM 深化設計軟件碰撞檢查，檢查模型設計精度，并進一步修改優化鋼拱殼模型。

圖11 鋼拱殼BIM深化模型

3.3 跨渠段人行道和防撞欄桿設計深化

3.3.1 問題

因傳統二維設計局限性，設計圖紙上無法呈現裝飾拱欄桿頂端曲面變化的具體情形，直觀性較差，可能導致鋼材的加工錯誤，從而導致材料浪費和工期延誤。

3.3.2 解決方法

根據設計院給出的欄桿參數規則和部分平面圖，利用專業鋼結構軟件解決空間曲面設計困難的問題，建立出符合設計院和建設方要求的BIM模型。

圖12 裝飾拱頂面護欄BIM深化模型

3.4 基于BIM的數字化加工+批量出圖

3.4.1 問題

由于該類橋梁存在大量的異性曲面甚至是雙曲面構造，傳統曲面展開加工方式存在一定的誤差和錯誤。

3.4.2 BIM的應用

通過BIM 深化設計軟件實現曲面的自動展開，精確轉移加勁、隔板、基準線等定位線，同時自動標注零件編號，避免人為展開時出現的錯誤，同時提高生產效率及加工精度。

根據工藝原則，通過專業的BIM 深化設計軟件自動選取最佳定位底面，并根據加工需求布置胎架點，得到胎架定位信息并輸出，提高建模及出圖效率。

圖13 鋼拱殼定位線展開轉移標注

圖14 鋼拱殼構件胎架定位

通過二次開發的插件實現批量、快速、參數化出圖，既保證了圖紙的質量，也保障了出圖的效率。圖紙編號標注的自動化，解決了傳統人為編號及標注時任務繁瑣、易重復、遺漏等問題，節約了大量的人工成本和時間成本。

圖15 圖紙編號標注的自動化

圖16 構件加工深化效果展示

3.5 利用BIM漫游仿真技術高效直觀地體現裝飾效果

3.5.1 問題

九梓大橋作為滁州市觀光旅游和網紅打卡的人文景觀特色公園建設重要元素之一，為了將大橋營造為滁州市獨具特色的景觀主體，對橋梁下層步道裝飾工程的質量和效果具有較高的要求。

3.5.2 解決方法

通過BIM 中材質數據的建立和對裝飾圖紙的深化，運用BIM 高仿真漫游體現色彩與燈光藝術，多次模擬比對施工過程中的材料和裝飾風格，比選出符合滁州市特點和清流河及周邊環境完美融合的方案。同時對照明燈光景觀的使用情況設置平日、節日、重大節日三種不同的開燈控制模式進行模擬，充分展現九梓大橋建成后景觀的特點及燈光效果。

3.6 BIM智慧化管理平臺的應用

為達到高效、智慧化項目管理的目的，九梓大橋項目吸取以往項目建設管理經驗，簡化業務管理PC 端操作內容，突顯出其強大的施工管理專業化協同辦公能力。智慧管理平臺以質量和安全管理控制為生命、進度管理為主線，對項目建設全周期進行管理。

①質量管理

質量管理包括三檢記錄、技術交底記錄和3D 作業指導三部分。為確保質量管理，每個工序必須按照規范控制措施進行，確保責任落實到人可追溯，確保過程資料留痕。所有信息儲存于云端，可供現場施工人員和質量管理人員隨時查看，形成有效的管理措施。

圖17 下層人行道及觀景平臺夜間燈光效果展示圖

②安全管理

安全管理包括安全隱患類型分析、安全會議記錄和VR安全教育三部分。

主要作用：記錄并分析現場危險源類型，同時儲存班前安全教育信息于云端，供管理人員檢查；模擬現場可能發生的安全作業事故類型，作為現場安全管理人員警示教育的重要素材，在主要交通路口設置視頻監控，并關聯至管理平臺；管理人員通過平臺查看可實時知曉重要路口交通安全情況。

圖18 BIM智慧管理平臺質量管理頁面

圖19 BIM智慧管理平臺安全管理頁面

③進度管理

按照分部分項劃分并結合建模精度和構件拆分原則，將每月的產值按專業劃分為路基路面、基礎及下部結構、上部結構和附屬結構四大類。通過后臺處理將模型構件劃分為未開始、進行、完成三種狀態。再通過錄入實際構件完成時間，結合前面三種狀態，將構件判定為正常進行、延期進行、延期完成和正常完成四種狀態，并在輕量化模型上進行展示，實現形象進度可視化管理。最后通過對單個構件產值的錄入，系統自動統計月計劃產值、實際完成產值及開工累計產值情況，并形成對比柱狀圖。

圖20 BIM智慧管理平臺進度管理頁面

4 結論

本項目應用“Open BIM”理念，采用多款BIM 軟件對不同構件進行建模和深化設計，運用IFC 對模型進行交互，解決了不同BIM 軟件在一些復雜構件模型建立困難的難題。

作為典型復雜雙曲面鋼結構，通過BIM 技術的應用，對橋梁鋼結構進行深化設計，配合專業化鋼結構加工廠進行鋼結構數字化加工制造，提升施工生產質量和效率，探索出更適合于現代復雜鋼結構橋梁的設計方法，解決了傳統設計方式對于該類別橋梁無法適應的難點，為項目創造社會效益與價值。相較于傳統深化過程，模型精確度更高，橋梁信息更直觀，使BIM 在橋梁建設過程中正向設計的應用更進一步。

基于BIM 模型信息，運用BIM 輕量化智慧管理平臺，進行施工階段質量、安全和進度的管控。在提高施工管理效率的同時，也為后續養護和周圍景觀規劃提供更加準確完善的數字資產和高仿真的視覺參考。