BIM 技術(shù)助力中承式高架渡槽鋼管拱的智能建造

黨衛(wèi)江

（中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)十五工程局有限公司，陜西西安）

引言

隨著橋梁施工技術(shù)的不斷發(fā)展，如何實(shí)現(xiàn)智能建造是困擾整個(gè)行業(yè)的難題。傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)橋梁施工過程為二維繪圖、手動(dòng)排版布料、人工切割下料、上胎組裝后焊接和現(xiàn)場(chǎng)吊裝焊接等流程，在施工過程中人為因素多導(dǎo)致效率低下、質(zhì)量差、安全事故頻發(fā)等現(xiàn)象。

本文依托引漢濟(jì)渭二期工程浐河渡槽浐鋼管拱,闡述了BIM[6]技術(shù)在橋梁的設(shè)計(jì)、制造、安裝階段發(fā)揮的重要作用，從而助力鋼管拱實(shí)現(xiàn)智能建造。智能建造使鋼管拱施工過程的數(shù)字化、智能化和自動(dòng)化，減少了人為因素所主導(dǎo)的環(huán)節(jié)，提高鋼管拱的施工效率、質(zhì)量和安全。

1 工程概況

浐河渡槽位于陜西省西安市長(zhǎng)安區(qū)，上跨浐河，下穿西康高鐵、西十高鐵及動(dòng)車走行線高架段?？鐝讲贾脼?2 m+90 m+32 m，共3 跨，橋總寬9.8 m，橋高24.4 m。拱橋位于1/1390 縱坡上，按正拱斜置設(shè)計(jì)，見圖1。

圖1 浐河渡槽模型

主梁分為縱梁、橫梁、橋面板三部分?？v梁為矩形實(shí)體截面，梁高300 cm，梁寬160 cm，全橋共設(shè)置2片縱梁，縱梁中心間距8.2 m。共設(shè)置32 道橫梁，A 型橫梁28 道，B 型橫梁2 道，C 型橫梁2 道。橫梁縱向標(biāo)準(zhǔn)間距5 m，梁高均為150 cm。

鋼管混凝土鋼管拱采用啞鈴型截面，鋼管外徑100 cm，壁厚20 mm，上下鋼管中心距1.4 m，鋼管拱截面高2.4 m，鋼管內(nèi)灌注自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土。鋼管拱之間共設(shè)置5 道風(fēng)撐，跨中為米字型風(fēng)撐，其余為K 型風(fēng)撐。橋設(shè)置12 對(duì)吊桿,吊桿間距5 m。

2 BIM 助力鋼管拱智能建造過程

2.1 設(shè)計(jì)出圖階段

2.1.1 參數(shù)化建模

參數(shù)化建模[4]將鋼管拱的線型及結(jié)構(gòu)都轉(zhuǎn)化成各種參數(shù)驅(qū)動(dòng)，通過修改對(duì)應(yīng)的參數(shù)來快速生成新的BIM 模型。參數(shù)化建模技術(shù)快速準(zhǔn)確的修改BIM 模型，大大提升了建模的效率，見圖2。

圖2 鋼管拱整體線型

2.1.2 整體分析

第一步：與業(yè)主及設(shè)計(jì)院溝通確定鋼管拱的線型參數(shù)、結(jié)構(gòu)、分段方案，確定初步方案。第二步：對(duì)初步方案進(jìn)行整體分析，包括結(jié)構(gòu)分析、受力分析。第三步：根據(jù)分析結(jié)果再次對(duì)施工方案進(jìn)行優(yōu)化，形成完整的優(yōu)化施工方案。第四步：根據(jù)優(yōu)化施工方案修改參數(shù)化模型，并進(jìn)一步細(xì)化鋼管拱細(xì)部結(jié)構(gòu)。通過該方法確定的鋼管拱的模型及分塊，完整準(zhǔn)確的表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，制定出適合本工程的施工方案。

2.1.3 自動(dòng)出圖

自動(dòng)出圖就是利用BIM軟件之間的轉(zhuǎn)換互通,能夠?qū)IM 模型直接導(dǎo)出成二維圖及軸測(cè)圖能確保數(shù)據(jù)無誤，整個(gè)出圖過程無人為干預(yù)，導(dǎo)出的圖紙便于施工單位理解和使用[5]。自動(dòng)導(dǎo)出的圖比二維軟件繪出的圖信息更加準(zhǔn)確全面，能準(zhǔn)確的表達(dá)橋梁的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和位置關(guān)系。對(duì)比傳統(tǒng)的出圖方法得出自動(dòng)出圖更加高效便捷，準(zhǔn)確率高、大幅提升出圖效率。

2.2 自動(dòng)加工階段

2.2.1 自動(dòng)化套料

本項(xiàng)目下料需考慮鋼管拱的輪廓、分塊、加勁肋結(jié)構(gòu)、鋼管的相貫線、鋼管的彎弧長(zhǎng)度等因素，造成排版套料工作復(fù)雜、難度大。如采用手工套料難度太大且對(duì)套料人員的技術(shù)要求高，無法高效精準(zhǔn)的完成套料。自動(dòng)化下料完美的解決了手工套料的缺陷，自動(dòng)化下料流程如下：第一步：將鋼管拱的BIM 模型展平處理后導(dǎo)入套料軟件中。第二步：根據(jù)模型展開的形狀自動(dòng)生成最優(yōu)套料組合。第三步：套料完成后生成切割代碼，將切割代碼導(dǎo)入到激光下料機(jī)后完成下料。自動(dòng)下料避免了手工套料的過程，下料的準(zhǔn)確率得到保證，并極大的提高了套料效率，提升了鋼材的利用率，見圖3。

圖3 自動(dòng)化套料流程

2.2.2 自動(dòng)焊接技術(shù)

自動(dòng)下料完成后將鋼板通過卷板機(jī)進(jìn)行卷板至鋼管成型，然后通過熱彎達(dá)到要求的弧度，最后再接料焊接后上胎組裝。焊接前先通過BIM技術(shù)將鋼管拱的焊縫信息、焊接位置、工藝要求輸入到管道自動(dòng)焊機(jī)控制程序中，然后使用管道自動(dòng)焊接機(jī)進(jìn)行焊接工作，一臺(tái)自動(dòng)焊接機(jī)可以完成3 個(gè)焊工的工作量。管道自動(dòng)焊機(jī)采用鋼管固定、磁小車抱柱進(jìn)行管道全自動(dòng)焊接，具有體積小、重量輕，方便攜帶等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的手工焊不同的是自動(dòng)焊接技術(shù)效率高、焊接質(zhì)量好，且節(jié)省人工成本。

2.2.3 自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)

自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)就是通過BIM 技術(shù)和自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備，對(duì)焊接好的焊縫進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和分析。通過BIM 技術(shù)將鋼管拱的焊縫三維模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備中，自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備開始對(duì)鋼管拱焊縫的質(zhì)量、尺寸、形狀等進(jìn)行全面的檢查。自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)提高焊縫檢測(cè)的效率和準(zhǔn)確性，減少人為檢測(cè)的誤差，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫數(shù)據(jù)的數(shù)字化管理和追溯，對(duì)焊接的質(zhì)量控制提供可靠的技術(shù)支持，見圖4。

圖4 自動(dòng)檢測(cè)

2.3 智能化施工階段

2.3.1 無人機(jī)地形勘探

無人機(jī)勘探將拍攝的數(shù)字影像圖通過BIM 軟件轉(zhuǎn)化成1：1 的地形模型，模型的精度可達(dá)到厘米級(jí)。無人機(jī)拍攝的影像圖清晰、地形精確度高，大大的提升勘探工作的效率及準(zhǔn)確率，節(jié)省了勘測(cè)成本。無人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)勘探后能生成地形模型，技術(shù)人員能全面的了解現(xiàn)場(chǎng)地形及周邊環(huán)境。為后期制定施工方案及現(xiàn)場(chǎng)施工提供了準(zhǔn)確的地形參考，從而制定合理的施工方案、優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)施工規(guī)劃，大大的降低了現(xiàn)場(chǎng)施工難度。

2.3.2 BIM可視化

傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝復(fù)雜節(jié)點(diǎn)時(shí)，只能通過設(shè)計(jì)圖和劃線等辦法來定位施工。該方法太過抽象，充分考驗(yàn)施工人員技術(shù)水平，容易導(dǎo)致施工出錯(cuò)。本項(xiàng)目中利用BIM的可視化特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)鋼管拱復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的可視化，施工人員可以直接查看要復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造特征，將復(fù)雜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三維展示并對(duì)應(yīng)定位數(shù)據(jù)，從而保證施工的準(zhǔn)確性，讓復(fù)雜的問題簡(jiǎn)單化。

在施工前利用可視化進(jìn)行交底工作，使工人能直觀有效地了解施工信息及施工要求，最大程度上保證施工的準(zhǔn)確率。BIM可視化能指導(dǎo)鋼管拱施工，降低施工人員的理解錯(cuò)誤，從而提升施工質(zhì)量，降低施工成本，加快施工進(jìn)度，見圖5。

圖5 風(fēng)撐可視化節(jié)點(diǎn)

2.3.3 支架體系計(jì)算

支架是現(xiàn)場(chǎng)施工的基礎(chǔ)，而支架使用時(shí)是否安全由支架的計(jì)算結(jié)果來決定。在施工前通過BIM計(jì)算軟件對(duì)支架整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，確保支架在項(xiàng)目施工中安全使用。為了節(jié)省時(shí)間和保證模型的準(zhǔn)確度，BIM軟件與計(jì)算軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)。本項(xiàng)目鋼管拱焊接成型后再灌注混凝土，鋼管拱支架所受的載荷較多，其主要載荷為支架自重、拱段壓載荷、風(fēng)載荷、溫度載荷等。載荷加載完畢后開始計(jì)算，支架計(jì)算合格方可投入使用。計(jì)算結(jié)果能輸出為各種格式，既保證了結(jié)果的準(zhǔn)確性又方便快捷，見圖6。

圖6 鋼管拱支架體系計(jì)算

2.3.4 施工模擬

基于BIM技術(shù)[3]從鋼管拱的安裝過程、現(xiàn)場(chǎng)規(guī)劃、人員劃分、設(shè)備配置等方面進(jìn)行施工全程模擬，從而驗(yàn)證并優(yōu)化施工方案，得出最佳的施工方案。創(chuàng)建現(xiàn)場(chǎng)施工過程中的模型，通過BIM軟件模擬施工過程。施工模擬能完成設(shè)備站位模擬、支架受力模擬、鋼管拱不同節(jié)段之間的拼裝模擬、風(fēng)撐安裝模擬、澆灌混凝土模擬等。同時(shí)在施工模擬的過程中，發(fā)現(xiàn)潛在的施工問題，并在施工前進(jìn)行解決。施工模擬夠優(yōu)化資源的分配，通過模擬得到最優(yōu)的資源分配方式，包括人力、材料和設(shè)備等。實(shí)時(shí)跟進(jìn)施工進(jìn)度，確保項(xiàng)目按期完成。模擬鋼管拱施工過程能更好地制定和管理施工步驟，提高施工效率，減少施工風(fēng)險(xiǎn)，保證工程質(zhì)量，見圖7。

圖7 鋼管拱吊裝模擬圖

3 結(jié)論

近年來，隨著科技的不斷進(jìn)步，智能建造成為現(xiàn)代建筑領(lǐng)域中的主流趨勢(shì)。[2]在BIM技術(shù)助力引漢濟(jì)渭二期工程智能建造的過程中發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)施工工藝不同的是,智能建造能完成橋梁的參數(shù)化建模、整體分析、自動(dòng)化出圖、自動(dòng)化套料、自動(dòng)焊接、無人機(jī)勘測(cè)、可視化施工、支架計(jì)算、施工模擬，從而實(shí)現(xiàn)施工全程智能化、數(shù)字化、自動(dòng)化。經(jīng)統(tǒng)計(jì)本項(xiàng)目經(jīng)智能建造提升鋼管拱的施工質(zhì)量，使本項(xiàng)目工期提前40 天，節(jié)省項(xiàng)目資金約5%。智能建造將帶領(lǐng)橋梁工程行業(yè)施工更加智能高效，具有重要的推廣意義。