BIM技術在深水鋼圍堰施工中的應用

摘要：廣西南寧市橫州市某特大橋是一座波形鋼腹板連續剛構橋，其主墩承臺為深水嵌床式承臺，因施工環境復雜、施工難度大、施工精度要求高等特點，需引進BIM技術攻克相應的技術難題。文章圍繞深水鋼圍堰BIM建模、施工場地三維設計與布置模擬、精細化建模、施工模擬優化、工程量統計和正向出圖、BIM三維可視化交底等方面，闡述了BIM技術在深水鋼圍堰施工中的實際應用，解決了施工中出現的一系列難題，成功助力深水鋼圍堰高精度、高質量、高效率安全施工，可為今后類似鋼圍堰施工BIM技術應用提供參考。

關鍵詞：BIM技術；深水鋼圍堰；精細化建模；方案比選；可視化

中圖分類號：U445.55+6? ?文獻標識碼：A

文章編號：1673-4874（2024）01-0127-04

0 引言

鋼圍堰是大橋承臺施工中的重要組成部分，其結構形式復雜、體積龐大、體系轉換復雜。在進行鋼圍堰施工時，通常使用CAD軟件進行圖紙編制，這在工程實踐中存在一定的局限性［1］。

BIM技術是以三維模型為基礎，為強化工程項目建設管理而開發的數字化輔助工具。應用BIM技術可以幫助技術人員高效了解各種信息，在提高施工生產效率、節約建設成本和縮短施工工期方面發揮著重要作用［2］。

1 工程概述

1.1 工程概況

某特大橋位于廣西南寧市橫州市，全橋總長940 m，主橋橋跨布置為（100+185+185+100）m，是一座波形鋼腹板連續剛構橋（見圖1）。其主墩為水中墩，墩身為雙肢薄壁墩，基礎為承臺樁基礎，承臺為整體式承臺，結構尺寸均為16.8 m×10.8 m×4.5 m（見圖2）。根據該工程主橋承臺特點及現場平面尺寸、水文、地質實際情況，應避開洪水期施工，再利用鋼平臺進行深水鋼圍堰施工。

1.2 工程施工重難點

在某特大橋深水鋼圍堰施工過程中主要存在以下的問題和難點：

（1）施工環境復雜。通過調查發現，某特大橋施工區域季節性水位高差較大，最大水深約為11 m，淤泥層最大厚度約為7 m，淤泥下方為厚度不均的礫石層及巖層，主墩承臺均埋置于河床，河床地質情況復雜，同時因需搭配鋼棧橋鋼平臺對深水鋼圍堰進行施工，施工場地有限。

（2）施工難度大。某特大橋的主墩承臺采用深水嵌床式設計，其施工結構中的深水鋼圍堰需分節段進行焊接下放，并且也需將其嵌入河床中，施工難度大。這種施工方式不僅對深水鋼圍堰施工過程控制提出了較高要求，同時對現場管理和勞務工人的技術交底等方面也有更為嚴格的標準。

（3）施工精度要求高。承臺作為橋梁工程中的重要組成部分，連接了樁基與墩身，從而確保整個橋梁結構的穩定性和安全性。在承臺的施工過程中，深水鋼圍堰的施工精度顯得尤為重要，直接影響著承臺的施工質量和使用壽命。

綜上所述，根據某大橋深水鋼圍堰施工的問題和難點制定了BIM技術應用路線（見圖3）。在施工前期進行施工場地三維設計與布置模擬，提高場地利用率，通過碰撞檢測等BIM應用深水鋼圍堰結構形式及下放裝置進行模擬優化，并對已確定的深水鋼圍堰進行工程量統計和[KG）]

正向出圖，借助BIM三維可視化交底方式，對現場及勞務人員進行交底，基于BIM的深水鋼圍堰健康監測平臺對其應力應變等各項數據指標進行健康檢測，可提升深水鋼圍堰的施工效率與質量，保證施工精度，確保安全風險可控。

2 BIM技術在深水鋼圍堰施工中的應用

2.1 施工場地三維設計與布置模擬

在深水鋼圍堰施工的過程中，由于鋼棧橋鋼平臺的場地有限，需要對其進行合理規劃。為了解決這個問題，在深水鋼圍堰施工前充分應用BIM技術可視化的特性，在Revit軟件中1∶1建立施工所需材料和車輛的BIM模型，以施工材料堆放區及車輛擺放區為最小單元，在鋼棧橋鋼平臺的三維模型基礎上，不斷變換各功能區擺放的位置及姿態，對施工材料布置和施工車輛的進退場及擺放位置進行了模擬和優化（見圖4），使場地利用率達到了最大化，有效地提高了施工效率。

2.2 精細化建模

根據設計方提供的施工圖紙，借助Revit軟件對某特大橋下部結構、鋼棧橋鋼平臺等進行BIM建模。在此基礎上，結合深水鋼圍堰的設計思路及現場施工條件等因素，在Revit軟件中建立深水鋼圍堰精細化模型。創建各類型各尺寸的型鋼構件族，對所有型鋼構件進行拼接，組成一個最小深水鋼圍堰節段單元的嵌套族，然后按照相同的方式建立所有的深水鋼圍堰節段模型。將深水鋼圍堰各節段的嵌套族模型進行拼接，構建出完整的深水鋼圍堰模型（見圖5）。在Revit軟件中，構建模型以分析關鍵工藝工序及復雜結構，以確保深水鋼圍堰的順利施工，也為后續BIM應用提供模型基礎。

2.3 方案比選

在面對深水嵌床式承臺施工時，技術團隊提出了兩種深水鋼圍堰的設計方案：單雙壁組合鋼圍堰和雙壁鋼圍堰。這兩種設計各有優缺點，需要根據實際情況進行選擇。因此，應用BIM技術進行方案比選。首先在Revit軟件中分別對兩種深水鋼圍堰進行建模，基于兩種深水鋼圍堰的三維模型，進行深入的科學分析，并從以下幾個方面展開方案的比較：

（1）施工難度：基于三維模型對兩種方案的施工工藝進行推演，通過施工動畫展示出兩種深水鋼圍堰施工方案的施工工藝工序，并在施工空間、安全隱患、施工合理性等方面進行合理分析，甄選出最優方案。

（2）材料用量：在兩種深水鋼圍堰的BIM模型中預先錄入各構件的相關數據，繼而在Revit軟件中分別計算兩種深水鋼圍堰所消耗材料的數量，進而實現對兩種方案的對比分析，從中選取材料用量最少的最佳方案。

（3）施工工期：將兩種深水鋼圍堰三維模型導入到Fuzor軟件中，對兩種方案進行BIM 4D施工模擬，可直觀地查看兩種方案的綜合工期、施工效率等，確保在實際的施工中選擇最佳方案順利進行施工。

綜上所述，通過應用BIM技術，在施工難度、材料用量和施工工期三個方面對兩種深水鋼圍堰方案做出對比，從中選取最優方案，最終選擇了雙壁鋼圍堰的結構形式。憑借BIM技術的直觀性和可視化優勢，通過創建深水鋼圍堰的三維模型，并導出相關數據，結合模型進行對比分析，顯著提高了方案分析的可靠性和說服力，從而確保最優方案的選擇。

2.4 施工模擬優化

考慮到深水鋼圍堰內支撐結構錯綜復雜，可能與承臺主體及鋼筋存在位置沖突，且深水鋼圍堰施工難度大，拼裝和下放的精度難以控制，施工不確定因素多，施工安全難以得到保證。運用BIM技術對深水鋼圍堰結構形式及下放裝置進行模擬優化，可以降低安全風險，為項目建設節省了返工成本，提高了深水鋼圍堰的施工效率，保證施工精度。

2.4.1 深水鋼圍堰模擬優化

首先在Revit軟件中將深水鋼圍堰BIM模型、承臺BIM模型進行合模，通過模型分析發現深水鋼圍堰的最后一道內支撐及圍檁與承臺位置沖突（見下頁圖6）。針對發現的問題，提前找出深水鋼圍堰的最后一道內支撐及圍檁與承臺位置沖突的解決方案，通過設置豎向隱藏式圍檁，替代傳統雙壁鋼圍堰內置水平圍檁，免去圍檁安拆的過程，同時將最后一道內支撐上移到合適的位置，使其滿足承臺一次施工成型的條件，并在深水鋼圍堰夾壁中加入混凝土，使其結構強度得到保證。隨后，在Midas Civil有限元軟件的驗算過程中，對不合理的結構進行調整，并持續優化其結構形式，確定了最終的深水鋼圍堰設計方案（見圖7）。

2.4.2 深水鋼圍堰下放裝置模擬優化

在Revit軟件中，研發了一種門式支架吊放裝置，并導入Naviswork軟件進行位置沖突分析［3］。通過分析結果發現，該裝置與第二節鋼圍堰存在位置沖突。若按原方案施工，需拆除吊放裝置、拼裝鋼圍堰后再重新安裝。針對此問題，利用現有模型在Revit中進行科學分析，優化吊放裝置的形態和結構，最終得到一種只需架設在鋼護筒上的牛腿支架吊放裝置。

此外，還在Revit軟件中設計了首節鋼圍堰拼裝平臺與鋼圍堰下放導向架裝置（見圖8）。通過水上搭設的拼裝平臺對圍堰進行吊裝施工，代替傳統的浮吊及索吊等方法，大大減小了吊裝的安全風險，同時通過平臺拼裝，減少了施工人員操作平臺的安全風險。通過在樁基鋼護筒上設置鋼圍堰下放導向架裝置，配合吊放裝置，實現圍堰精準定位，解決了鋼圍堰單元拼裝及下放的精度問題。

2.5 工程量統計和正向出圖

隨著部分臨時結構物的結構復雜度逐步提升，工程量的統計以及施工圖紙的編制工作愈發繁瑣。如何在確保數據精確的前提下，高效地完成工程量統計和制定標準的施工圖紙，成為一項棘手的問題。為解決此項問題，采用Revit軟件對深水鋼圍堰的工程量進行統計和正向出圖。

在進行深水鋼圍堰精細化建模時，預先添加好各個型鋼構件的長度、型號、重量的基本信息，然后在Revit軟件中創建明細表，并在明細表的字段中選擇預先添加好的基本信息，生成常規模型明細表、導出Excel表格。

在Revit軟件中對深水鋼圍堰的三維模型進行剖切，制作A3圖紙模板，并在其中嵌入剖切圖，輸出得到深水鋼圍堰的施工圖紙（見圖9），對輸出的Excel表格和施工圖紙進行適度深化和補充相關構件屬性，進而生成符合要求的工程量統計表和施工圖紙。

2.6 BIM三維可視化交底

借助BIM技術的可視化特性，將深水鋼圍堰施工工藝和復雜的結構等內容表達得更為立體且清晰。通過效果圖和施工動畫等多種形式對現場管理人員和勞務人員進行BIM三維可視化交底［4］，可降低溝通成本，提升施工交底的便利性和覆蓋范圍。本次在深水鋼圍堰中應用的三維可視化交底方式和技術有720°云、Web 3D輕量化模型、施工流程圖和施工工藝模擬動畫。

通過在Lumion軟件中創建2∶1比例的360°全景圖，可生成深水鋼圍堰的720°云全景（見圖10）。基于720°云全景，可了解周邊環境及深水鋼圍堰的施工條件，進而合理規劃施工組織。

將深水鋼圍堰的Revit模型上傳至協同大師平臺，并在該平臺上對模型進行輕量化處理，生成Web 3D輕量化模型（見圖11）。利用Web 3D輕量化模型，勞務人員可全面了解深水鋼圍堰的復雜結構，便于進行交底。

在lumion中生成每個關鍵工藝工序的效果圖，加以相應的文字描述，形成深水鋼圍堰的施工流程圖（見圖12）。通過施工流程圖可輔助施工方案編制，更直觀地展示技術方案中的重難點內容及設計規劃意圖。

將三維模型導入到3D max中，制作深水鋼圍堰的施工動畫，渲染施工動畫序列，再通過后期合成完成施工工藝模擬動畫（見圖13），可以讓現場人員和一線勞務人員熟知深水鋼圍堰施工的整個過程，進而提高施工效率。

2.7 基于BIM的深水鋼圍堰健康監測

為了滿足對深水鋼圍堰施工過程中應力應變監測的要求，研發了基于BIM的深水鋼圍堰健康監測平臺。在該平臺中導入深水鋼圍堰的BIM三維模型，進行科學分析，合理布置應力應變觀測點，并將收集到的數據集成到該平臺中。借助三維可視化技術，動態實時地監測深水鋼圍堰結構中各個觀測點的結構變形、應力應變等信息［5］，以便及時發現并預防可能出現的異常情況（見圖14）。這不僅為深水鋼圍堰的安全施工提供了有力保障，而且還有助于評估深水鋼圍堰施工工藝的效果和設計的合理性，并且這些經驗和數據還可以為今后改進同類工程設計和施工方法提供寶貴的參考依據。

3 結語

本文以廣西南寧市橫州市某特大橋主墩承臺深水鋼圍堰的施工過程為載體，完成了BIM技術在深水鋼圍堰施工中的應用研究，解決了深水鋼圍堰施工過程中出現的施工效率低下、施工精度難以控制、施工不確定因素多等難題，為項目節省了施工成本，降低了施工安全風險，并在現場實際施工中達到了良好的效果，為今后類似鋼圍堰BIM技術應用提供參考和借鑒。

（1）綠色快速建造。通過BIM技術的應用，減少了鋼材用量105 t，從而降低材料成本126萬元。在吊放第二節段及以上圍堰時，可免去吊放系統的拆除及再安裝工序，從而縮短了約30%的工期。

（2）精準安全建造。通過BIM技術設計的深水鋼圍堰下放裝置，減弱圍堰入水后隨水流晃動情況，降低了施工安全風險。利用BIM三維可視化交底，指導現場精確安裝，實現了深水鋼圍堰止水“滴水不漏”，達到了預期的效果。

（3）智能健康監測。進行基于BIM的深水鋼圍堰健康監測，監測到鋼圍堰的應力應變等各項數據均在正常范圍內，表明經過應用BIM技術優化后的深水鋼圍堰結構符合受力條件，滿足施工要求。

參考文獻

［1］陳玉峰.BIM技術在某工程項目管理中的應用［J］.中國標準化，2017（4）：85.

［2］程振庭，楊茗欽，林廣泰.BIM技術在龍門大橋智慧建造中的應用［J］.西部交通科技，2022（11）：5-7.

［3］李 昂.BIM技術在工程建設項目中模型創建和碰撞檢測的應用研究［D］.哈爾濱：東北林業大學，2015.

［4］常 康，涂 斌，單國慶，等.BIM三維可視化交底技術在工程施工中的應用研究［J］.價值工程，2023，42（20）：48-50.

［5］魯群英，劉學勝，陳 松，等.鋼結構全生命周期BIM技術應用［J］.居舍，2020（32）：59-60，78.

作者簡介：伍柏宏（1997—），助理工程師，主要從事BIM技術應用工作。