BIM技術在立交橋大型構件施工中的運用

劉立揚

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

1 項目概述

1.1 工程概況

北虹路立交為上海北橫通道西邊的起點，由高架主線、8條匝道和1條人非行道橋組成，總長度19 km。

1.2 項目特點

北虹路立交段位于北橫通道的起點位置，具有項目體量大、工期緊張、管理難度大的主要特征。

北虹立交與周邊環(huán)境密切相關，項目上跨現(xiàn)有中環(huán)線，沿線小區(qū)密集，緊貼商業(yè)地塊，下部結構又與新涇港河道穿插，工程邊界條件復雜。本項目采用裝配式結構，混凝土標準構件、大型鋼箱梁的加工、運輸、吊裝環(huán)節(jié)受到地理條件約束較多，施工段位于人流密集、交通繁忙區(qū)域，對安全文明施工及施工區(qū)域規(guī)劃等有了更高的管理要求。

1.3 BIM技術的應用目標

北虹路立交作為大體量的市政工程，其BIM技術實施的目標是貫穿設計、施工、運維全生命周期的運用，在虛擬環(huán)境中對項目的復雜節(jié)點及工況進行模擬并優(yōu)化，提高項目建設質(zhì)量，能在各施工階段及各工程參與方之間無損傳遞項目信息并不斷累積完善的數(shù)據(jù)信息基礎，達到交付運營單位進行運營維護管理的要求。在工程實施過程中，全面運用BIM技術，在設計方案優(yōu)化、施工方案模擬、交通組織、管線搬遷、質(zhì)量及安全缺陷管理等方面為工程實施提供技術支持[1-4]。

2 BIM技術在大型構件施工中的應用

市政工程在施工階段采用BIM技術的案例較多，參數(shù)化建模、施工模擬、協(xié)同平臺管理等應用對方案實施及優(yōu)化有著顯著的作用。BIM模型作為高度信息集成的三維可視化載體，大型構件的施工模擬能輔助方案決策，規(guī)避實際操作中的風險，整體加強項目管理水平。

2.1 大型構件施工模擬應用流程

1）確定建模和施工模擬軟件，收集基礎數(shù)據(jù)，如周邊交通信息、航道信息、周邊地物信息、場地圖紙等，結合專項方案制訂初步實施計劃，形成吊裝順序和時間計劃。

2）對施工設備、場布、周邊環(huán)境等進行建模，將施工進度、場地布置等相關信息關聯(lián)到模型，建立施工組織模型。

3）根據(jù)交通組織模擬、航道運輸模擬、有限元結構分析等，調(diào)整工序間搭接穿插關系，多方案比對，優(yōu)化施工工序。

4）參照進度計劃安排進行吊裝模擬。

5）將模擬結果匯總，對工序、資源、平面布置綜合優(yōu)化，將相關內(nèi)容更新至模型，并編制模擬分析報告。

2.2 進度計劃分析及編制

采用WBS編輯器來進行進度分析的編輯，創(chuàng)建進度計劃、WBS及施工段劃分，創(chuàng)建WBS與Microsoft Project的雙向通道；通過BIM模型，對施工進度進行查詢、調(diào)整和控制，使計劃進度和實際進度既可以用甘特圖表示，又可與BIM模型相互關聯(lián)，以可視化的方式提前呈現(xiàn)施工過程，及時發(fā)現(xiàn)其中可能存在的問題，分包、供貨商、監(jiān)理可根據(jù)自身情況調(diào)整各項工序及其持續(xù)時間。在制訂完成進度計劃后，根據(jù)施工任務及節(jié)點的先后關系，確定項目施工重要節(jié)點及開工、竣工時間，并按施工部署要求，進一步明確進度計劃中每個任務的開始時間、持續(xù)時間和各任務間的搭接關系。

2.3 基于BIM技術的模型創(chuàng)建與標準制訂

北虹路立交有建筑、結構、機電等多個專業(yè)模型，主體橋梁結構有2條主線、8條匝道，主體結構預制構件較多，預制構件對分類編碼、名稱信息及顏色有較高的要求。Revit2014作為核心建模軟件，為此建立了一份建模標準，對各專業(yè)模型命名、構件工作集以及所需信息進行了統(tǒng)一規(guī)范。

北虹路立交段有S主線、N主線2條主線，其下部結構及橋面的標高隨著地勢有浮動，對建模造成了一定的難度，對于模型精度有較高的要求。我們使用了Tekla和Rhino軟件輔助建模，最終導入Revit2014進行模型深化及拆分，對應鋼箱梁編號及區(qū)段號，根據(jù)建模標準及施工圖使模型深度達到深化設計模型LOD300的要求（圖1）。

圖1 S、N主線立交橋區(qū)段

2.4 施工組織模型

基于施工組織設計及進度計劃的要求來建立施工組織模型，北虹路立交周邊包含了建筑物、道路、管線等，還包括機械設備、圍擋、電箱等臨時設施。參照測繪院提供的地理信息來建立環(huán)境模型，根據(jù)專項方案來確定設備選型以及施工場布，并將工序安排、場地布置、施工進度等信息與模型關聯(lián)。同時附加材質(zhì)貼圖，促使施工組織模型的美觀性及指導意義的整體提升。

2.5 基于BIM模型開展結構分析

基于有限元計算法來進行結構分析模擬是目前較為普遍的方式，有限元計算能夠通過一個關聯(lián)單元的簡單計算來模擬出近似無限個關聯(lián)單元的近似值，且能夠適應復雜形狀，在北虹路立交橋的結構分析計算中得到了較好的應用。

通過Midas軟件建立結構計算模型或通過Revit模型轉換成dxf格式導入Midas，利用公式計算出鋼箱梁的最大應力及反力值并用色差圖來呈現(xiàn)，控制懸臂施工段的預拱度來測試鋼箱梁變形的可能性，提高橋梁耐久性及穩(wěn)定性，使結構變形在可控范圍之內(nèi)，確保吊裝工作能夠順利進行。

2.6 基于BIM技術開展施工方案模擬

跨蘇州河鋼箱梁安裝方案結合了大型構件在陸地吊裝及水上吊裝的步驟，在北虹路立交橋項目中是十分關鍵的一環(huán)。項目周邊環(huán)境有中環(huán)線、SE、WS、NW、WN現(xiàn)有匝道及多處構筑物圍繞，蘇州河中航道運輸及操作區(qū)域有諸多限制，地理位置縱橫交錯且人車流動頻繁，對安全文明施工以及合理化操作有更高的要求，為此我們結合BIM對交通組織及施工措施等進行歸整細化，進行多方案比較全面深化專項方案。

2.6.1 施工難點

跨蘇州河鋼箱梁安裝主要有以下2個難點：

1）跨蘇州河橋梁均為斜交變高曲線橋，且鄰近中環(huán)線、長寧路等現(xiàn)狀構筑物，受特點及場地條件制約，無法采用轉體法、頂推法等方案，并且跨河段梁體超高，運輸受限。

2）受蘇州河航道等級（6級）及沿線橋梁凈空限制，只能選擇160 t及以下浮吊作業(yè)，施工區(qū)域河道寬約50 m，并且施工期間需保證航道寬度≥25 m。

針對以上問題，我們部分采用陸地運輸，水中設立臨時支架懸臂法施工，最后采用160 t浮吊安裝合龍段，浮吊作業(yè)期間臨時封閉航道，安裝結束后浮吊靠岸恢復航道交通。

1）運輸能力及路線：陸運構件梁高超過4.2 m的高度方向上下分段，梁寬方向一分為三（箱體＋兩側翼板）；水運構件梁高超過5 m的高度方向上下分段，其中3.5 m及以下的采用平艙船運輸，深艙船運輸應用于水深超過3.5～5.0 m。

2）設備性能及作業(yè)條件：水上160 t浮吊，陸地350 t履帶吊。

3）懸臂施工變形控制要求：水上懸臂段長度不超過14 m。

2.6.2 交通組織模擬

交通組織模擬是一種通過BIM模型來反映復雜交通現(xiàn)象的交通分析方法，通過Navisworks軟件來模擬人流、車流及不同時間段的變化，獲取相應的交通行駛數(shù)據(jù)，以便對施工時間及道路進行合理劃分。

2.6.3 航道運輸模擬

跨越蘇州河進行船舶運輸對航道等級、船舶承載力、行駛區(qū)域有著規(guī)范要求，通過計算機模擬運輸?shù)倪^程規(guī)避風險，為項目實施及安全工作提供了有力的支撐（圖2）。

2.6.4 履帶吊范圍影響分析

鋼箱梁吊裝范圍內(nèi)構筑物較多，履帶吊恐會與周邊構筑物發(fā)生碰撞，為此對履帶吊進行操作范圍分析模擬（圖3），保證安全操作距離，同時對吊裝影響的地面進行了沉降分析。這些措施，作為吊裝工作重要的參考依據(jù)。

圖2 航道運輸模擬

圖3 履帶吊操作范圍分析模擬

2.6.5 吊裝模擬

通過BIM軟件進行交通組織仿真模擬、航道運輸模擬、履帶吊影響分析模擬等，全面還原現(xiàn)場操作環(huán)境，為吊裝模擬的可行性打下了堅實的基礎。吊裝方案模擬采用Navisworks軟件進行分析模擬，根據(jù)專項方案及進度計劃實現(xiàn)，模型與時間軸通過timeliner相互關聯(lián)，來實現(xiàn)大型構件吊裝過程的4D模擬。通過三維動態(tài)可視化及時間軸的結合彌補了人們對抽象數(shù)據(jù)理解的不足。

3 結語

通過BIM技術在北虹路立交大型構件施工中的各項運用，系統(tǒng)展示了大型構件施工過程中的關鍵步驟，并基于BIM可視化、動態(tài)化、有序化的特點，使技術人員能更清晰地理解工藝工序，提升現(xiàn)場的施工效率與技術水平。