BIM 技術(shù)在鋼管混凝土系桿拱橋施工及運(yùn)維階段中的應(yīng)用

付理想，趙宏偉，王君燕

1.江蘇瑞沃建設(shè)集團(tuán)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225600；2.揚(yáng)州大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225009

0 引言

BIM 技術(shù)作為當(dāng)今工程建設(shè)領(lǐng)域最具前瞻性的技術(shù)之一，在建筑工程、城市綜合體、綜合管廊項(xiàng)目等項(xiàng)目建設(shè)過程中大放異彩，但在橋梁工程中的應(yīng)用實(shí)例較少。隨著BIM 技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，BIM 技術(shù)的優(yōu)勢愈加明顯，國內(nèi)外對BIM 技術(shù)的研究也在不斷深入［1］。在橋梁工程領(lǐng)域，借助于BIM 模型，施工企業(yè)可以更好地進(jìn)行項(xiàng)目質(zhì)量管理、成本管理、安全管理和進(jìn)度管理等。

1 工程概況

工程位于江蘇省北澄子河處，橋梁全長670.0m，寬度31m，采用一跨92.8m 下承式鋼管混凝土系桿拱跨越北澄子河，主橋拱軸線為二次拋物線，計(jì)算跨徑90m，矢高18m，矢跨比為1/5。拱肋采用啞鈴型截面，鋼管外徑95cm，內(nèi)填充自密實(shí)混凝土，拱肋間采用5 道風(fēng)撐連接。系桿采用箱型截面，內(nèi)設(shè)施工勁性骨架，橫向間由端橫梁和中橫梁相接。吊桿采用PESFD5-91 索體和LZM 吊桿系統(tǒng)，吊桿間距5.4m，全橋共設(shè)吊桿30 根。端橫梁為帶牛腿的箱型斷面，與拱腳一起現(xiàn)澆施工，中橫梁為T型斷面，采用裝配式施工，并在其上澆筑0.3m 現(xiàn)澆連接段，橫橋向以0.5m 現(xiàn)澆濕接頭連結(jié)。主橋采用系桿設(shè)勁性骨架與拱肋鋼管整體吊裝施工，承臺采用筑島法施工，主橋橋墩采用三柱式墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

2 BIM 技術(shù)在施工階段的應(yīng)用

2.1 場地優(yōu)化布置

工程地處里下河平原，地勢平坦開闊，水網(wǎng)繁密，項(xiàng)目集成應(yīng)用BIM 與GIS 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于GIS 技術(shù)的周邊宏觀管理、基于BIM 技術(shù)的項(xiàng)目管理以及橋梁精細(xì)化管理相結(jié)合多層次管理。在利用SU 軟件實(shí)現(xiàn)施工場地周邊建模的基礎(chǔ)上，根據(jù)施工準(zhǔn)備及現(xiàn)場平面布置要求，對施工現(xiàn)場進(jìn)行Lumion場景布置及高精度漫游渲染。在拼裝場地選址時(shí)，利用GIS 地理空間分析能力，選擇在南岸西側(cè)200m處40m×220m區(qū)域作為系桿拱現(xiàn)場施工場地，同時(shí)修建了一條施工便道與原河岸南側(cè)引橋施工便道相接。

2.2 參數(shù)化建模

使用Revit軟件自帶的Dynamo參數(shù)化建模工具，在項(xiàng)目實(shí)施前對橋梁進(jìn)行建模，設(shè)置橋?qū)?、橋長、拱高以及吊桿數(shù)量等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)三維可視化建模，從而發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的不合理之處。鑒于主橋鋼結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，利用Revit 軟件進(jìn)行鋼筋建模對硬件要求較高，且無法進(jìn)行鋼筋形狀的參數(shù)設(shè)定，因此采用Tekla軟件進(jìn)行系桿拱鋼結(jié)構(gòu)建模。對鋼筋模型進(jìn)行檢測碰撞，生成碰撞報(bào)告，優(yōu)化鋼筋設(shè)計(jì)方案，減少實(shí)際施工中可能產(chǎn)生的碰撞，對每一個(gè)碰撞點(diǎn)進(jìn)行更加精細(xì)的可視化檢查，并對碰撞的部分按照規(guī)范要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.3 系桿拱整體吊裝

利用Fuzor、3d Max 和Revit 等軟件對施工過程進(jìn)行仿真模擬，先根據(jù)系桿拱整體吊裝方式，對河岸南側(cè)拼裝作業(yè)進(jìn)行虛擬裝配，通過模擬過程反饋的數(shù)字信息及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理相應(yīng)的問題，驗(yàn)證施工的可行性。

2.4 拱腳處受力分析

建立拱腳細(xì)部單元，進(jìn)行拱腳及端橫梁受力分析，受力分析結(jié)果表明：

（1）坐標(biāo)系X 軸方向軸向應(yīng)力max 為-8.22MPa，坐標(biāo)系Y軸方向軸向應(yīng)力max為-5.12MPa，坐標(biāo)系Z軸方向軸向應(yīng)力max為-8.25MPa，均符合混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（2）坐標(biāo)系X-Y 平面內(nèi)的剪應(yīng)力max 為1.45MPa，坐標(biāo)系X-Z 平面內(nèi)的剪應(yīng)力max 為-4.79MPa，坐標(biāo)系Y-Z 平面內(nèi)的剪應(yīng)力max為1.96MPa，有效剪應(yīng)力max為106MPa，均符合混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（3）拱腳的計(jì)算效應(yīng)的最大值為1.91MPa，最小值為0.5MPa，符合混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（4）在恒荷載和活荷載并存的情況下，位移變化引起的變形變化較小，不會出現(xiàn)混凝土開裂現(xiàn)象，符合混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.5 項(xiàng)目工期優(yōu)化

項(xiàng)目將BIM 軟件與Synchro 4D 等軟件進(jìn)行交互，完成模型對接使用，讓施工模擬更加精細(xì)化。在中橫梁吊裝方案選擇時(shí)，使用3D Max 及Lumion 等軟件對拱橋中橫梁吊裝方案進(jìn)行模擬，并使用Synchro 4D軟件對不同吊裝方案的工期進(jìn)行記錄。模擬后發(fā)現(xiàn)由側(cè)向吊裝的方案能夠在單個(gè)施工節(jié)點(diǎn)處節(jié)約工期1.5d，Synchro 4d 顯示采用該吊裝方式共能夠節(jié)省工期30d。

2.6 材料集約管理

通過Tekla軟件對系桿拱結(jié)構(gòu)建?？梢宰詣由陕菟▓?bào)表、構(gòu)件表面積報(bào)表、構(gòu)件報(bào)表、材料報(bào)表等報(bào)表［2］，這些報(bào)表能夠服務(wù)于整個(gè)工程，是工程預(yù)算、工程管理的重要依據(jù)。利用Tekla 等軟件能夠?qū)崿F(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)建模，參照設(shè)計(jì)文件在三維中定義鋼筋的規(guī)格、等級和橫截面等參數(shù)繪制鋼筋。對鋼筋模型進(jìn)行檢測碰撞，優(yōu)化鋼筋設(shè)計(jì)方案，減少實(shí)際施工中可能產(chǎn)生的碰撞，并分類統(tǒng)計(jì)不同型號鋼筋及工程量，生成構(gòu)件和材料清單，精確鋼筋用量。在Revit 中建立項(xiàng)目專屬族庫，將建好的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件入庫，利用Lumion等軟件模擬鋼筋板材加工及集約利用。

3 BIM 技術(shù)在運(yùn)維階段的應(yīng)用

基于ANSYS 軟件，利用 APDL 參數(shù)化語言建立橋梁吊桿模型，結(jié)合吊桿自身結(jié)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)靈敏度的情況，使用加速度傳感器測得吊桿實(shí)際頻率值，通過ANSYS 優(yōu)化分析得出吊桿實(shí)際索力，并利用該語言程序結(jié)合軟件開發(fā)，快速確定吊桿實(shí)際受力狀態(tài)［3］。

4 結(jié)語

與傳統(tǒng)橋梁施工工藝相比，運(yùn)用BIM 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)系桿拱橋的三維信息化模型，有效地消除以往常出現(xiàn)的圖面不一致、遺漏、沖突或錯(cuò)誤問題，且系桿拱橋BIM 模型具有很高的精確度，可進(jìn)行有效的三維可視化設(shè)計(jì)查核，同時(shí)系桿拱橋的三維信息化模型空間呈現(xiàn)的合理性、準(zhǔn)確性和深度均得到提高。全面分析施工中發(fā)生沖突的項(xiàng)目，不斷優(yōu)化施工順序，加強(qiáng)施工現(xiàn)場管理，從而有效節(jié)省人力、物力和資金，對項(xiàng)目施工成本與工程管理等進(jìn)行合理控制，降低施工成本、縮短項(xiàng)目工期、提高工程質(zhì)量，對推進(jìn)橋梁施工技術(shù)有著重要意義。