基于BIM技術(shù)的橋梁施工碰撞檢測(cè)信息化監(jiān)控實(shí)現(xiàn)探究

趙彩云

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

工程施工碰撞檢測(cè)信息化監(jiān)控的專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)化、模擬圖表化以及實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)在線化，使該監(jiān)控的信息豐富度擴(kuò)展性和工程安全管理適時(shí)參考性大幅提升。本研究參考橋梁工程案例，借助Navisworks 檢測(cè)系統(tǒng)，以BIM 技術(shù)工程應(yīng)用分析的方式，對(duì)橋梁施工碰撞檢測(cè)信息化監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)與運(yùn)用課題開(kāi)展專(zhuān)題分析探究，為同類(lèi)工程施工碰撞防范監(jiān)控的應(yīng)用提供研究和技術(shù)參考，助力實(shí)現(xiàn)安全有效的橋梁施工碰撞監(jiān)控與防范。

1 案例項(xiàng)目概況

案例公鐵兩用鋼桁梁斜拉橋跨度布設(shè)結(jié)構(gòu)為（125+196+573+196+125）m，總長(zhǎng)度 1 215 m。主梁上層是典型的六車(chē)道，下層是允許上下通行的雙線鐵路，主梁實(shí)施板桁與鋼桁梁相結(jié)合的構(gòu)造方案，以最大限度地滿足橋面不等寬的設(shè)計(jì)需求。案例整橋立面結(jié)構(gòu)狀態(tài)及三維Revit 數(shù)字化模型見(jiàn)圖1 和圖2 所示。

圖1 整橋立面結(jié)構(gòu)狀態(tài)

圖2 三維Revit 數(shù)字化模型

整橋桁架為可靠性高、安全系數(shù)高的N 型結(jié)構(gòu)，主桁上下弦桿是比較常見(jiàn)的一種箱型斷面，腹桿為H 型和箱型兩類(lèi)斷面。H 型鋼混主塔承臺(tái)以上設(shè)計(jì)高度200 m，下塔柱斷面型式為雙室單箱，上塔柱和中塔柱斷面型式均選用單室單箱。扇型雙索面斜拉索布設(shè)方式，兩側(cè)各均勻設(shè)置拉索17 對(duì)。整體焊接鋼牛腿和鋼錨梁。為改進(jìn)完善混凝土與鋼牛腿結(jié)合位置的應(yīng)力狀態(tài)，專(zhuān)門(mén)在單側(cè)增加強(qiáng)化鋼筋網(wǎng)兩片。

2 項(xiàng)目模型族庫(kù)結(jié)構(gòu)

隨著B(niǎo)IM技術(shù)的不斷發(fā)展，BIM 相關(guān)軟件也取得了一些突破性進(jìn)展。許多BIM軟件開(kāi)發(fā)商都針對(duì)不同的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域、不同的軟件使用需求開(kāi)發(fā)出了不一樣的BIM 技術(shù)相關(guān)軟件。比較主流的有Nemetschek 公司開(kāi)發(fā)的 ArchiCAD、Autodesk 公司開(kāi)發(fā) 的 Navisworks 和 Revit、Dassaullt 公 司 開(kāi) 發(fā) 的CATIA 以及Bentley 公司開(kāi)發(fā)的Navigator 等相關(guān)軟件。這些都是BIM常用的核心建模軟件，各自有自己的優(yōu)點(diǎn)，但是也都有一些不足之處，需要結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，選擇使用合適的BIM軟件。

經(jīng)過(guò)深入的調(diào)查研究，同時(shí)結(jié)合該案例的實(shí)際情況，選擇使用Autodesk 旗下研發(fā)的Navisworks 和Revit 進(jìn)行該案例的BIM 模型建模和碰撞檢測(cè)。通過(guò)使用Navisworks 軟件的碰撞檢測(cè)功能，可以對(duì)橋梁的施工工序、比較復(fù)雜的細(xì)節(jié)構(gòu)造以及各專(zhuān)業(yè)模型進(jìn)行碰撞檢測(cè)，既能降低資源浪費(fèi)，又可以提高工作效率。Revit 建模軟件使用人數(shù)較多，使用范圍較廣，同時(shí)還具有較好的可擴(kuò)展性和較高的兼容性，操作簡(jiǎn)單，可以與該公司的另一款軟件AutoCAD 相互兼容。

使用Revit 建模軟件完成項(xiàng)目，族是一個(gè)項(xiàng)目的基礎(chǔ)，每個(gè)族都包含了許多單一圖元，屬于一個(gè)族的多個(gè)圖元一定具有相近的參數(shù)或?qū)傩浴D元具有的這些參數(shù)由族的類(lèi)型或者項(xiàng)目實(shí)例化參數(shù)決定。實(shí)施該案例項(xiàng)目的碰撞檢測(cè)和動(dòng)態(tài)模擬需基于一套完善的族庫(kù)信息結(jié)構(gòu)模型。該項(xiàng)目基于Revit 系統(tǒng)的項(xiàng)目模型族庫(kù)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3 具體所示。

圖3 項(xiàng)目模型族庫(kù)結(jié)構(gòu)

基于Revit 系統(tǒng)的項(xiàng)目分析建模，可以在物理參數(shù)和幾何特性上有效實(shí)現(xiàn)三維數(shù)理模擬與工程實(shí)際狀態(tài)間的一致性，良好的模擬契合度才能確保所得分析結(jié)論的應(yīng)用參考性和技術(shù)可靠性。將橋梁結(jié)構(gòu)以主體、附屬、臨時(shí)結(jié)構(gòu)以及施工機(jī)具四部分建立族庫(kù)，可以克服Revit 系統(tǒng)既有的族標(biāo)準(zhǔn)主要面向房屋類(lèi)建筑的功能不足。

3 施工碰撞檢測(cè)信息化監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)與運(yùn)用

3.1 空間沖突分析

在施工組織方案設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，需根據(jù)工程特征及實(shí)際需求，利用二維圖紙對(duì)場(chǎng)地布局、機(jī)械調(diào)配區(qū)域等進(jìn)行科學(xué)、合理的規(guī)劃。為有效避免分項(xiàng)操作出現(xiàn)交叉效率制約影響，分項(xiàng)工程作業(yè)需要相互協(xié)調(diào)與配合，主要需注意做好以下兩個(gè)方面的工作：一是統(tǒng)籌規(guī)劃工程操作空間，合理分配使用有限的工程空間。二是分項(xiàng)目正常操作時(shí)須保持足夠的操作場(chǎng)地空間及基本安全范圍[1]。項(xiàng)目施工期間的適宜作業(yè)空間一般可以借助式（1）進(jìn)行表述。

在工程開(kāi)展期間，因工作空間分布不合理或未規(guī)范使用工作空間而引發(fā)沖突矛盾的現(xiàn)象可謂是司空見(jiàn)慣，由此一來(lái)，既無(wú)法保證分項(xiàng)工程進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)施工資源的高效配置與使用，還會(huì)增加工作量，延長(zhǎng)施工周期，致使操作效率下降幅度加大，最終引發(fā)一系列相關(guān)生產(chǎn)安全問(wèn)題，導(dǎo)致本該避免的經(jīng)濟(jì)損失，所以有必要深入全面分析研究項(xiàng)目操作空間可能存在和出現(xiàn)的沖突問(wèn)題，并密切關(guān)注時(shí)間要素，一旦發(fā)現(xiàn)工程進(jìn)度有變就要在第一時(shí)間對(duì)原工作空間區(qū)域做出相應(yīng)調(diào)整與優(yōu)化，以保證項(xiàng)目工程有條不紊地正常開(kāi)展，從源頭上提高生產(chǎn)效率，盡可能地縮短施工周期，同時(shí)強(qiáng)化施工管理水平，為施工人員營(yíng)造安全、穩(wěn)定的作業(yè)環(huán)境。

3.2 主塔構(gòu)造內(nèi)部碰撞沖突的優(yōu)化防御分析

主塔斷面沿高程變動(dòng)，一定要嚴(yán)格按照要求合理安排預(yù)應(yīng)力體系、強(qiáng)化錨固區(qū)鋼筋網(wǎng)片以及構(gòu)造預(yù)埋件等空間布局。拉索導(dǎo)管安裝流程過(guò)于復(fù)雜，并且精密程度需要高，其安裝水平的高低不僅會(huì)直接影響構(gòu)件的安全質(zhì)量，同時(shí)也會(huì)對(duì)整橋受力體系建設(shè)產(chǎn)生決定性影響。圍繞常見(jiàn)的主塔內(nèi)部沖突碰撞問(wèn)題，本研究基于主塔的對(duì)稱(chēng)性，在確保檢測(cè)成果不受任何干擾的前提下，取半側(cè)塔結(jié)構(gòu)實(shí)施檢測(cè)和數(shù)據(jù)成果匯總，具體見(jiàn)表1 所示[2]。

下面對(duì)主要碰撞點(diǎn)實(shí)施分析。

3.2.1 主塔Ⅰ區(qū)碰撞檢測(cè)

主塔區(qū)域Ⅰ的碰撞檢測(cè)成果具體見(jiàn)圖4 所示。因?yàn)榕鲎颤c(diǎn)不是簡(jiǎn)單的一兩個(gè)，因此在本課題研究中，考慮篇幅方面的原因，只對(duì)拉索導(dǎo)管與N1 縱筋構(gòu)件點(diǎn)進(jìn)行直觀剖析，其檢查成果可詳見(jiàn)圖5 所示。

表1 主塔碰撞檢測(cè)數(shù)據(jù)成果匯總

圖4 主塔Ⅰ區(qū)碰撞檢測(cè)成果

圖5 拉索導(dǎo)管與N1 縱筋沖突

3.2.2 主塔區(qū)域Ⅱ碰撞檢測(cè)

主塔區(qū)域Ⅱ碰撞沖突波及構(gòu)件比較多，上橫梁與主塔接連節(jié)點(diǎn)細(xì)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，彼此間的預(yù)應(yīng)力筋及鋼筋縱橫交錯(cuò)，為更為直觀清晰地表達(dá)構(gòu)件間的處位關(guān)系，方便碰撞點(diǎn)狀態(tài)信息檢查，依據(jù)構(gòu)件類(lèi)別采取分組碰撞檢測(cè)。其中主塔Ⅱ區(qū)鋼筋與拉索錨固齒塊碰撞檢測(cè)成果具體見(jiàn)圖6 所示。

圖6 主塔Ⅱ區(qū)鋼筋與拉索錨固齒塊碰撞檢測(cè)成果

3.2.3 主塔區(qū)域Ⅲ碰撞檢測(cè)

主塔區(qū)域Ⅲ碰撞檢測(cè)是判定橫隔板鋼筋與區(qū)域Ⅲ鋼筋間存在沖突與否，并采取適宜手段解決沖突，其成果具體如圖7 所示。嚴(yán)重沖突所波及的部分重點(diǎn)構(gòu)件具體見(jiàn)圖8 和圖9 所示。

圖7 橫隔板鋼筋與主塔區(qū)域Ⅲ鋼筋碰撞檢測(cè)成果

圖8 橫隔板D5 和D6 筋與Ⅲ區(qū) G2 筋

圖9 區(qū)域ⅢG2 筋與橫隔板 D5、D6 筋

3.2.4 主塔Ⅳ區(qū)碰撞檢測(cè)

主塔Ⅳ區(qū)與下橫梁相接連，節(jié)點(diǎn)細(xì)部結(jié)構(gòu)較為繁瑣，預(yù)應(yīng)力筋與鋼筋縱橫交錯(cuò)，與主塔Ⅱ區(qū)碰撞檢測(cè)相似，參考構(gòu)件類(lèi)別把它分組實(shí)施碰撞檢測(cè)得到對(duì)應(yīng)成果，其中碰撞檢測(cè)成果如圖10 所示。

圖10 下橫梁預(yù)應(yīng)力與Ⅳ區(qū)主筋碰撞檢測(cè)成果

因?yàn)榕鲎颤c(diǎn)不是簡(jiǎn)單的一兩個(gè)，因此在本課題研究中，考慮篇幅方面的原因，只對(duì)幾個(gè)沖撞相對(duì)比較嚴(yán)重的構(gòu)件點(diǎn)進(jìn)行直觀剖析，其中預(yù)應(yīng)力下橫梁筋與G2、G2a 箍筋檢查成果可見(jiàn)圖11 所示，預(yù)應(yīng)力下橫梁筋與橫隔板箍筋檢查成果可見(jiàn)圖12 所示。

圖11 預(yù)應(yīng)力下橫梁筋與G2、G2a 箍筋

圖12 預(yù)應(yīng)力下橫梁筋與橫隔板箍筋

3.2.5 碰撞檢測(cè)報(bào)告

經(jīng)過(guò)對(duì)各構(gòu)件的碰撞沖突進(jìn)行全面、細(xì)致的檢查，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)組織的不足之處，在此基礎(chǔ)上，也就能結(jié)合實(shí)際需求編制出更具體、更可靠的碰撞檢測(cè)報(bào)告，此報(bào)告包涵兩碰撞對(duì)象的狀態(tài)、碰撞點(diǎn)坐標(biāo)、工程名稱(chēng)和種類(lèi)等更多細(xì)節(jié)信息。反饋給相關(guān)人員，摒棄傳統(tǒng)邏輯思維，在新思想、新技術(shù)的引導(dǎo)下，對(duì)相關(guān)參數(shù)做出及時(shí)調(diào)整與優(yōu)化，以科學(xué)控制返工率，加快項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)程。

3.3 主塔施工及預(yù)拼裝主梁節(jié)段碰撞檢測(cè)

3.3.1 主塔施工碰撞檢測(cè)

塔吊是施工現(xiàn)場(chǎng)不可或缺的一項(xiàng)重要機(jī)械裝置，通過(guò)它可輕松完成鋼筋、鋼錨梁等諸多材料的吊裝作業(yè)。選用規(guī)格適宜的塔吊方能準(zhǔn)確科學(xué)地設(shè)定預(yù)埋件位置。在選型時(shí)，務(wù)必要同時(shí)滿足施工期、吊裝重量等多種需求。選型完成后，構(gòu)建參數(shù)化模型，以空間坐標(biāo)與工程基點(diǎn)約束為參照定位塔吊附墻件，并且向Navisworks 系統(tǒng)輸入以進(jìn)行合模。之后再對(duì)主塔內(nèi)部構(gòu)造與預(yù)埋件存在沖突與否進(jìn)行細(xì)致全面檢查，也可以借助RevitAP 系統(tǒng)開(kāi)展檢查，以及時(shí)超前發(fā)現(xiàn)可能存在的碰撞問(wèn)題[3]。

在強(qiáng)風(fēng)浪的惡劣天氣環(huán)境下，主塔吊裝就成為難度最大的一個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)，為預(yù)防阻止施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的碰撞，應(yīng)用Navisworks 系統(tǒng)和Animator工具插件構(gòu)建軟碰撞模型，實(shí)施動(dòng)態(tài)全過(guò)程吊裝碰撞檢測(cè)，找出吊裝最佳方法，全面審查施工作業(yè)流程，如圖13 所示。

圖13 吊裝碰撞檢測(cè)流程

依照塔吊的蓋覆率、吊裝路徑等相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)成動(dòng)畫(huà)實(shí)施模擬，選取要實(shí)施碰撞測(cè)試的對(duì)象，并將其輸入塔吊場(chǎng)景，通過(guò)多方面檢查及時(shí)發(fā)現(xiàn)不良問(wèn)題。塔吊在主塔作業(yè)結(jié)束后仍須斜拉掛索，卸拆塔吊能否導(dǎo)致塔吊臂桿跟主塔或者拉索沖突問(wèn)題，可借助Animator 碰撞模擬進(jìn)行細(xì)致全面檢測(cè)，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)不良問(wèn)題并采取有效手段進(jìn)行處理。

遇到強(qiáng)風(fēng)浪惡劣天氣，難以避免碰撞問(wèn)題的出現(xiàn)，甚至?xí)?duì)已完工的主塔節(jié)段產(chǎn)生強(qiáng)烈撞擊。

因?yàn)槭┕て陂g橋?qū)挾炔蛔悖坏┌嘟M間溝通不及時(shí)就容易造成運(yùn)輸沖突，不利于主塔混凝土筑澆作業(yè)正常開(kāi)展。這些問(wèn)題也常見(jiàn)于其他施工工序中，在工程施工期間，由于需要運(yùn)輸原材料、機(jī)械設(shè)備進(jìn)入施工場(chǎng)地，因此要對(duì)車(chē)輛的運(yùn)輸路線進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，以設(shè)定出科學(xué)、合理的運(yùn)輸路線，保證原材料、機(jī)械設(shè)備等順利進(jìn)場(chǎng)，這對(duì)于增強(qiáng)機(jī)械選用率具有重大現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)于管理層人員來(lái)說(shuō)，可通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬確定最佳施工方案，探索出最佳運(yùn)輸路線，并對(duì)起吊順序做出合理安排。

3.3.2 主梁節(jié)段預(yù)拼裝碰撞檢測(cè)

各大廠商在生產(chǎn)制造鋼桁梁橋時(shí)一般會(huì)進(jìn)行預(yù)拼裝，以檢驗(yàn)是否存在著拼接碰撞問(wèn)題。本研究工程項(xiàng)目鋼橋構(gòu)件量較多，務(wù)必要保證各環(huán)節(jié)操作的精準(zhǔn)性與可靠性，一旦出現(xiàn)偏差就容易出現(xiàn)拼接失敗的具體情況。在本課題中，利用專(zhuān)業(yè)、成熟的BIM系統(tǒng)按照參數(shù)化1∶1 的要求構(gòu)建仿真模型，之后選用空間約束精準(zhǔn)定位并實(shí)施虛擬拼裝，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)部構(gòu)件是否存在著沖突或者對(duì)接不規(guī)范的問(wèn)題。概括來(lái)講，通過(guò)各構(gòu)件的預(yù)拼裝仿真分析不僅從源頭上保障了細(xì)部結(jié)構(gòu)接連點(diǎn)的精準(zhǔn)性與可靠性，還盡可能地減少了成本支出，加快了整體施工進(jìn)度[4]。

主梁節(jié)段間拼裝碰撞檢測(cè)，可利用Navisworks系統(tǒng)自帶TimeLiner 插件以時(shí)間為基礎(chǔ)開(kāi)展，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)此間是否存在沖突問(wèn)題。本研究選用雙懸臂吊機(jī)對(duì)稱(chēng)架梁施工方案，將斜拉索掛設(shè)、主梁節(jié)段吊裝等施工速度導(dǎo)入至TimeLiner 系統(tǒng)中。

提前添加斜拉索、鋼梁節(jié)段等構(gòu)造到集合中，在視圖ClashDetective 中鏈接已依照實(shí)際施工速度所完成加添的TimeLiner，按設(shè)定時(shí)間間隔，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行檢查，以確定拼裝主梁是否存在碰撞隱患。完成所有檢查后，隨機(jī)擇取碰撞檢測(cè)成果，TimeLiner模擬選項(xiàng)卡可以提供與之相關(guān)的大量移動(dòng)滑塊，精確定位至干擾沖突出現(xiàn)的時(shí)點(diǎn)，此時(shí)只需調(diào)節(jié)進(jìn)度滑塊，即可了解干擾沖突出現(xiàn)的施工段前后具體情況，以便于管理員對(duì)現(xiàn)有參數(shù)做出相應(yīng)調(diào)整與優(yōu)化。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究借助Navisworks 檢測(cè)系統(tǒng)，以BIM 技術(shù)工程應(yīng)用分析的方式，對(duì)橋梁施工碰撞檢測(cè)信息化監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)與運(yùn)用課題開(kāi)展專(zhuān)題分析探究。主要收獲：a）介紹了基于Revit 系統(tǒng)的項(xiàng)目模型族庫(kù)結(jié)構(gòu)；b）結(jié)合實(shí)例工程對(duì)主塔內(nèi)部構(gòu)造動(dòng)靜態(tài)碰撞檢測(cè)開(kāi)展了施工碰撞檢測(cè)信息化監(jiān)控分析。案例分析研究揭示，基于BIM 技術(shù)的工程碰撞檢測(cè)，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)、施工組織等各工程環(huán)節(jié)可能存在的沖突碰撞問(wèn)題，施工碰撞防范監(jiān)控應(yīng)用研究可以助力實(shí)現(xiàn)安全有效的橋梁施工碰撞監(jiān)控與防范。