BIM 在大跨高鐵連續(xù)梁-鋼桁組合橋施工中的應(yīng)用

龐維福，高虎軍，張洪偉，竇 晗

（1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000，E-mail：284498502@qq.com；2. 中鐵一局集團(tuán)有限公司第三工程分公司，陜西 寶雞 721006）

建筑信息模型（BIM）技術(shù)，作為建筑物的物理與功能特性數(shù)字化表達(dá)工具，具有數(shù)字信息集成與共享優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)為建筑業(yè)帶來了技術(shù)進(jìn)步與創(chuàng)新，與此同時(shí)，在學(xué)術(shù)界針對(duì)建筑施工領(lǐng)域的BIM技術(shù)應(yīng)用研究仍是國際研究的熱點(diǎn)。如何基于BIM進(jìn)行施工方案優(yōu)化，增加相互協(xié)作能力，最終提高項(xiàng)目績效既是BIM 技術(shù)未來應(yīng)用研究關(guān)注的核心，又是BIM 研究的前沿問題[1]。

在國內(nèi)，BIM 技術(shù)已有十幾年的發(fā)展歷程，起初被應(yīng)用于房建項(xiàng)目[2,3]，而橋梁等市政公用工程BIM 應(yīng)用研究相對(duì)滯后。盡管如此，隨著橋梁工程中應(yīng)用BIM 技術(shù)的實(shí)踐積累逐漸增加，國內(nèi)取得了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)和研究成果。如王東偉等[4]以樂清灣2號(hào)橋?yàn)槔?，針?duì)斜拉橋索塔施工，基于BIM校核了圖紙，優(yōu)化了鋼箱梁進(jìn)度安排和復(fù)雜構(gòu)件鋼筋的統(tǒng)計(jì)工作，節(jié)約工期20d 并大幅降低了成本。周華等[5]以滬通長江大橋橫港沙淺水區(qū)112m 簡支鋼桁梁橋?yàn)槔?，針?duì)鋼結(jié)構(gòu)制作施工，基于Tekla Structures 軟件的BIM 技術(shù)應(yīng)用大大提高了鋼結(jié)構(gòu)制造的質(zhì)量、速度，節(jié)約了勞動(dòng)力成本，避免了人為因素引起的差錯(cuò)。王迎彬等[6]以奉節(jié)梅溪河雙線特大橋?yàn)槔?，針?duì)上承式勁性骨架鋼筋混凝土拱橋施工，基于BIM 優(yōu)化了臨建規(guī)劃、測(cè)量收方、纜索吊和斜拉扣掛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工，提高綜合設(shè)計(jì)效率約20%，節(jié)約鋼材30t，減少工期40 天。趙偉等[7]以平塘特大橋?yàn)槔槍?duì)三塔雙索面疊合梁斜拉橋施工，基于BIM 校核圖紙問題289 處，優(yōu)化工序3 處，檢核出混凝土工程量誤差3%，此外，項(xiàng)目還應(yīng)用BIM 協(xié)同管理平臺(tái)，從質(zhì)量安全、進(jìn)度、施工監(jiān)控及工程量管控等方面進(jìn)行精細(xì)化管理，提高工作效率約15%。

以上研究成果表明，在橋梁施工中，基于BIM技術(shù)在審核圖紙、工程量統(tǒng)計(jì)、優(yōu)化施工方案等方面效果明顯，但從BIM 協(xié)同管理方面研究較少，且橋梁結(jié)構(gòu)形式多樣、施工工藝復(fù)雜，因此需根據(jù)不同橋型總結(jié)成功經(jīng)驗(yàn)，本文針對(duì)大跨連續(xù)梁-鋼桁組合橋施工，依托鄭阜高鐵沈界1 號(hào)大橋項(xiàng)目，在BIM 建模、審圖、深化設(shè)計(jì)、優(yōu)化施工、施工管理等方面進(jìn)行研究，總結(jié)并創(chuàng)新其方法、流程，以達(dá)到為同類橋型項(xiàng)目BIM 應(yīng)用提供借鑒的目的。

1 項(xiàng)目概況

鄭阜高鐵沈界1 號(hào)大橋全長345.8m，采用（86+172+86）m 連續(xù)梁-曲弦鋼桁組合結(jié)構(gòu)，主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，按直線梁設(shè)計(jì)，在中跨160.55m 范圍內(nèi)安裝加勁鋼桁，施工采用“先梁后桁”法，其中主梁采用掛籃懸臂澆筑施工。主梁采用單箱雙室變高度箱形截面，三向預(yù)應(yīng)力體系，由81 個(gè)梁段組成，中跨跨中及邊支點(diǎn)處梁高為5m，中支點(diǎn)處梁高11m，梁底緣按二次拋物線變化。主梁頂寬12.6～14.6 m，底寬11.3m。全聯(lián)在端支點(diǎn)、中支點(diǎn)及鋼桁-混凝土梁結(jié)合節(jié)點(diǎn)處共設(shè)17 道橫隔板，橫隔板設(shè)有孔洞。

鋼桁采用再分式桁架、桁高14m，節(jié)間距16m。鋼桁結(jié)構(gòu)上弦桿采用箱形截面，腹桿采用工字鋼截面，上平聯(lián)采用X 型構(gòu)造，工字鋼截面。全橋?qū)ΨQ設(shè)置4 道橫聯(lián)，鋼桁共設(shè)有24 個(gè)下弦節(jié)點(diǎn)板并采用 PBL 剪刀鍵與混凝土梁相連。

2 BIM 應(yīng)用流程與模型

2.1 BIM 應(yīng)用流程

在鄭阜高鐵沈界1號(hào)大橋施工階段進(jìn)行BIM應(yīng)用流程為：首先依據(jù)現(xiàn)行BIM 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)圖紙建立精確的BIM 模型，在建模過程中，對(duì)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行校核；然后基于精確的BIM 模型輔助項(xiàng)目部進(jìn)行施工質(zhì)量、進(jìn)度及物資管理，其中施工質(zhì)量管理主要從對(duì)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行深化設(shè)計(jì)及對(duì)重要施工方案進(jìn)行優(yōu)化兩方面展開，其中進(jìn)度及物資管理通過開發(fā)BIM 信息管理平臺(tái)，基于BIM 模型及實(shí)際工程量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁施工的進(jìn)度及物資精細(xì)化管理（見圖1）。

圖1 BIM 應(yīng)用流程圖

2.2 BIM 建模與標(biāo)準(zhǔn)

目前國內(nèi)僅有建筑工程信息模型交付標(biāo)準(zhǔn)，還沒有適合市政工程行業(yè)的交付標(biāo)準(zhǔn)[8]。本文基于BIM 應(yīng)用實(shí)際需求，參照《建筑信息模型施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51235-2017）及《建筑工程設(shè)計(jì)信息模型交付標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51301-2018）等規(guī)范，針對(duì)項(xiàng)目施工實(shí)施階段（不包含竣工驗(yàn)收階段），總結(jié)了施工模型細(xì)度與幾何表達(dá)精度如表1所示。

表1 施工模型細(xì)度與幾何表達(dá)精度信息一覽表

本項(xiàng)目基于連續(xù)梁-曲弦鋼桁組合結(jié)構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時(shí)考慮了Revit 軟件操作較為簡單易上手以及Catia 軟件建立空間鋼結(jié)構(gòu)模型的高精確度與數(shù)字化裝配功能，最終確定了采用這兩款軟件進(jìn)行建模，建模流程如圖2 所示。本項(xiàng)目建模量巨大且難度較大，其中豎向預(yù)應(yīng)力管有7492 根，且每根預(yù)應(yīng)力管底距曲面梁底均為6cm，采用Revit 軟件插件Dynamo 可視化編程功能實(shí)現(xiàn)了批量生成，大幅提高了建模效率；主梁底板縱向預(yù)應(yīng)力管道不僅要與主梁底板底面平行，而且還要平彎，這是建模的難點(diǎn)，通過以下5 個(gè)步驟解決了這個(gè)問題。

圖2 橋梁BIM 建模流程圖

（1）將主梁砼節(jié)段Revit 模型導(dǎo)入Catia 獲取底板下緣線。

（2）基于設(shè)計(jì)圖紙繪制縱向預(yù)應(yīng)力管束平彎、豎彎曲面草圖。

（3）相交法得到預(yù)應(yīng)力管空間中心曲線（見圖3）。

圖3 縱向預(yù)應(yīng)力管BIM 模型建模圖

（4）放樣生成管束。

（5）通過Inventor 軟件導(dǎo)出Revit 交換文件（.ADSK 格式）得到Revit 族文件，最后插入到主梁砼節(jié)段Revit 模型的相應(yīng)位置。

3 BIM 應(yīng)用研究

3.1 校核設(shè)計(jì)圖紙

現(xiàn)行高鐵橋梁工程施工圖設(shè)計(jì)文件依據(jù)《鐵路建設(shè)項(xiàng)目預(yù)可行性研究、可行性研究和設(shè)計(jì)文件編制辦法》（TB 10504-2018）規(guī)定，按專業(yè)、結(jié)構(gòu)部位和構(gòu)造分冊(cè)進(jìn)行編制，便于指導(dǎo)分部分項(xiàng)工程施工，但在施工過程中因圖紙錯(cuò)誤導(dǎo)致返工、延誤工期甚至影響工程質(zhì)量的情況時(shí)有發(fā)生?；贐IM 技術(shù)解決上述問題的步驟如下：

3.1.1 通過BIM 建模審核圖紙

依據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，遴選專業(yè)工程師組成主體砼、主體鋼筋和鋼桁架3 個(gè)BIM 建模小組。3 個(gè)小組各自獨(dú)立建模，但其中主體砼和鋼桁架2 個(gè)小組首先開始，主體鋼筋小組稍滯后，因鋼筋建模需依附于砼模型建立。建模工作實(shí)際上就是依據(jù)圖紙“翻模”的過程，因此可審核出圖紙的錯(cuò)、漏問題，如本項(xiàng)目鋼桁架圖紙主要問題28 個(gè)，其中構(gòu)件標(biāo)注尺寸與材料表不一致18 處，構(gòu)件加工尺寸標(biāo)注不全8處，詳圖缺少1 幅，構(gòu)件坡度標(biāo)注錯(cuò)誤1 處。

3.1.2 通過數(shù)字化裝配模擬審核圖紙

因鋼桁架建模工作量較主體鋼筋少，鋼桁架構(gòu)件模型最快被“翻?！蓖戤?，接下來通過數(shù)字化裝配將構(gòu)件模型“拼接”成整體模型。在數(shù)字化裝配的過程中，發(fā)現(xiàn)了2 處鋼桁架圖紙問題，一是A0-E1桿件設(shè)計(jì)圖紙長度為4350，虛擬拼裝發(fā)現(xiàn)長度不夠足要求，設(shè)計(jì)變更為4400mm；二是桿件F2-X1 一端和上弦桿X1-A2 對(duì)接有偏差，設(shè)計(jì)變更了桿件F2-X1 的螺栓孔位置。

3.1.3 通過三維剖切BIM 模型審核圖紙

主體砼、主體鋼筋和鋼桁架建模小組建模結(jié)束后，進(jìn)行三者的“合?！惫ぷ?。模型被整合后，通過三維剖切法，直觀發(fā)現(xiàn)了大量碰撞問題，其中施工最關(guān)注的有兩處。

（1）節(jié)點(diǎn)板是否被精確預(yù)埋于主梁頂板中，直接影響鋼桁架拼裝施工是否成功，同時(shí)穿過節(jié)點(diǎn)板孔洞的鋼筋因直徑為Ф20～Ф25，所以現(xiàn)場(chǎng)加工困難，因此節(jié)點(diǎn)板預(yù)埋施工既要保證其位置準(zhǔn)確又要使此處鋼筋滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。項(xiàng)目通過三維剖切此處BIM 模型，直觀發(fā)現(xiàn)鋼筋與節(jié)點(diǎn)板存在嚴(yán)重碰撞問題，如主梁0 號(hào)塊頂板的5 種型號(hào)共計(jì)299 根鋼筋與E0節(jié)點(diǎn)板發(fā)生了碰撞。施工前，項(xiàng)目部通過與設(shè)計(jì)院溝通確定了此處鋼筋的處理方案，即腹板箍筋N7-1'和N7-1 鋼筋與E0節(jié)點(diǎn)板發(fā)生了碰撞（見圖4），設(shè)計(jì)院建議將其截?cái)嗖⑴c節(jié)點(diǎn)板進(jìn)行等強(qiáng)焊接以保證結(jié)構(gòu)受力安全。

（2）主梁的預(yù)應(yīng)力鋼束與鋸齒塊、橫隔板相交處結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工難度大。施工前，工程師通過三維剖切法發(fā)現(xiàn)了此處的碰撞問題，如主梁6'號(hào)梁段的橫隔板和D12 號(hào)鋸齒塊鋼筋與D12 號(hào)預(yù)應(yīng)力鋼束之間發(fā)生碰撞541 處，并將其告知現(xiàn)場(chǎng)鋼筋加工班組從而避免了返工和施工質(zhì)量隱患的發(fā)生。

圖4 N7-1'Ф20 鋼筋與E0 節(jié)點(diǎn)板發(fā)生碰撞

3.2 深化設(shè)計(jì)圖紙

部分橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件有被預(yù)制加工的需求，但施工圖設(shè)計(jì)文件的設(shè)計(jì)深度又不夠，同時(shí)BIM 技術(shù)有具有三維可視及可出圖的特點(diǎn)，因此基于BIM 深化設(shè)計(jì)模型主梁鋼筋與鋼桁架構(gòu)件的深化設(shè)計(jì)圖紙是一種可行方法。本項(xiàng)目的鋼桁架與主梁鋼筋預(yù)制加工需要深化設(shè)計(jì)圖紙的指導(dǎo)，具體方法如下：

（1）深化設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)板端頭波紋管開孔斷面圖。觀察BIM 模型可見預(yù)應(yīng)力筋與節(jié)點(diǎn)板端頭相交（見圖5（a）），通過Revit 軟件的節(jié)點(diǎn)板端頭波紋管開孔斷面圖（見圖5（b）），指導(dǎo)打孔施工。

圖5 通過BIM 模型出斷面圖

（2）深化設(shè)計(jì)鋼桁架構(gòu)件加工圖。鋼桁架施工圖因精度不足等原因，不能直接用于預(yù)制加工，項(xiàng)目基于Catia 鋼桁架模型，利用Catia 軟件出圖功能，制作了詳細(xì)的鋼桁架加工圖紙，有效提高了鋼桁架加工圖設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確度。

（3）深化設(shè)計(jì)主梁鋼筋大樣圖。在主梁鋼筋施工大樣圖中，有部分圖中鋼筋長度不能直接用于指導(dǎo)加工，如N7-1 鋼筋是隨截面變高度的腹板箍筋，它沿主梁梁底傾斜面均勻排布，但鋼筋大樣圖只給出平均長度。項(xiàng)目基于Revit 模型導(dǎo)出Excel鋼筋明細(xì)表，然后對(duì)鋼筋明細(xì)表進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選得到了每根鋼筋的詳細(xì)下料尺寸，最后通過CAD 繪制得到鋼筋加工交底單。

3.3 優(yōu)化施工方案

鋼桁架拼裝施工是本項(xiàng)目的施工重點(diǎn)與難點(diǎn)，在制定該施工方案過程中，基于BIM 主要完成了以下兩項(xiàng)優(yōu)化工作，提高了工作效率。

（1）優(yōu)化鋼桁架拼裝施工方案。節(jié)點(diǎn)板被預(yù)埋于主梁頂板中用于連接主梁與鋼桁架，在從主梁掛籃懸臂澆筑開始到鋼桁架拼裝結(jié)束期間的施工過程中，在主梁混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力張拉、橋面外部荷載及晝夜溫差等因素作用影響下，節(jié)點(diǎn)板復(fù)測(cè)結(jié)果顯示其位置會(huì)發(fā)生不同程度的微小偏移。在節(jié)點(diǎn)板位置發(fā)生偏移的情況下，重新設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)板螺栓孔位置是鋼桁架拼裝施工方案關(guān)鍵內(nèi)容之一。針對(duì)節(jié)點(diǎn)板螺栓孔位置重新設(shè)計(jì)的問題，基于BIM的解決方法為：采用Catia 軟件通過數(shù)字化裝配模擬鋼桁架拼裝過程，從裝配得到的整體鋼桁架BIM模型中導(dǎo)出得到節(jié)點(diǎn)板螺栓孔布置圖。其中鋼桁架數(shù)字化裝配具體操作過程，首先通過Catia 知識(shí)工程參數(shù)化模塊導(dǎo)入Excel 表中的節(jié)點(diǎn)板實(shí)際坐標(biāo)點(diǎn)信息，根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)信息在Catia 中生成空間點(diǎn)模型，依據(jù)這些空間點(diǎn)繪制鋼桁架骨架線；根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙繪制鋼桁架構(gòu)件；最后將這些構(gòu)件基于骨架線進(jìn)行精細(xì)拼裝，得到整體鋼桁架模型[9]。

（2）優(yōu)化鋼桁架異型鋼構(gòu)件吊裝施工方案。對(duì)于異型鋼構(gòu)件，通常需計(jì)算構(gòu)件的重心點(diǎn)位置，吊裝時(shí)多個(gè)起吊受力點(diǎn)的合力方向應(yīng)通過被吊裝構(gòu)件的重心位置，從而保證連接多吊點(diǎn)的鋼絲繩受力相等，以免在吊裝過程中個(gè)別鋼絲繩因受力過大斷裂。但由于異型鋼構(gòu)件重心位置手工計(jì)算復(fù)雜，部分施工現(xiàn)場(chǎng)常采用多次單點(diǎn)起吊的方法確定構(gòu)件重心位置。這樣不但耗費(fèi)人力物力、影響施工效率，而且現(xiàn)場(chǎng)試吊過程也伴有較大風(fēng)險(xiǎn)[10]。而基于BIM 采用Catia 軟件，可快速獲取鋼桁架異型鋼構(gòu)件BIM 模型的重心坐標(biāo)、位置及重量等數(shù)據(jù)，為工程師制定吊裝施工方案提供了數(shù)據(jù)支撐。

3.4 進(jìn)度與物資管理

為提高項(xiàng)目部各部門的相互協(xié)作能力及進(jìn)度與物資管理水平，有效解決“信息孤島”問題，針對(duì)本項(xiàng)目主梁掛籃懸臂澆筑施工過程研發(fā)了BIM信息管理平臺(tái)。BIM 信息管理平臺(tái)由WEB 端和Revit 進(jìn)度展示插件組成，主要用于顯示以下4 個(gè)方面的數(shù)據(jù)。

（1）施工進(jìn)度預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。隨著主梁節(jié)段的施工，平臺(tái)可基于節(jié)段的BIM 鋼筋量、BIM 混凝土量以及已施工節(jié)段的鋼筋綁扎、掛籃滑移安裝、模板安裝、鋼筋綁扎、混凝土澆筑、混凝土養(yǎng)護(hù)、預(yù)應(yīng)力張拉等工作時(shí)間，推算出未施工節(jié)段的最遲完成時(shí)間，為項(xiàng)目管理者進(jìn)行進(jìn)度控制措施決策提供數(shù)據(jù)支持。

（2）實(shí)際進(jìn)度信息三維展示。工程部技術(shù)人員在WEB 端輸入實(shí)際進(jìn)度后，在Revit 進(jìn)度展示插件可實(shí)時(shí)顯示三維的實(shí)際進(jìn)度，方便項(xiàng)目各部門實(shí)時(shí)了解工程實(shí)際進(jìn)度。

（3）鋼筋量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。平臺(tái)可顯示每月鋼筋實(shí)際消耗量與BIM 鋼筋模型量比值，2018 年1 月比值1.5 超出平均值約14%，通過物資采購部與工程部聯(lián)合進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)了“飛單”現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)立即整改，杜絕了更大損失。

（4）砼統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。平臺(tái)可顯示主梁每個(gè)節(jié)段砼實(shí)際澆筑量與BIM 模型量比值，298-0 號(hào)段比值為1.17，遠(yuǎn)超正常范圍，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)了砼澆筑量“虛報(bào)”現(xiàn)象，立即對(duì)商砼進(jìn)行了處罰從而杜絕了更大的損失。

4 成效分析

（1）采用BIM 審圖發(fā)現(xiàn)鋼筋與節(jié)點(diǎn)板、預(yù)應(yīng)力鋼束碰撞870 余處及鋼桁架圖紙主要問題30 個(gè)，項(xiàng)目部提前進(jìn)行設(shè)計(jì)變更，減少了大量返工。

（2）采用BIM 出圖，指導(dǎo)鋼桁架加工、PBL鍵鉆孔、鋼筋下料等工作，提高效率近40%。

（3）利用BIM 信息管理平臺(tái)，進(jìn)行鋼筋、混凝土物資管理，杜絕“飛單”現(xiàn)象，預(yù)計(jì)節(jié)約物資近10%左右；實(shí)現(xiàn)了主梁施工進(jìn)度預(yù)測(cè)，保證了主梁按期合龍。

（4）針對(duì)大跨高鐵連續(xù)梁-鋼桁組合橋型的施工，總結(jié)了BIM 應(yīng)用的流程、BIM 施工模型細(xì)度與幾何表達(dá)精度；總結(jié)了BIM 校核設(shè)計(jì)圖紙的步驟與方法；闡述了基于BIM 模型出鋼桁架與主梁鋼筋深化設(shè)計(jì)圖紙的方法，為同類型橋梁施工采用BIM技術(shù)提供了借鑒。

5 結(jié)語

以鄭阜高鐵沈界1 號(hào)大橋?yàn)槔?，針?duì)大跨連續(xù)梁-鋼桁組合橋施工，通過精確BIM 模型的建立，解決了鋼筋與節(jié)點(diǎn)板、預(yù)應(yīng)力鋼束碰撞及鋼桁架圖紙問題；基于BIM 模型，完成了鋼桁架構(gòu)件加工圖及主梁鋼筋大樣圖的深化設(shè)計(jì)；基于鋼桁架BIM 模型，利用Catia 軟件重新設(shè)計(jì)了節(jié)點(diǎn)板螺栓孔布置圖，并高效確定了鋼桁架構(gòu)件的重心位置；通過BIM 信息管理平臺(tái)的研發(fā)，解決了主梁施工進(jìn)度不易預(yù)測(cè)及施工物資“飛單”問題。

本文研究創(chuàng)新之處在于：基于Revit 主梁砼模型，采用Catia 和Inventor 兩款BIM 軟件，解決了空間曲線構(gòu)件主梁底板縱向預(yù)應(yīng)力管道建模難的問題；通過研發(fā)的BIM 信息管理平臺(tái)，基于采集的BIM 模型量、實(shí)際施工工序數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了未施工主梁節(jié)段的最遲完成時(shí)間的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，為項(xiàng)目管理者進(jìn)行進(jìn)度控制措施決策提供了數(shù)據(jù)支持。