BIM技術(shù)在多曲面圓拱形單塔斜拉橋施工中的應(yīng)用研究

◎ 肖春文 中鐵七局集團(tuán)有限公司

近年來，隨著我國(guó)橋梁建設(shè)事業(yè)的迅猛發(fā)展，一大批結(jié)構(gòu)新穎、技術(shù)復(fù)雜、施工難度大的地標(biāo)性橋梁相繼落成。相較于其他橋梁形式，斜拉橋因具有造型優(yōu)美、技術(shù)先進(jìn)、跨越水域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)正逐漸成為現(xiàn)代城市建設(shè)中最受各方青睞的結(jié)構(gòu)形式之一。但其施工過程中，常伴隨著索導(dǎo)管定位不準(zhǔn)確、巨型構(gòu)件安裝難度大、施工工藝復(fù)雜程度高等問題，稍有不慎會(huì)引起構(gòu)件間的碰撞，輕則延誤工期，重則引發(fā)質(zhì)量安全事故。

BIM（Building Information Modeling，簡(jiǎn)稱BIM，譯為建筑信息模型）技術(shù)作為建筑產(chǎn)業(yè)信息化的重要組成部分，正引起整個(gè)行業(yè)生產(chǎn)方式發(fā)生重大變革。目前，BIM技術(shù)在斜拉橋施工中也有一定的應(yīng)用。例如，宋福春等以永川長(zhǎng)江大橋?yàn)楸尘肮こ?，研究了BIM技術(shù)在大跨度斜拉橋設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，以減少斜拉橋施工圖設(shè)計(jì)時(shí)繁瑣的工作量。于藝林等在東洲湘江大橋索塔施工中，成功探索出以BIM為核心的矮塔斜拉橋施工工法，實(shí)現(xiàn)了縮短工期、降低造價(jià)的目標(biāo)。王偉濤以廣西省貴港市西南大橋?yàn)橐劳?，將BIM與施工控制信息相結(jié)合，開展了BIM技術(shù)在斜拉橋施工信息管理中的應(yīng)用研究。劉廣福為滿足黑龍江大橋頂推施工監(jiān)測(cè)管理的需求，基于BIM進(jìn)行了斜拉橋頂推施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究，最終實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)的成功應(yīng)用。張鵬飛等為實(shí)現(xiàn)高速鐵路大跨斜拉橋智能化算量，研發(fā)出基于Revit平臺(tái)的工程算量系統(tǒng)，并給出了符合BIM計(jì)量規(guī)則的工程量清單。

分析現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，BIM憑借獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)正逐步應(yīng)用在各類斜拉橋工程實(shí)踐中，但在具體應(yīng)用過程中仍存在一定問題。為進(jìn)一步加大應(yīng)用力度，發(fā)掘BIM的應(yīng)用價(jià)值，本文依托于廣東省韶關(guān)市江灣大橋工程，以BIM技術(shù)為核心，深入探索基于BIM的多曲面圓拱形單塔斜拉橋施工工藝，以期為今后同類橋梁建設(shè)提供借鑒作用。

1.項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

韶關(guān)市江灣大橋?yàn)閱嗡p索面鋼砼混合斜拉橋，全長(zhǎng)1027m，主橋跨徑組合為（33+102+183）m，索塔采用多曲面圓拱形截面，總高度109.5m，橋面以上高92m。主橋?yàn)榉菍?duì)稱斜拉橋，北側(cè)采用6對(duì)12根斜拉索，南側(cè)采用13對(duì)26根斜拉索，斜拉索最長(zhǎng)178m。大橋采用雙向八車道的城市道路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)速60km/h，主跨結(jié)構(gòu)為橫斷面44.5m的鋼箱梁，長(zhǎng)267.6m，單節(jié)最大起吊重量為352t，如圖1所示。

1.2 項(xiàng)目難點(diǎn)分析

圖1 江灣大橋概況

地質(zhì)溶洞發(fā)育程度高。項(xiàng)目位于典型的地質(zhì)斷裂帶即粵北串珠式溶洞地區(qū)，且溶洞發(fā)育程度高，因此在大橋樁基施工過程中極易遇到溶洞。根據(jù)勘察設(shè)計(jì)資料可知，遇到的最大單溶洞深度達(dá)17.9m，最大連續(xù)串珠溶洞更是達(dá)44.7m，施工風(fēng)險(xiǎn)較高。

（2）主塔線形控制難度大。江灣特大斜拉橋主塔采用多曲面圓拱形造型，曲線應(yīng)用獨(dú)具匠心，使主塔顯得宏偉挺拔，自然美觀，但施工工藝復(fù)雜、主塔線形控制難度大。

（3）施工工期緊。作為曲江大道控制性項(xiàng)目和韶關(guān)市重點(diǎn)項(xiàng)目，江灣大橋的迅速竣工對(duì)加快“三區(qū)融合”發(fā)展和沿線區(qū)域開發(fā)具有重要促進(jìn)作用，因此項(xiàng)目建設(shè)任務(wù)重，工期緊。

綜合項(xiàng)目難點(diǎn)分析可知，該項(xiàng)目屬于大型公路橋梁建設(shè)項(xiàng)目，各橋梁構(gòu)件的巨大體積會(huì)直接增加施工難度和管理難度，并對(duì)設(shè)計(jì)、施工、管理人員的相關(guān)工作提出更嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。同時(shí)，該項(xiàng)目施工工藝復(fù)雜，施工組織難度大，易造成工期拖延。為克服上述施工難題，保證多曲面圓拱形單塔斜拉橋建造的順利推進(jìn)，項(xiàng)目部決定引入BIM技術(shù)作為一種信息化管理手段對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行輔助管理。

表1 常見建模軟件的對(duì)比分析

圖2 構(gòu)件族庫(kù)制作

圖3 全橋BIM模型構(gòu)建過程

2.BIM模型建立

2.1 BIM軟件選擇

當(dāng)前，常用BIM建模軟件主要有Revit、Bentley、ArchiCAD、Tekla Crop.等。為便于選擇出符合項(xiàng)目特點(diǎn)和項(xiàng)目實(shí)施難點(diǎn)的建模軟件，對(duì)常用軟件的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行梳理，如表1所示。

結(jié)合項(xiàng)目實(shí)施條件，經(jīng)對(duì)比分析后，采用目前使用最廣泛且相對(duì)易于操作的Revit、Naviswork等軟件進(jìn)行BIM模型的建立、處理及分析。

2.2 BIM模型搭建

江灣大橋的空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及空間曲線多，傳統(tǒng)的CAD設(shè)計(jì)既很難將結(jié)構(gòu)表達(dá)清晰，又易產(chǎn)生尺寸標(biāo)注錯(cuò)誤。因此，項(xiàng)目部各專業(yè)建模工程師在充分理解設(shè)計(jì)圖紙的基礎(chǔ)上，利用Revit軟件構(gòu)建三維可視化模型，以便對(duì)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。首先，利用Revit軟件的族庫(kù)或體量建立橋梁各構(gòu)件，如圖2所示；其次，通過族樣板選擇、原點(diǎn)定義、參照平面布局等步驟分別整合橋梁的上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)；最后，通過引入地形模型以完成全橋模型的三維拼接，為后續(xù)BIM技術(shù)的應(yīng)用奠定基石。整個(gè)模型構(gòu)建的具體流程，如圖3所示。

2.3 BIM模型碰撞檢查

借助Naviswork軟件對(duì)江灣大橋BIM模型進(jìn)行專業(yè)化、可視化的碰撞檢查，具體檢查思路和步驟，如圖4所示。通過預(yù)先設(shè)置的碰撞準(zhǔn)則，快速確定各構(gòu)件碰撞點(diǎn)的相關(guān)信息，并將其及時(shí)提供給設(shè)計(jì)人員優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，調(diào)整碰撞點(diǎn)空間位置或結(jié)構(gòu)形式，有效減少施工中的設(shè)計(jì)變更和返工現(xiàn)象的發(fā)生。此外，在設(shè)計(jì)人員處理完碰撞結(jié)果后，需重新對(duì)調(diào)整后的碰撞位置進(jìn)行碰撞檢查，直至確認(rèn)該碰撞問題被徹底解決。如圖5所示，主塔橫梁在模擬碰撞檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)橫向預(yù)應(yīng)力錨具和主塔鋼筋在空間上存在沖突。

3.BIM技術(shù)在斜拉橋施工中的關(guān)鍵應(yīng)用

3.1 施工模擬優(yōu)化

3.1.1 索導(dǎo)管安裝優(yōu)化

圖4 碰撞檢查基本步驟及思路

圖5 預(yù)應(yīng)力錨具和主塔鋼筋的沖突顯示

圖6 索導(dǎo)管模型的切面分析

圖7 鋼筋整體綁扎優(yōu)化

索導(dǎo)管定位安裝是斜拉橋塔柱施工的控制性工程，直接決定整體施工進(jìn)度和效率。常用的安裝方法是：先在勁性骨架上初步定位索導(dǎo)管；然后利用三維坐標(biāo)測(cè)量控制法在塔上進(jìn)行二次精準(zhǔn)定位；最后通過高空焊接作業(yè)將索導(dǎo)管完全固定于勁性骨架上。該安裝方法施工效率低、安裝精度差，難以滿足江灣大橋施工進(jìn)度快和定位精度高的基本要求。依據(jù)有關(guān)技術(shù)參數(shù)測(cè)算結(jié)果可知，江灣大橋塔柱的索導(dǎo)管內(nèi)外切口位置偏差1cm，會(huì)引起主梁拉索位置偏差50～80cm。并且由于受到日照穩(wěn)定、河面反射、塔身曲線斜率等多種因素影響，進(jìn)一步加大索導(dǎo)管精準(zhǔn)定位的難度。針對(duì)索導(dǎo)管定位安裝難的工程現(xiàn)狀，利用BIM技術(shù)對(duì)斜拉橋的主塔模型和索導(dǎo)管模型進(jìn)行施工模擬，并對(duì)模擬后的BIM模型進(jìn)行切面分析，實(shí)現(xiàn)索導(dǎo)管三維坐標(biāo)與勁性骨架位置的精準(zhǔn)匹配，以便準(zhǔn)確計(jì)算出索導(dǎo)管在勁性骨架上的相對(duì)尺寸，如圖6所示。

根據(jù)BIM軟件分析結(jié)果，可直接選定勁性骨架的施工定位標(biāo)注點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)索導(dǎo)管預(yù)先在勁性骨架上精準(zhǔn)放樣，成功將高空三維測(cè)量作業(yè)轉(zhuǎn)化為平面相對(duì)位置精確定位，極大改進(jìn)了安裝精度，保證總體誤差控制在1mm內(nèi)。同時(shí)，索導(dǎo)管和勁性骨架是在制作車間提前加工、組裝完成后，運(yùn)送到施工現(xiàn)場(chǎng)整體吊裝至指定位置，經(jīng)一定微調(diào)后即可快速固定。由此可見，優(yōu)化后的索導(dǎo)管施工工藝可為項(xiàng)目進(jìn)度的順利推進(jìn)提供可靠保障。

3.1.2 鋼筋綁扎優(yōu)化

江灣大橋主塔截面鋼筋間距小、層數(shù)多，不僅易造成鋼筋綁扎困難，施工效率低，也易在綁扎過程中出現(xiàn)與預(yù)埋件、波紋管沖突等情況。若無法在施工開始前及時(shí)發(fā)現(xiàn)、合理避讓，后期易導(dǎo)致鋼筋切割或返工。為提前解決鋼筋綁扎過程中可能會(huì)出現(xiàn)的各種問題，項(xiàng)目部根據(jù)主塔形狀的施工特點(diǎn)，利用BIM可視化的技術(shù)優(yōu)勢(shì)改進(jìn)施工方案，合理調(diào)整鋼筋的綁扎順序及接頭位置。尤其在作業(yè)空間較窄的橫梁附近處，對(duì)橫梁施工工藝進(jìn)行優(yōu)化，提前在鋼筋廠焊接好主筋網(wǎng)片，再運(yùn)送到施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行整體拼裝，如圖7所示。

3.2 質(zhì)量安全協(xié)同管理

針對(duì)斜拉橋施工中存在多種質(zhì)量安全危害因素的工程現(xiàn)狀，梳理出基于BIM技術(shù)的處理思路：借助BIM平臺(tái)在整合數(shù)據(jù)、資源共享、信息反饋等方面的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)時(shí)跟蹤處理項(xiàng)目質(zhì)量安全危害因素，采用手機(jī)、平板等移動(dòng)端將現(xiàn)場(chǎng)收集數(shù)據(jù)共享至BIM云端數(shù)據(jù)庫(kù)；后臺(tái)終端操作人員對(duì)采集的質(zhì)量安全問題進(jìn)行責(zé)任劃定后，通知相關(guān)責(zé)任人限期整改，并將整改結(jié)果上傳到BIM平臺(tái)，經(jīng)確認(rèn)整改合格后自動(dòng)保存歸檔，為后續(xù)質(zhì)量安全問題追溯提供參考資料。

基于上述工作思路，本項(xiàng)目質(zhì)量安全巡檢人員發(fā)現(xiàn)施工中的質(zhì)量安全隱患后，及時(shí)拍攝現(xiàn)場(chǎng)照片上傳BIM信息管理系統(tǒng)，并通過微信、QQ等交流工具聯(lián)系相關(guān)責(zé)任人整改。重大質(zhì)量安全問題須經(jīng)項(xiàng)目經(jīng)理、總工程師等管理層面的論證后，方可實(shí)施整改措施，如圖8所示。如此不僅可保證質(zhì)量安全問題的整改效率和執(zhí)行力度，還能將質(zhì)量安全責(zé)任劃分明確，避免互相推諉。

3.3 可視化技術(shù)交底

采用傳統(tǒng)的口頭交流、卡片指引、文字?jǐn)⑹龅确绞竭M(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)的交底都較晦澀難懂，不利于現(xiàn)場(chǎng)施工人員深入理解施工方案中技術(shù)要點(diǎn)，交底預(yù)期效果差。特別是對(duì)于存在多處復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的多曲面單塔斜拉橋，技術(shù)人員很難將二維圖紙的全部信息簡(jiǎn)單、清晰、直觀地傳遞給施工人員。因此，項(xiàng)目組利用BIM模型可視化的特點(diǎn)直接進(jìn)行三維技術(shù)交底，可最大程度保證交底信息的準(zhǔn)確性與完整性，避免信息傳遞過程中的丟失或失真；同時(shí)借助二維碼技術(shù)將復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的可視化技術(shù)交底視頻保存到施工現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)識(shí)牌中，有助于現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員隨時(shí)隨地掃描二維碼，幫助施工人員及時(shí)準(zhǔn)確了解關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的細(xì)節(jié)構(gòu)造和施工工藝，糾正施工人員不當(dāng)?shù)氖┕ば袨?，保證項(xiàng)目施工質(zhì)量。

圖8 質(zhì)量安全協(xié)同管理框架

4.應(yīng)用問題及策略分析

4.1 應(yīng)用問題總結(jié)

將BIM技術(shù)與復(fù)雜橋梁的建設(shè)充分結(jié)合起來，是未來橋梁工程信息化發(fā)展的必然趨勢(shì)。但目前BIM技術(shù)在復(fù)雜橋梁項(xiàng)目施工中的應(yīng)用仍存在如下問題：

（1）BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化不足?，F(xiàn)階段，我國(guó)有關(guān)BIM系統(tǒng)化、精細(xì)化的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還不完善[11]。在橋梁建設(shè)領(lǐng)域內(nèi)體現(xiàn)尤甚，如缺乏設(shè)計(jì)單位、施工單位、運(yùn)維單位等參建各方統(tǒng)一的交付標(biāo)準(zhǔn)，造成難以實(shí)現(xiàn)BIM模型全壽命周期的應(yīng)用和移交。

（2）技術(shù)人才需求缺口大。借助BIM技術(shù)推動(dòng)橋梁工程建設(shè)向數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中，亟需大量既有專業(yè)技能又了解智能建造技術(shù)的復(fù)合型人才，培養(yǎng)缺口大。

（3）技術(shù)理念的轉(zhuǎn)變尚不充分。原有的二維平面設(shè)計(jì)理念在橋梁技術(shù)人員心中根深蒂固，對(duì)BIM技術(shù)理念的認(rèn)可有待加強(qiáng)，仍存在較多技術(shù)人員僅將數(shù)字化BIM模型作為一種輔助工具使用，缺乏正確認(rèn)識(shí)和深入了解，對(duì)BIM技術(shù)理念的認(rèn)可有待加強(qiáng)。

4.2 應(yīng)用策略分析

為更好促進(jìn)我國(guó)橋梁工程的高質(zhì)量發(fā)展，提升數(shù)字化建造水平，相關(guān)企業(yè)可制定有效策略，加快BIM技術(shù)在橋梁工程中的推廣應(yīng)用。

（1）加快明確橋梁領(lǐng)域統(tǒng)一的BIM編制、交付標(biāo)準(zhǔn)。促進(jìn)BIM技術(shù)全面應(yīng)用于橋梁工程的全壽命周期，充分挖掘BIM技術(shù)潛在的工程價(jià)值。

（2）完善BIM人才培養(yǎng)機(jī)制和團(tuán)隊(duì)建設(shè)。制定中長(zhǎng)期BIM人才培養(yǎng)計(jì)劃，組建專業(yè)化的BIM技術(shù)團(tuán)隊(duì)，為橋梁行業(yè)的信息化發(fā)展儲(chǔ)備人才資源。

（3）加大BIM技術(shù)理念的推廣。以推動(dòng)行業(yè)發(fā)展為目標(biāo)，促進(jìn)各參與單位、各相關(guān)專業(yè)加大對(duì)BIM理念的探討和交流，循序漸進(jìn)地改變當(dāng)前技術(shù)人員的設(shè)計(jì)習(xí)慣和應(yīng)用思路。

5.結(jié)語

本文以廣東省韶關(guān)市江灣大橋項(xiàng)目為背景工程，研究了BIM技術(shù)在多曲面圓拱形單塔斜拉橋施工中的應(yīng)用。根據(jù)斜拉橋的形狀特點(diǎn)和施工難點(diǎn)，在搭建BIM深化模型后，通過碰撞檢查、施工模擬優(yōu)化、質(zhì)量安全協(xié)同管理、可視化技術(shù)交底等協(xié)調(diào)管理方法，成功提煉出基于BIM技術(shù)的多曲面單塔斜拉橋施工應(yīng)用要點(diǎn)，并對(duì)BIM技術(shù)在復(fù)雜橋梁中的應(yīng)用問題及策略進(jìn)行了詳細(xì)分析。研究結(jié)果表明：BIM作為一種信息化技術(shù)手段，不僅能有效降低多曲面圓拱形單塔斜拉橋的施工難度，保障工程進(jìn)度和施工質(zhì)量安全，還對(duì)提高企業(yè)工作效率和精細(xì)化管理水平具有重要意義，為實(shí)現(xiàn)橋梁領(lǐng)域高質(zhì)量建造的發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。