BIM 虛擬施工技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁中的應(yīng)用研究

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裝配式的橋梁因為鋼結(jié)構(gòu)的施工方便以及抗震方面的性能良好，越來越成為工程設(shè)計人員的首選方案之一，但是在另一方面，也有著限制其發(fā)展的問題。第一，裝配式的構(gòu)建大多數(shù)通過工廠預(yù)制的方法獲得，在預(yù)制精度上要求比較高；第二，裝配式的鋼結(jié)構(gòu)橋梁在施工過程中，對于墩和基礎(chǔ)的銜接極其復(fù)雜，為保障現(xiàn)場的施工人員對工程能夠有更準(zhǔn)確地判斷和把握，需要設(shè)計人員與施工人員進行詳細(xì)的技術(shù)溝通。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過建立Revit+Fuzor 模式將BIM 虛擬施工技術(shù)運用到裝配式橋梁施工里，制造出適合橋梁結(jié)構(gòu)的可視化施工模擬體系，并且以實際工程為案例整理總結(jié)模擬過程。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁

在裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁的研究中最重要的就是橋墩與基礎(chǔ)的連接方式。首先要求其具備良好的承重能力和良好的穩(wěn)定性用以承載上部荷載的作用，其次保障現(xiàn)場施工的可操控性與精度。所以，在裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁的施工中，首先通過工廠來預(yù)制鋼構(gòu)件，其次再運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場來采取機械設(shè)備進行拼裝。這種新型施工方式打破了傳統(tǒng)的現(xiàn)澆式施工的局限性，也是未來橋梁的主要建造方法之一。在施工過程中我們主要的研究對象就是橋墩的連接形式與拼裝步驟中的重點與難點，我們需要思考如何讓橋梁結(jié)構(gòu)在復(fù)雜的施工環(huán)境中在現(xiàn)場拼裝作業(yè)能夠有效進行。

1.2 基于BIM 的虛擬施工技術(shù)BIM

用三維數(shù)字技術(shù)當(dāng)基礎(chǔ)，具有強大的三維建模能力，擁有可視化與協(xié)同交互及信息集成等特點。通過BIM 技術(shù)創(chuàng)建結(jié)構(gòu)的三維模型，來實現(xiàn)信息的關(guān)聯(lián)與實時更新。且虛擬施工技術(shù)是在虛擬的環(huán)境基礎(chǔ)上，對施工過程來進行可視化的模擬，由計算機來協(xié)助工作，在不消耗實際資源的狀況下，對施工過程進行預(yù)先的模擬和檢驗[1]。當(dāng)前，在建筑工程中BIM 虛擬的施工技術(shù)擁有一定的應(yīng)用，但是在橋梁工程中應(yīng)用的比較少。

2 虛擬施工技術(shù)框架

2.1 技術(shù)手段

BIM 虛擬施工技術(shù)主要依靠在BIM 平臺的相關(guān)軟件進行，在此文中，將不會再采取固定的Revit+Navisworks 模式，而是用Revit+Fuzor 模式來進行橋梁的施工模擬，如圖1 所示，在剛開始的設(shè)計階段，通過Revit 三維建模軟件，來建立工程中所需要的參數(shù)化模型，同時在該模型對施工過程來進行分析模擬，而且Revit具有極強的交互能力，可以與Fuzor 軟件實現(xiàn)完美的實時互通，通過集成控制來實現(xiàn)信息交流。在施工階段，經(jīng)過Revit 來創(chuàng)建輔助設(shè)施的三維模型，且結(jié)合Fuzor 軟件自帶的施工機械模型來根據(jù)施工方案對場景進行布置，實現(xiàn)施工過程模擬。

2.2 技術(shù)路線

為了將虛擬施工技術(shù)應(yīng)用到裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁中，我們需要在施工方法的可行性和資源成本的合理性以及方案的優(yōu)化這幾個方面下手，為此，我們需要做如下工作:

（1）通過Revit 建模軟件來建立鋼結(jié)構(gòu)橋梁和輔助設(shè)施的三維模型。

（2）把模型載入到Fuzor 施工模擬軟件中，模擬施工環(huán)境與關(guān)鍵施工工藝，分別在橋梁的設(shè)計、施工、運維等階段來進行模擬與檢測，以此檢測工程中的故障。

（3）技術(shù)人員可以在模擬過程中如施工工序不當(dāng)、構(gòu)建碰撞等情況，通過軟件自動發(fā)出的提示來及時的發(fā)現(xiàn)問題并進行更改。

（4）通過Revit+Fuzor 模式來進行橋梁的施工模擬，來進行多個方案的可視化對比，最終確定最優(yōu)施工方案，如圖2 所示。

圖2 優(yōu)化流程圖

3 工程概況

某4 跨連續(xù)梁橋，跨度40m，上部采用工字型鋼板主梁，全橋?qū)挾?2.0m，梁高2200mm，主梁之間的間距2500mm。下部采用獨柱式鋼橋墩，各構(gòu)件采用工廠預(yù)制現(xiàn)場吊裝的形式進行施工，橋墩高度12.2m，蓋梁長12m；墩身截面為箱型截面，寬度為1.8m，并設(shè)有縱向加勁肋，加勁肋的尺寸為220×28；承臺寬度8.5m，厚度2.2m；基礎(chǔ)形式為群樁基礎(chǔ)，樁基直徑為1.2m，墩身與承臺基的連接采用錨桿連接。本文將著重歸納總結(jié)鋼橋墩拼裝等復(fù)雜施工工藝的虛擬施工的實現(xiàn)過程。

3.1 參數(shù)化模型建立

指導(dǎo)施工的前提是模型的建立，通過Revit 建模軟件來建立橋墩和輔助設(shè)施的模型，通過將橋墩模型與設(shè)施模型相集成，再導(dǎo)入到實際的地形，用于實際工程的指導(dǎo)。在本橋的建模中，最重要的就是對橋墩與基礎(chǔ)連接處的處理。在此工程的鋼橋墩與混凝土承臺采用帶有鋼錨板加強板的連接方式，此方式需要在工廠預(yù)制精度較高的留有錨桿孔的橋墩外環(huán)板、預(yù)埋在基礎(chǔ)中的加強板和固定于板上的錨桿，所以必須準(zhǔn)確建模。因為已有眾多學(xué)者進行研究利用Revit 軟件進行參數(shù)化建模過程，所以本文不再闡述創(chuàng)建完成的橋墩模型[2]。

3.2 虛擬施工

隨著BIM 技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生了一種基于Revit 的插件就是Fuzor 施工模擬軟件，F(xiàn)uzor 不僅擁有與Navisworks 相同的碰撞檢測功能，而且能與Revit 實現(xiàn)雙向互通，還能夠以動畫的方式實現(xiàn)對施工工程的檢測和模擬。為了能彌補傳統(tǒng)虛擬施工模擬方法的弊端，通過來建立Revit+Fuzor 模式進行可視化的虛擬施工模擬。在施工組織設(shè)計階段，利用Fuzor 軟件中三維可視化技術(shù)，通過Revit 中點擊“LaunchFuzor”將創(chuàng)建完成的模型載入到Fuzor 軟件中對模型進行虛擬檢測，通過檢測來探查設(shè)計圖紙是否出現(xiàn)漏、錯、碰等問題。如果發(fā)現(xiàn)問題可同時進行實時更改并雙向同步來深化設(shè)計的整體布局。在現(xiàn)場的施工階段，F(xiàn)uzor 軟件可以實現(xiàn)一模多用，如何應(yīng)用有如下幾個方面：

（1）技術(shù)交底。對模型的檢查完成后，需要對施工方進行技術(shù)上的溝通，為了讓施工方更加明白施工流程與設(shè)計意圖，需按照施工工序添加時間信息并制定構(gòu)件運動關(guān)系，根據(jù)施工進度計劃進行技術(shù)交底。

（2）三維場布。為了讓施工順利進行，需要在實際施工之前，根據(jù)施工場地與施工情況來進行科學(xué)的合理的場地模擬布置。

（3）復(fù)雜工藝指導(dǎo)施工。在施工過程中，對于容易導(dǎo)致施工人員理解不清晰的復(fù)雜工藝，可以利用虛擬動畫進行預(yù)先了解學(xué)習(xí)，明白它的施工工藝。該工程下部結(jié)構(gòu)中的橋墩與基礎(chǔ)的連接作為復(fù)雜技術(shù)，它的施工方式就是將鋼板橋墩的外環(huán)板與澆筑與混凝土承臺中的帶有鋼錨桿的加強板連接。為了讓施工人員充分理解，可以將它的施工工藝進行動畫模擬來準(zhǔn)確地指導(dǎo)施工[3]。

（4）路徑模擬。為了可以有效地避免施工中的安全隱患，可以利用直觀的三維動畫對進場的構(gòu)件進行路徑模擬。在橋梁裝配式施工場地中，大型構(gòu)件的進場與吊裝對施工路線要求較高，尤其需要確定吊車的工作范圍，驗證吊車的行進和轉(zhuǎn)動是否會與現(xiàn)場環(huán)境、已裝配好的橋梁構(gòu)件、支架等發(fā)生碰撞。

4 結(jié)語

（1）為了滿足綠色施工的理念，裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁由于其構(gòu)件工廠預(yù)制現(xiàn)場吊裝的施工方式，可以減少現(xiàn)場濕作業(yè)；因為BIM的虛擬施工技術(shù)擁有可視化、協(xié)同交互、信息集成等特點，可以在現(xiàn)場施工之前預(yù)先對施工的過程進行提前預(yù)演來提高施工效率，因此將二者的集成應(yīng)用到實際工程中，對橋梁事業(yè)的發(fā)展注入了新的動力。

（2）對于采用Revit+Fuzor 模式建立適用于橋梁結(jié)構(gòu)的可視化施工模擬體系的一般方法。其中包括Revit 建模、Fuzor 可視化分析、優(yōu)化調(diào)整等步驟。

（3）Revit+Fuzor 模式可應(yīng)用于橋梁的整個生命周期，進而實現(xiàn)設(shè)計與施工以及運維階段的信息共享。

尤其在橋梁施工階段，為了有效地保證了施工安全，節(jié)約施工成本，F(xiàn)uzor 軟件在技術(shù)交底、三維場布、復(fù)雜工藝指導(dǎo)施工、進場模擬等方面實現(xiàn)了全面覆蓋。

（4）以某實際工程為例，詳細(xì)介紹了將BIM 虛擬施工技術(shù)應(yīng)用到裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁的施工中，可以有效地減少現(xiàn)場施工隱患。經(jīng)過對橋墩構(gòu)件的精準(zhǔn)參數(shù)化建模，不僅滿足了預(yù)制構(gòu)件的精度要求，還實現(xiàn)了裝配式鋼橋墩施工關(guān)鍵技術(shù)的模擬和優(yōu)化，來確保施工的質(zhì)量，提高施工的效率。