高鐵連續(xù)梁橋BIM參數(shù)化建模及其工程應(yīng)用

何祥平， 王浩， 郜輝， 茅建校， 郎天翼， 王飛球

(1.東南大學(xué) 混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211189； 2.中鐵二十四局集團(tuán)江蘇工程有限公司，江蘇 南京 210038)

大規(guī)模的高速鐵路建設(shè)滿足了人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的交通需求，促進(jìn)了鐵路交通事業(yè)與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1-2]。高速鐵路建設(shè)多采用“以橋代路”方式來(lái)提升線路的平順性和安全性。以滬杭高鐵和京滬高鐵為例，其橋梁里程分別約占總里程的90%和80%[3]。大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋是高鐵橋梁的重要結(jié)構(gòu)形式[4]，具有力學(xué)性能優(yōu)異、平順性與穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。但高鐵連續(xù)梁橋粗放式的施工管理模式制約了橋梁建設(shè)向信息化、數(shù)字化建造方向的發(fā)展，橋梁施工管控水平有待提高。

近年來(lái)，建筑信息模型(building information modeling, BIM)的發(fā)展為提升橋梁施工管理信息化水平提供了有效手段。依托互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等計(jì)算機(jī)技術(shù)，建立項(xiàng)目三維模型可實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程管理的可視化，解決工程結(jié)構(gòu)在勘察、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等環(huán)節(jié)效率低下、配合不利的問(wèn)題[5]。在橋梁工程領(lǐng)域，BIM技術(shù)的典型應(yīng)用主要包括：BIM建模與橋梁正向設(shè)計(jì)[6-8]、有限元軟件交互[9-10]、施工過(guò)程模擬[11-12]、可視化交底[8,13]、數(shù)字化監(jiān)測(cè)和運(yùn)維[14-17]等。其中，參數(shù)化設(shè)計(jì)、構(gòu)件關(guān)聯(lián)性設(shè)計(jì)、參數(shù)驅(qū)動(dòng)形體設(shè)計(jì)是BIM建模與橋梁正向設(shè)計(jì)的主要特征。但橋梁BIM模型具有種類少、數(shù)量多、空間位置復(fù)雜的特點(diǎn)，逐一建模方式存在模型利用率低、建模工作量大、信息傳遞效率低等問(wèn)題[18-19]，不能充分發(fā)揮BIM參數(shù)化和信息集成特性的優(yōu)勢(shì)。此外，BIM技術(shù)在橋梁施工過(guò)程中的應(yīng)用也有待進(jìn)一步研究。

為此，本文以連徐高速鐵路新沂河特大橋?yàn)楣こ瘫尘埃⒘艘环N基于BIM技術(shù)的高鐵連續(xù)梁橋參數(shù)化快速建模方法，并開展了BIM模型在預(yù)應(yīng)力孔道放樣、滿堂支架施工等方面的工程應(yīng)用研究，成果可為提升高鐵連續(xù)梁橋建設(shè)信息化水平提供重要參考。

1 高鐵連續(xù)梁橋參數(shù)化建模方法

針對(duì)高鐵連續(xù)梁橋逐一建模方式的模型重復(fù)利用性差、建模效率低等不足，建立了一種基于BIM技術(shù)的高鐵連續(xù)梁橋參數(shù)化快速建模方法。其基本思想是將橋梁通用構(gòu)件的形體、材質(zhì)等信息參數(shù)化，通過(guò)修改關(guān)鍵參數(shù)實(shí)現(xiàn)同類構(gòu)件的快速建模，提升高鐵連續(xù)梁橋的整體建模效率。該方法的基本流程如圖1所示，主要包括以下步驟：1)將橋梁結(jié)構(gòu)及施工機(jī)械按照施工方式、施工階段等不同原則進(jìn)行模塊化分解；2)明確各構(gòu)件的控制參數(shù)(尺寸、形狀、材質(zhì)、數(shù)量等)以及結(jié)構(gòu)關(guān)系，初步建立橋梁結(jié)構(gòu)及施工機(jī)械的參數(shù)化“族”；3)調(diào)試參數(shù)化“族”模型，建立橋梁結(jié)構(gòu)及施工機(jī)械的參數(shù)化族庫(kù)。在完善橋梁主要構(gòu)件參數(shù)化族庫(kù)后，即可快速集成橋梁結(jié)構(gòu)模型，具體流程如圖2所示。

圖1 高鐵連續(xù)梁族庫(kù)的BIM參數(shù)化建模流程Fig.1 Parametric modeling process of family library of high-speed railway continuous beam bridges using BIM

圖2 橋梁結(jié)構(gòu)模型快速集成Fig.2 Rapid integration of bridge structure model

2 工程背景與建模實(shí)例

2.1 工程背景

以圖3(a)所示的連徐鐵路新沂河特大橋跨徑布置為(40+72+40) m的連續(xù)梁建模為例，該橋上部結(jié)構(gòu)為單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，具有直腹板、變截面、變高度的特點(diǎn)，施工示意圖見圖3(b)。0號(hào)塊臨時(shí)固結(jié)施工形成“T”構(gòu)后，采用三角掛籃和滿堂支架進(jìn)行對(duì)稱懸臂現(xiàn)澆施工。

圖3 連徐高鐵新沂河特大橋Fig.3 The Xinyi River Bridge of Lian-Xu High-speed Railway

連續(xù)梁各節(jié)段的截面高度、底板厚度等隨著橋梁底部曲率而變化，需分節(jié)段建模提升建模效率。節(jié)段尺寸之間的幾何關(guān)系可通過(guò)設(shè)置控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)橋梁構(gòu)件的快速建模，節(jié)約連續(xù)梁橋BIM模型的建模時(shí)間，提高工作效率。

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)化族

2.2.1 箱梁節(jié)段參數(shù)化族

連續(xù)梁橋上部單箱單室箱梁分為多個(gè)節(jié)段，除0號(hào)塊外，各節(jié)段結(jié)構(gòu)形式相同，頂板厚度與腹板厚度一致，僅尺寸存在差異，因此可建立除0號(hào)塊外的箱梁節(jié)段參數(shù)化族模型，0號(hào)塊仍單獨(dú)建模。為實(shí)現(xiàn)箱梁節(jié)段參數(shù)化建模，對(duì)模型進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化處理，如不考慮箱梁頂部的雙向橫坡與內(nèi)部的齒塊，將每節(jié)段的截面高度與底板厚度視為線性變化。在此基礎(chǔ)上，將箱梁長(zhǎng)度、截面高度、頂板厚度、底板厚度和腹板厚度等幾何信息作為建模參數(shù)，建立箱梁節(jié)段參數(shù)化族，如圖4所示。以Autodesk Revit族為例，具體建模步驟包括：1)在“族”編輯器中，設(shè)置布局參照平面；2)根據(jù)圖紙?zhí)攸c(diǎn)，添加模型尺寸標(biāo)注及標(biāo)簽；3)繪制幾何圖形并鎖定到參照面；4)設(shè)置“族”屬性，包括參數(shù)命名、參數(shù)計(jì)算公式、參數(shù)單位等。

圖4 箱梁節(jié)段參數(shù)化族及結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Parametric family and structural model of beam segments

2.2.2 下部結(jié)構(gòu)參數(shù)化族

連續(xù)梁橋下部結(jié)構(gòu)主要包括橋墩、承臺(tái)和樁基，橋梁橋墩往往采用相同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)橋梁圖紙?jiān)O(shè)計(jì)特點(diǎn)，在建模時(shí)可選擇建立橋墩-承臺(tái)-樁基一體化族，以節(jié)省橋梁其他位置下部結(jié)構(gòu)的建模時(shí)間。橋墩-承臺(tái)-樁基一體化族由圓端實(shí)體形橋墩、矩形承臺(tái)和鉆孔灌注樁組成，其建模參數(shù)為圓端實(shí)體形橋墩的截面高度、承臺(tái)順橋向長(zhǎng)度、承臺(tái)橫橋向長(zhǎng)度、承臺(tái)高度、樁基長(zhǎng)度、樁基直徑、樁基數(shù)量等，如圖5所示。

圖5 橋墩-承臺(tái)-樁基一體化族Fig.5 Integrated family of pier-cap-pile foundation

2.2.3 連續(xù)梁預(yù)應(yīng)力鋼絞線參數(shù)化族

預(yù)應(yīng)力鋼絞線建模是整個(gè)橋梁建模過(guò)程中工作量最大的。預(yù)應(yīng)力鋼絞線不僅數(shù)量多，其尺寸和位置也隨箱梁節(jié)段截面不斷變化而變化，采用參數(shù)化建模方式，以箱梁節(jié)段截面為參照平面建模，可以很大程度上節(jié)約建模工作量和建模時(shí)間。

圖6為建立的預(yù)應(yīng)力鋼絞線參數(shù)化族，根據(jù)布設(shè)形式，建模方法有以下2種：1)對(duì)于布設(shè)形式為平面曲線的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，直接導(dǎo)入鋼絞線線形，利用常規(guī)族進(jìn)行建模；2)對(duì)于布設(shè)形式為空間曲線的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，通過(guò)對(duì)平曲線和豎曲線拉伸出的平面做差集運(yùn)算獲得空間曲線，建立鋼絞線線形后再進(jìn)行建模。

圖6 預(yù)應(yīng)力鋼絞線參數(shù)化族Fig.6 Parametric family of prestressed steel strands

2.3 施工機(jī)械參數(shù)化族

2.3.1 三角掛籃參數(shù)化族

三角掛籃是連續(xù)梁橋平衡懸臂現(xiàn)澆法施工中的重要機(jī)械設(shè)備，主要由主桁及橫聯(lián)、側(cè)模架、內(nèi)模架和底模架等組成。對(duì)于采用相同結(jié)構(gòu)形式三角掛籃進(jìn)行懸臂現(xiàn)澆施工的同類型連續(xù)梁橋，可將三角掛籃的主桁間距作為參數(shù)化建模的控制參數(shù)，通過(guò)修改主桁間距快速建立三角掛籃的BIM模型，如圖7所示。

圖7 三角掛籃參數(shù)化族Fig.7 Parametric family of triangular hanging basket

2.3.2 貝雷架參數(shù)化族

貝雷架是用來(lái)搭設(shè)鋼棧橋、滿堂支架平臺(tái)等支護(hù)設(shè)施的關(guān)鍵構(gòu)件。其結(jié)構(gòu)尺寸固定，通過(guò)拼接組成更大型結(jié)構(gòu)或平臺(tái)，因此宜將貝雷架的橫向數(shù)量和縱向數(shù)量作為參數(shù)化建模的控制參數(shù)，通過(guò)修改橫向數(shù)量和縱向數(shù)量可建立貝雷架參數(shù)化模型，如圖8所示。

圖8 貝雷架參數(shù)化族Fig.8 Parametric family of bailey rack

2.4 連續(xù)梁橋模型與施工現(xiàn)場(chǎng)整體模型

2.4.1 連續(xù)梁橋模型

依據(jù)施工圖紙和施工方案，以橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)化族為基礎(chǔ)，建立如圖9所示的高鐵連續(xù)梁橋整體結(jié)構(gòu)模型。連續(xù)梁上部結(jié)構(gòu)除0號(hào)節(jié)段單獨(dú)建模外，其他節(jié)段以參數(shù)化族為基礎(chǔ)，將施工節(jié)段信息導(dǎo)入后直接生成上部結(jié)構(gòu)模型。下部結(jié)構(gòu)以橋墩-承臺(tái)-樁基一體化族為基礎(chǔ)進(jìn)行參數(shù)化建模。

圖9 連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)模型Fig.9 Structural model of continuous beam bridge

在高鐵建設(shè)中，同一線路不同橋址的連續(xù)梁橋通常采用相同的結(jié)構(gòu)形式與施工方法，因此上述針對(duì)(40+72+40) m連續(xù)梁的參數(shù)化建模方法可應(yīng)用于同類型的其他連續(xù)梁橋，縮短同類模型的建模時(shí)間，降低重復(fù)性工作，并保證幾何和材料上的信息一致性，從而發(fā)揮參數(shù)化建模的真正作用。

2.4.2 施工現(xiàn)場(chǎng)整體模型

在完成連續(xù)梁模型的建?；A(chǔ)上，通過(guò)添加施工機(jī)械模型(包括三角掛籃、貝雷架、支架等)、施工場(chǎng)地模型(包括農(nóng)田、灘涂等)，即可建立施工現(xiàn)場(chǎng)整體模型，如圖10所示。基于施工現(xiàn)場(chǎng)整體模型，可直觀展示大跨度連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)，提升橋梁施工方案可視化表達(dá)效果，為施工各方溝通提供三維虛擬施工環(huán)境。

圖10 橋梁現(xiàn)場(chǎng)整體模型Fig.10 Corporate model of construction site

3 施工階段BIM技術(shù)典型應(yīng)用

預(yù)應(yīng)力施工和滿堂支架施工是大跨度混凝土連續(xù)梁橋施工中的重要環(huán)節(jié)。為提升預(yù)應(yīng)力孔道放樣的精準(zhǔn)度、優(yōu)化滿堂支架施工方案的表達(dá)效果，基于建立的橋梁模型，開展了BIM模型在預(yù)應(yīng)力孔道放樣、滿堂支架施工等方面的工程應(yīng)用研究。

3.1 預(yù)應(yīng)力孔道放樣

預(yù)應(yīng)力混凝土施工過(guò)程中，應(yīng)在穿設(shè)鋼絞線前，按照設(shè)計(jì)的孔道坐標(biāo)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力孔道放樣，以保證預(yù)應(yīng)力鋼束的線形，使預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁建成后處于全截面受壓狀態(tài)，進(jìn)而保障現(xiàn)場(chǎng)施工安全和橋梁運(yùn)營(yíng)壽命。

目前，預(yù)應(yīng)力孔道的放樣主要依據(jù)二維施工圖紙，在實(shí)際施工時(shí)常存在以下2個(gè)方面問(wèn)題：1)橋梁施工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)時(shí)僅包含部分施工截面的預(yù)應(yīng)力孔道放樣圖，在指導(dǎo)施工時(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力；2)當(dāng)預(yù)應(yīng)力曲線布設(shè)為空間曲線時(shí)，需根據(jù)圖紙中的平曲線和豎曲線協(xié)調(diào)量測(cè)，工作量大且容易出錯(cuò)。

針對(duì)預(yù)應(yīng)力孔道放樣工序中存在的問(wèn)題，基于BIM模型對(duì)預(yù)應(yīng)力孔道放樣施工進(jìn)行了優(yōu)化，其流程如圖11所示，具體包括以下3個(gè)步驟：1)校核橋梁上部結(jié)構(gòu)模型以及預(yù)應(yīng)力孔道模型；2)定位關(guān)鍵剖面，包括箱梁節(jié)段端部截面、預(yù)應(yīng)力曲線起/終彎截面等；3)剖切關(guān)鍵截面并標(biāo)注孔道位置，進(jìn)而輸出預(yù)應(yīng)力孔道放樣圖。

圖11 基于BIM的預(yù)應(yīng)力孔道放樣流程Fig.11 Flowchart of prestressed ducts lofting based on BIM

工程實(shí)踐表明，通過(guò)輸出所有關(guān)鍵剖面的孔道放樣圖，可提高空間曲線預(yù)應(yīng)力孔道的放樣精準(zhǔn)度，彌補(bǔ)傳統(tǒng)施工模式對(duì)施工人員自身經(jīng)驗(yàn)的依賴性帶來(lái)的作業(yè)精度和效率低下等不足。

3.2 滿堂支架施工及工程量計(jì)算

滿堂支架由多種不同型號(hào)的桿件搭設(shè)而成，準(zhǔn)確高效地表達(dá)滿堂支架施工方案有利于保證施工期間滿堂支架的結(jié)構(gòu)安全。考慮到不同桿件構(gòu)造相似，除材質(zhì)不同外，僅尺寸存在差異，在滿堂支架建模時(shí)將內(nèi)外直徑、桿長(zhǎng)等構(gòu)件尺寸作為主要控制參數(shù)，輔以材質(zhì)顏色，以快速建立不同型號(hào)及規(guī)格的桿件模型。如圖12所示，將立桿1.5、1.0 m和橫桿0.9、0.6 m分別采用不同顏色區(qū)分，工程應(yīng)用表明上述方法能高效表達(dá)滿堂支架搭設(shè)方案，提高施工效率。

圖12 滿堂支架建模示例Fig.12 Examples of full scaffold modeling

此外，在進(jìn)行物資采購(gòu)與工程款結(jié)算時(shí)，需精準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)滿堂支架施工所用桿件的型號(hào)、數(shù)量。利用軟件明細(xì)表中“明細(xì)表/數(shù)量”和“材質(zhì)提取”功能，依據(jù)構(gòu)件規(guī)格、材質(zhì)進(jìn)行分類、分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)支架工程數(shù)量，如圖13所示，以盤扣式腳手架1.5 m立桿為例，統(tǒng)計(jì)出整個(gè)工程共計(jì)7 548根，進(jìn)而為橋梁施工的物資采購(gòu)、工程款結(jié)算提供了精準(zhǔn)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了滿堂支架施工過(guò)程中的成本控制。

圖13 支架工程量統(tǒng)計(jì)Fig.13 Statistics of scaffold engineering quantity

4 結(jié)論

1)基于BIM的參數(shù)化建模方法適用于高鐵連續(xù)梁橋，通過(guò)完善高鐵連續(xù)梁橋的BIM參數(shù)化族庫(kù)，可減少建模工作量，提升建模效率，還能將建立的參數(shù)化族庫(kù)直接應(yīng)用于同類工程；

2)將BIM模型與預(yù)應(yīng)力孔道放樣結(jié)合，提升了包括空間曲線形式在內(nèi)的預(yù)應(yīng)力孔道放樣定位的精準(zhǔn)度與效率；

3)通過(guò)材質(zhì)、幾何信息區(qū)分不同型號(hào)及規(guī)格的支架桿件，提升了滿堂支架施工方案的表達(dá)效果，同時(shí)可以高效便捷地計(jì)算滿堂支架施工的工程量；

后續(xù)將進(jìn)一步推廣本文BIM參數(shù)化建模方法在其他施工方面的工程應(yīng)用，如裝配式工程施工、施工進(jìn)度精細(xì)化控制等，為提高BIM技術(shù)在施工階段的應(yīng)用水平提供參考。