BIM技術(shù)在裝配式橋梁設(shè)計(jì)與施工中的應(yīng)用

繆學(xué)勇

(蘭州有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

1 BIM技術(shù)概述

BIM技術(shù)是基于三維數(shù)字化模型綜合建設(shè)項(xiàng)目過程控制信息，并應(yīng)用信息化模型對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維管理，具有可視化、參數(shù)化、協(xié)調(diào)化、模擬化等特征。

1)可視化。BIM是一種新型設(shè)計(jì)理念，使設(shè)計(jì)方法從CAD圖紙?jiān)O(shè)計(jì)時(shí)代轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｐ驮O(shè)計(jì)時(shí)代，利用BIM軟件可以構(gòu)建數(shù)字化橋梁模型，為可視化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)，以便后續(xù)分析結(jié)構(gòu)、碰撞檢測(cè)、模擬施工等工作順利進(jìn)行。橋梁設(shè)計(jì)中應(yīng)用BIM技術(shù)可視化特征可以將構(gòu)建信息立體展現(xiàn)出來，清晰表述各個(gè)構(gòu)件關(guān)系，有利于復(fù)雜構(gòu)件設(shè)計(jì)，可以提高項(xiàng)目交流溝通效率，提供準(zhǔn)確決策參考意見。

2)參數(shù)化。橋梁設(shè)計(jì)時(shí)需要反復(fù)修改優(yōu)化，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)需要花費(fèi)大量精力修改，尤其是大型橋梁十分明顯，導(dǎo)致時(shí)間成本增加。而采用BIM技術(shù)設(shè)計(jì)橋梁可以利用參數(shù)化建模方式將結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)合起來，只需要修改其中一個(gè)參數(shù)就可以自動(dòng)調(diào)整其他參數(shù)，在優(yōu)化目標(biāo)的同時(shí)修改模型信息，節(jié)省設(shè)計(jì)人員的時(shí)間與精力，提高工作效率，降低設(shè)計(jì)出錯(cuò)率[1]。

3)協(xié)同化。隨著BIM技術(shù)發(fā)展，設(shè)計(jì)人員可以利用該技術(shù)迅速完成工作，并通過協(xié)同化特征改善傳統(tǒng)設(shè)計(jì)問題，體現(xiàn)信息化設(shè)計(jì)理念。在橋梁設(shè)計(jì)中，由于橋梁項(xiàng)目涉及多個(gè)專業(yè)，通過BIM設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以在同一平臺(tái)數(shù)據(jù)層中對(duì)不同專業(yè)進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)，在確保不干涉其他數(shù)據(jù)的情況下實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)模型，利用協(xié)同設(shè)計(jì)管理平臺(tái)，提高數(shù)據(jù)管理效率，也能夠幫助管理者迅速?zèng)Q策。

4)模擬化。BIM的模擬化特征主要體現(xiàn)在建筑模型設(shè)計(jì)中，其可以模擬一些現(xiàn)實(shí)生活中可能存在的現(xiàn)象。在橋梁設(shè)計(jì)中利用三維立體圖打造3D建筑模型，通過BIM摸擬測(cè)試施工中的安全事故，并利用4D模擬降低建筑成本。

2 裝配式橋梁設(shè)計(jì)與施工應(yīng)用BIM技術(shù)優(yōu)勢(shì)

裝配式橋梁建設(shè)過程中，數(shù)據(jù)人員通過應(yīng)用BIM技術(shù)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)信息，幫助設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)圖紙，提高施工方案設(shè)計(jì)效率。通過BIM技術(shù)創(chuàng)建裝配式交流模型，以便管理人員動(dòng)態(tài)了解施工情況，方便管理工程。同時(shí)，利用BIM技術(shù)也能夠提高工程建設(shè)安全性，實(shí)時(shí)監(jiān)控施工問題，控制建設(shè)資金，實(shí)現(xiàn)科學(xué)預(yù)算?？傊?，裝配式橋梁工程建設(shè)通過應(yīng)用BIM技術(shù)可以間接增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。而利用BIM技術(shù)優(yōu)勢(shì)特征能夠拓展溝通渠道，讓工程建設(shè)過程中的投資方案以及構(gòu)建數(shù)據(jù)更科學(xué)準(zhǔn)確[2]。同時(shí)，通過BIM技術(shù)構(gòu)建裝配式橋梁模型也能夠幫助設(shè)計(jì)和施工人員完成工作，提高橋梁建設(shè)施工水平，有利于迅速完成橋梁建設(shè)，推動(dòng)裝配式橋梁行業(yè)發(fā)展。

3 BIM技術(shù)在裝配式橋梁設(shè)計(jì)施工中的具體應(yīng)用

3.1 工程概述

某工程為裝配式橋梁，凈跨徑145 m，橋梁整體長(zhǎng)度為287 m，其中人行道2 m，機(jī)動(dòng)車道8.5 m。該橋梁中，主橋斷面為裝配式單箱五式，規(guī)格為2.8 m×8.3 m，凈跨徑145 m，凈矢高為35 m，凈矢跨比1∶ 4.14，主橋采用拱軸線，系數(shù)在1.9左右。主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土密肋式T梁，長(zhǎng)高為12.16 m和0.85 m，預(yù)制中梁寬和厚為1 m和0.16 m，T梁采用低松弛鋼絞線和C50混凝土澆筑，橋面橫坡采用蓋梁，拱上立柱間距在6.4 m左右。預(yù)制拱箱頂板與底板寬度都為1.5 m。安裝完拱圈后進(jìn)行接頭焊接，之后澆筑混凝土使拱圈完整化。按照7個(gè)階段分別吊裝，臺(tái)座采用C25混凝土澆筑，預(yù)制拱箱放在承梁臺(tái)架上，卸荷前在臺(tái)架上放上方形枕木支撐拱箱端頭。

3.2 設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.2.1 構(gòu)建橋梁模型

該橋梁采用BIM技術(shù)設(shè)計(jì)模型，采用Revit軟件，從中選擇樣板導(dǎo)入CAD形狀，并添加參數(shù)，輸入尺寸標(biāo)注樣式，見圖1。在樣板中繪制測(cè)量橋梁截面面，通過拉伸功能得到拱座族。蓋梁制作時(shí)，將其分為兩個(gè)構(gòu)件組，兩組載入其中，選擇構(gòu)件放置，進(jìn)而得到蓋梁族，見圖2。

圖1 尺寸修改

圖2 族樣板

在預(yù)制拱箱時(shí)，隔橫板是重要構(gòu)件，二者形成整體，主拱圈根據(jù)CAD段線可以分成不同節(jié)段，最終逐一采用放置法構(gòu)建主拱圈。除了常規(guī)構(gòu)件外，還需要構(gòu)建其他模型，例如吊車、水泥罐車等，該軟件具有豐富族庫，并與3D max等軟件互相聯(lián)結(jié)，可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)用族庫中的模型，并導(dǎo)入到軟件中，節(jié)省模型建立時(shí)間[3]。

該橋梁模型主拱圈、墊梁等都實(shí)行梁?jiǎn)卧M，同時(shí)予以實(shí)際參數(shù)模擬合龍方式和線形。吊裝拱箱時(shí)，扣索使用受拉桁架單元模擬，如圖3為設(shè)計(jì)圖紙上的模型。

圖3 設(shè)計(jì)圖紙模型

根據(jù)該其橋梁施工要點(diǎn)和設(shè)計(jì)圖紙流程，各構(gòu)件通過逐步激活方式模擬，模擬使用單箱合龍，也就是先對(duì)稱吊裝拱腳段，并激活拱腳約束、扣索，之后吊裝、扣掛拱箱，合龍后再安裝施工其他構(gòu)件[4]?；诠こ瘫尘埃狙芯抗步ㄔO(shè)3條線形，利用BIM技術(shù)實(shí)測(cè)模擬拱圈，得到結(jié)果如圖4所示，同時(shí)計(jì)算扣索，所得結(jié)果見表1，可得扣索安全性均超過3，則表示方案可行。采用C50混凝土?xí)r，軸心抗壓強(qiáng)度預(yù)期數(shù)值為22.4，抗拉強(qiáng)度為1.8，通過分析拱箱可以遵循該設(shè)計(jì)施工，安裝受力安全。

圖4 實(shí)測(cè)模擬圖

表1 合龍時(shí)扣索計(jì)算結(jié)果 單位：kN

表2 各階段拱肋內(nèi)力和強(qiáng)度結(jié)果

3.2.2 預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)

該橋梁影響因素較多，在預(yù)制施工時(shí)拱箱頂板出現(xiàn)裂縫，本文通過構(gòu)件開發(fā)平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行有限元分析，尋找裂縫出現(xiàn)原因，并根據(jù)BIM技術(shù)提出施工意見。該橋梁采用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，結(jié)合BIM Revit軟件所創(chuàng)建的預(yù)制構(gòu)件模型演示，建立截面、橫隔板、拱箱接頭等模型，對(duì)其進(jìn)行有限元分析。在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)其中存在的問題，預(yù)制構(gòu)件受到日照溫度、安裝偏差等影響出現(xiàn)裂紋，在有限元分析中，對(duì)偏位維系主要分析構(gòu)件對(duì)頂板受力影響，采用荷載模擬偏位，利用Revit模型標(biāo)注分析對(duì)象，計(jì)算不同工況數(shù)值，觀察控制點(diǎn)位移情況，進(jìn)而確定安裝偏位對(duì)頂板產(chǎn)生的影響。對(duì)此，采用BIM技術(shù)對(duì)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行高精度監(jiān)控施工。

該橋梁中，鋼筋布設(shè)采用Revit中的鋼筋模型模板，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)這些模板進(jìn)行配筋工作，利用BIM可視化特征在布設(shè)鋼筋時(shí)進(jìn)行碰撞檢驗(yàn)，以便設(shè)計(jì)人員完成鋼筋設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)時(shí)，該軟件可以提供多種預(yù)制鋼筋模板以便設(shè)計(jì)人員使用，這些預(yù)制模板可以分為不同類型，例如形狀固定類型、受平面限制類型、隨曲面變化類型等，在選定模板之后創(chuàng)新鋼筋，通過軟件選定型號(hào)、位置、彎折半徑等參數(shù)通過陳列命令規(guī)定鋼筋數(shù)量和間距，進(jìn)而創(chuàng)建鋼筋三維模型。在設(shè)計(jì)命令中，通過碰撞檢查構(gòu)件的鋼筋模型檢測(cè)內(nèi)部部件是否完善，檢測(cè)碰撞時(shí)分別選中其中的兩組元素進(jìn)行檢驗(yàn)，完成后表示碰撞位置，之后點(diǎn)擊播放鍵查看具體位置。完整碰撞修改后選擇對(duì)象并導(dǎo)出報(bào)表，其中包含鋼筋型號(hào)、規(guī)格等信息。

不同構(gòu)件在平面圖紙上彼此獨(dú)立，沖突難以發(fā)現(xiàn)，為了保證預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量和施工順利，利用BIM技術(shù)確定各構(gòu)件位置后需要對(duì)其進(jìn)行碰撞檢查，對(duì)模型進(jìn)行可視化集成分析，使其能夠在統(tǒng)一坐標(biāo)系下根據(jù)尺寸構(gòu)建橋梁構(gòu)件模型，直觀觀察碰撞點(diǎn)信息，并由設(shè)計(jì)人員負(fù)責(zé)修改碰撞，避免施工返工，提高施工效率。

3.3 施工應(yīng)用

該橋梁施工過程中涉及的預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)操作較多，其通過應(yīng)用BIM軟件可以優(yōu)化流程，確保施工安全。實(shí)際操作時(shí)，根據(jù)BIM軟件中的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)人員結(jié)合橋梁特征共享數(shù)據(jù)，施工人員可以根據(jù)系統(tǒng)所提供的構(gòu)件規(guī)格和尺寸分析保障預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量，同時(shí)在橋梁施工中應(yīng)用BIM技術(shù)通過制定現(xiàn)場(chǎng)方案定位檢查預(yù)制構(gòu)件，確保各構(gòu)件信息一致，減少構(gòu)件誤用問題，提高施工質(zhì)量水平，并根據(jù)該工程特征對(duì)施工順序進(jìn)行模擬測(cè)試，利用BIM技術(shù)模擬裝配式施工，可以保障施工質(zhì)量，準(zhǔn)確定位預(yù)制組件，避免組件丟失或誤用，提高施工水平，施工人員根據(jù)軟件模擬結(jié)果進(jìn)行實(shí)際施工，可以減少施工問題發(fā)生，縮短施工周期，控制施工成本進(jìn)度和質(zhì)量。

在拱箱預(yù)制施工過程中，利用BIM技術(shù)可以把控施工過程。施工前，利用BIM技術(shù)可以生成BIM大數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行分析。GIS平臺(tái)可以整合地理信息并將勘察數(shù)據(jù)統(tǒng)一平臺(tái)上，二者協(xié)同預(yù)演施工過程，確定場(chǎng)地布置，以便后續(xù)施工。臺(tái)座施工前需要設(shè)計(jì)人員復(fù)核設(shè)計(jì)圖并計(jì)算放樣數(shù)據(jù)，利用三維掃描技術(shù)與BIM信息模型結(jié)合將施工實(shí)際和設(shè)計(jì)差異顯示出來，并做出修正。預(yù)制拱箱臺(tái)座施工采用泥結(jié)碎石填心，周邊為混凝土砌筑，表面按照線形設(shè)計(jì)成預(yù)拱，同時(shí)進(jìn)行處理，檢驗(yàn)合格才能夠使用。完成后，進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

腹板和橫隔板預(yù)制施工過程中，由于構(gòu)件設(shè)計(jì)數(shù)量多，需要保證施工質(zhì)量。腹板與橫隔板實(shí)行定型角鋼模板預(yù)制，預(yù)制前需要在模板中涂抹脫模劑，方便構(gòu)件成型，振搗構(gòu)件混凝土?xí)r可以使用附著式振搗器，以便混凝土均勻分布，防止離析。澆筑完構(gòu)件后需要進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

該橋梁前期控制中，預(yù)制拱箱組裝是重點(diǎn)工作，其施工質(zhì)量影響著后續(xù)施工，因此在預(yù)制拱箱組裝施工時(shí)，一方面需要利用BIM模型和三維激光掃描技術(shù)迅速獲取構(gòu)件三維數(shù)據(jù)并重構(gòu)模型，通過三維掃描技術(shù)掃描預(yù)制拱箱得到其外觀形狀，并利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析和檢測(cè)線形確定其是否滿足要求。另一方面，在臺(tái)座上準(zhǔn)確放線各構(gòu)件位置，同時(shí)使用卷尺復(fù)核[5]。安裝底板鋼筋過程中，需要提前對(duì)鋼筋間距和位置進(jìn)行計(jì)算，并標(biāo)記好，之后根據(jù)標(biāo)記位置安裝底板鋼筋，上下層使用鋼筋分離，所設(shè)施的鋼筋架距離不可影響底板鋼筋。完成后使用龍門吊吊裝，就位后將各構(gòu)件焊接好，同時(shí)做好保護(hù)層。各接頭部位需要仔細(xì)施工，預(yù)埋角鋼保障的拱箱對(duì)接是否準(zhǔn)確，也影響著其受力，因此需要注意控制預(yù)埋角鋼施工質(zhì)量。對(duì)此，可以通過固定鋼框使預(yù)埋角鋼對(duì)應(yīng)，并注意安裝鋼框尺寸，防止其變形。

此外，預(yù)制拱箱模板使用可拆卸的木模板為最好，內(nèi)部使用木方支撐，倒角部位模板為鐵絲綁扎牢固，底板混凝土強(qiáng)度在達(dá)到60%時(shí)才能夠澆筑頂板混凝土，避免混凝土收縮徐變影響質(zhì)量。各道工序完成后，由專業(yè)人員檢測(cè)拱箱尺寸，與要求相符后進(jìn)行后續(xù)施工。由于該橋梁拱箱施工時(shí)出現(xiàn)裂縫，其是由于預(yù)制橫隔板出現(xiàn)問題導(dǎo)致的，同時(shí)由于各構(gòu)件連接復(fù)雜，容易被荷載等因素影響，因此需要采用高強(qiáng)度、高韌性混凝土材料制作橫隔板，本工程使用高韌性纖維混凝土，其在工程中的應(yīng)用效果較好，在拱箱構(gòu)件預(yù)制中應(yīng)用可以增強(qiáng)構(gòu)件強(qiáng)度。構(gòu)件倒角縫連接部位性能弱，施工過程中如果模板難以布置容易被忽略，進(jìn)而連接不緊密，影響受力，因此施工時(shí)需要考慮模板布置，并進(jìn)行壓漿處理。

預(yù)制拱箱起梁一般使用液壓千斤頂與鋼板起梁彼此配合，施工過程中，拱箱兩邊所預(yù)留的位置放置了千斤頂，使用同樣規(guī)格的方形鋼板放于其上避免局部過度應(yīng)力破壞梁體。施工前，需要準(zhǔn)備枕木，千斤頂同步作業(yè)，起梁時(shí)確保枕木水平、速度穩(wěn)定，避免出現(xiàn)安全事故。移梁前需要試壓檢查，使用槽鋼固定拱箱，并檢查牽引鋼絲繩安裝和遙控器靈敏度，操作時(shí)需要保證人員行進(jìn)速度一致，并由專人負(fù)責(zé)跟蹤平板差保證移動(dòng)安全，一旦發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)剎車，避免出現(xiàn)安全問題。

預(yù)制構(gòu)件施工過程中，采用BIM軟件可以整合不同專業(yè)模型，實(shí)時(shí)監(jiān)控施工過程，實(shí)現(xiàn)高效管理。在BIM 的Revit軟件中，其憑借可視化功能實(shí)時(shí)監(jiān)控施工過程，在裝配式橋梁施工期間構(gòu)建動(dòng)態(tài)監(jiān)控體系實(shí)時(shí)反饋預(yù)制構(gòu)件施工信息，確保組裝質(zhì)量，避免放樣錯(cuò)誤導(dǎo)致預(yù)制偏差。在橋梁監(jiān)控中，Revit軟件模型結(jié)合有限元分析數(shù)據(jù)，并聯(lián)系實(shí)際監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)以便管理人員隨時(shí)查看并利用模型進(jìn)行分析，所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在平臺(tái)上，方便了人員管理。

3.4 維護(hù)應(yīng)用

在該橋梁施工過程中應(yīng)用BIM技術(shù)可以提供更多信息，將橋梁現(xiàn)狀和所用材料問題及時(shí)反饋給預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)商，在得到準(zhǔn)確信息后可以保證預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量，確保橋梁工程維護(hù)順利進(jìn)行。在實(shí)際維護(hù)過程中，該橋梁根據(jù)BIM軟件構(gòu)建的模型管理人員和施工，規(guī)范各施工環(huán)節(jié)中的施工技術(shù)，監(jiān)管橋梁中的各種設(shè)計(jì)方案，控制其中存在的風(fēng)險(xiǎn)，避免施工后續(xù)損害企業(yè)經(jīng)濟(jì)利益。同時(shí)，BIM技術(shù)通過共享施工所需構(gòu)件規(guī)格等參數(shù)幫助生產(chǎn)商制造構(gòu)件，可以加強(qiáng)企業(yè)和生產(chǎn)商之間的溝通，滿足施工對(duì)構(gòu)件的具體要求，避免出現(xiàn)溝通問題，影響購進(jìn)質(zhì)量。

4 結(jié)束語

在裝配式工程中應(yīng)用BIM技術(shù)不僅能夠模擬施工過程，而且能夠進(jìn)行管理構(gòu)建和計(jì)算造價(jià)，提高建筑施工質(zhì)量。BIM技術(shù)模擬實(shí)際工程施工時(shí)，施工人員可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)其中問題，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況及時(shí)提出措施，而通過信息化模型也能夠促使建筑項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)可視化，優(yōu)化設(shè)計(jì)階段、溝通協(xié)調(diào)、質(zhì)量控制和投資控制等工作，提高控制效果，避免后續(xù)工程出現(xiàn)返工和誤工等現(xiàn)象，提高裝配式橋梁施工效率，加強(qiáng)橋梁管控，為建筑行業(yè)規(guī)范化、持續(xù)化發(fā)展提供方向。

[ID:013934]