BIM技術(shù)在雙層鋼桁梁與拱殼協(xié)作體系橋項(xiàng)目管理中的應(yīng)用

韓 旭 （中新蘇滁（滁州）開發(fā)有限公司，安徽 滁州 239000）

0 引言

“為滿足人民群眾對美好生活的需要，改善人民群眾的生活品質(zhì)，以人為核心，提高新型城鎮(zhèn)化質(zhì)量，不斷改善人居環(huán)境。”為認(rèn)真落實(shí)國家有關(guān)城市建設(shè)的大政方針，建設(shè)方在九梓大橋項(xiàng)目策劃伊始，便將該理念融入方案設(shè)計(jì)中。經(jīng)過不斷推敲，最終打造出集交通、休閑觀光、景觀為一體的國內(nèi)首座雙層鋼桁梁與拱殼協(xié)作體系橋——九梓大橋。由于橋梁造型復(fù)雜，常規(guī)設(shè)計(jì)文件難以精準(zhǔn)表達(dá)，因此在項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、建造階段運(yùn)用BIM 技術(shù)對項(xiàng)目關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行輔助管理。

建筑信息模型（Building Information Modeling）簡稱“BIM 技術(shù)”，其應(yīng)用了三維數(shù)字化技術(shù)，搭建賦予大量的幾何信息以及非幾何信息的信息模型。在橋梁方案設(shè)計(jì)和鋼結(jié)構(gòu)制造安裝過程中，BIM 技術(shù)的使用可以作為效率提升和精益制造的解決手段之一。本文就BIM 技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)制造、施工過程中的深化應(yīng)用及項(xiàng)目管理進(jìn)行研究和探討。

1 工程概況及重難點(diǎn)分析

1.1 工程概況

九梓大橋?yàn)榭缜辶骱由系囊蛔诤辖煌ê途坝^的市政橋梁，位于安徽省滁州市中新蘇滁高新區(qū)，東至來安，西接滁州主城區(qū)，全長1547m，上跨濱河北路、濱河南路、清流河、豐收渠、規(guī)劃一河2路3 河，與創(chuàng)業(yè)路及滁山路平交。其中主線橋梁全長850m，主橋長260m，跨徑布置為50m+80m+80m+50m，采用雙層連續(xù)鋼桁梁與拱殼協(xié)作體系，外包鋼拱殼與下層橋面系連接，鋼拱殼采用空間異形曲面結(jié)構(gòu)。主橋上層橋面寬度為24.5m，雙向6 車道，下層橋面19.5m，布置人行道和非機(jī)動車道。施工作業(yè)交叉點(diǎn)眾多，為滁州市標(biāo)志性工程，也是安徽省重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目之一。

圖1 九梓大橋正面效果圖

圖2 九梓大橋側(cè)面效果圖

1.2 項(xiàng)目重難點(diǎn)

主橋鋼梁安裝施工中存在的難點(diǎn)為鋼梁吊裝噸位較大且梁體分為上下兩層，中間桁梁斜腹桿安裝精度控制難度較大；鋼梁拱殼總重1300t，采用蝶型空間多肢拱型結(jié)構(gòu)，鋼材損耗大，加工難度高。本項(xiàng)目鋼梁及拱殼制造安裝為本橋施工最大重點(diǎn)與難點(diǎn)，是超過一定規(guī)模危險性較大的分部工程。鋼梁支架搭拆、鋼梁安裝、拱殼的加工與安裝是本項(xiàng)目風(fēng)險點(diǎn)。

2 設(shè)計(jì)階段的BIM應(yīng)用——BIM模型建立

2.1 空間異形曲面鋼拱殼

本橋鋼拱殼為空間異形曲面結(jié)構(gòu)，存在橋體間節(jié)點(diǎn)隔板構(gòu)造多、分段數(shù)量多、各段構(gòu)件均為非標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件、形狀差異大、精度要求高、模型建立困難、質(zhì)量控制難度高、拱殼厚度0.8m 等特點(diǎn)。拱肢采用鋼箱結(jié)構(gòu)，鋼箱板厚8～14mm，頂側(cè)板、腹板、內(nèi)側(cè)板均設(shè)板式加勁肋。拱肢的圓弧倒角采用8mm外包鋼板，并且在上層橋面系、下層橋面系與鋼拱殼之間的連接處構(gòu)造復(fù)雜，設(shè)計(jì)圖紙無法直觀體現(xiàn)出構(gòu)件連接的細(xì)節(jié)。

建模方法：先建立順橋向拱殼輪廓模型，再拾取斷面拱殼外表面線50 個點(diǎn)，擬合樣條曲線，同時根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙對模型校核調(diào)整，再校核和修改，直至符合設(shè)計(jì)和曲面變化（順橋向建模）；再運(yùn)用同樣的建模質(zhì)量控制方法對橫橋向輪廓模型和鋼拱殼曲面上鏤空部分進(jìn)行模型建立（橫橋向建模）。

圖3 鋼拱殼建模流程

2.2 雙層橋面鋼桁梁

橋由四跨連續(xù)主桁及上下層橋面系組成，主桁采用等桁高，桁式采用“V”形桁，桁高7.7m（含橋面板），桁架基本間距10m。上層橋面系采用正交異性組合橋面板，下層橋面系采用正交異性鋼橋面板，板桁結(jié)合處復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙無法清晰表現(xiàn)。上層橋面系設(shè)雙向2%橫坡，下層不設(shè)置橫坡；主橋縱向設(shè)置雙向2.5%縱坡。

建模方法：采用內(nèi)嵌族的方法，先建立鋼桁梁的各嵌套族子模型，再根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙各構(gòu)件空間位置之間的關(guān)系，通過參數(shù)化定位和拼裝鏈接，在族窗口中組成鋼桁梁族模型，并整理建模參數(shù)，輔助可視化編程方法，調(diào)取橋梁設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型組裝，最后完成對組裝模型的碰撞檢查和整體三維設(shè)計(jì)線閉合驗(yàn)證。

圖4 鋼桁梁BIM模型

2.3 其他結(jié)構(gòu)模型建立

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，建立引橋段橋臺、鋼箱梁墩柱、橋梁支座和欄桿附屬設(shè)施、花瓶型防塵罩、照明路燈、交通信號燈、道路標(biāo)識牌和行車指示標(biāo)志等一系列橋梁構(gòu)件族和道路附屬構(gòu)件族。

觀景平臺：運(yùn)用自適應(yīng)族的特點(diǎn)以及以直代曲的方法，將三維空間曲線（螺線型）觀景平臺逐步分解優(yōu)化，同時運(yùn)用內(nèi)建族的方式插入內(nèi)部各種類嵌板，建立BIM模型。

綜合管線：根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，建立橋面排水、污水管、窨井等一系列綜合管線模型。

圖5 橋墩、橋臺、護(hù)欄等其他結(jié)構(gòu)模型

3 施工階段BIM應(yīng)用

3.1 鋼桁架復(fù)雜節(jié)點(diǎn)BIM深化

3.1.1 問題

桁架上弦、橋面板、腹桿、桁架下弦、橫梁和桁架之間位置連接相對復(fù)雜，傳統(tǒng)二維圖紙很難清晰呈現(xiàn)。

3.1.2 BIM的應(yīng)用

根據(jù)設(shè)計(jì)院給出各節(jié)點(diǎn)構(gòu)件連接要求和尺寸數(shù)據(jù)，建立BIM 模型，通過BIM 模型直觀明確地展示和表達(dá)出設(shè)計(jì)意圖，進(jìn)行碰撞檢查，并根據(jù)碰撞報告完成深化設(shè)計(jì)。在加工生產(chǎn)之前，通過對各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行碰撞檢查和深化設(shè)計(jì)，明顯減少了施工過程中設(shè)計(jì)變更的次數(shù)，主要體現(xiàn)為因構(gòu)件腹板（Z2，Z2a）和節(jié)點(diǎn)板(JD1，JD2)厚度不同，縱向加勁板與節(jié)點(diǎn)板會有碰撞。節(jié)點(diǎn)板的下部長度是可變的，但是與節(jié)點(diǎn)板連接的腹板卻是固定的，因此產(chǎn)生偏差。根據(jù)給定尺寸繪制腹桿連接板，與連接處底板有碰撞。

圖6 鋼桁梁BIM深化模型

基于鋼桁梁BIM 模型，結(jié)合現(xiàn)場施工條件和要求，將模型規(guī)劃分割如下。同時將對應(yīng)構(gòu)件按項(xiàng)目施工要求編碼，方便施工組織調(diào)用。

主橋結(jié)構(gòu)劃分：主桁上弦分為56 個箱型梁節(jié)段，下弦分為56 個箱型梁節(jié)段，腹桿為104 個節(jié)段；上層橋面T 型梁108 個，下層橋面T 型梁108 個；下層橋面板橫向分為7 段，縱向分為26 段，共有7×26=182段；上層橋面板橫向分為8段，縱向分為26 段，共有8×26=208 段；懸挑橫梁每件0.75t，中間橫梁每件1.75t。

圖7 鋼桁梁順橋向數(shù)字化編號

圖8 鋼桁梁橫橋向拆分

3.2 主橋鋼拱殼BIM深化

3.2.1 問題

鋼拱殼在空間內(nèi)的扭轉(zhuǎn)彎曲造型極不規(guī)則，空間構(gòu)型完全由建筑景觀決定，并不存在常規(guī)意義上的拱軸線，大量的空間雙曲面結(jié)構(gòu)導(dǎo)致橋梁精細(xì)化程度高，加工制作困難。

①存在大量的空間雙曲面結(jié)構(gòu)，橋梁建模、放樣及出圖表達(dá)難度大。

②由于二維表達(dá)方式的局限性，原設(shè)計(jì)施工圖以及設(shè)計(jì)院建立的三維模型錯漏碰缺等問題不可避免。

③全橋節(jié)段劃分后加勁共約1.3 萬條、1300 塊異形隔板，隔板需根據(jù)加勁位置開過肋孔，加勁需根據(jù)焊接工藝開具過焊孔，項(xiàng)目工藝復(fù)雜，工作量大。

3.2.2 BIM的應(yīng)用

①輪廓修復(fù)

設(shè)計(jì)提供的曲面撕裂等情況需要進(jìn)行修復(fù)、重構(gòu)等，當(dāng)模型零件之間間距較大或者曲面情況較為復(fù)雜時，將采用多截面曲面去重新生成輪廓面。

②加勁線定位

設(shè)計(jì)未提供加勁線模型，需要根據(jù)設(shè)計(jì)原則，進(jìn)行大量的曲線構(gòu)造、曲線光順、修正等。當(dāng)曲面情況較為復(fù)雜時，為減小誤差，利用CATIA平行曲線、光順邊線、投影等功能高效地得到平滑、精確的加勁定位線性。

圖9 加勁線定位流程

③施工分段劃分

通過已有分段方案進(jìn)行輸入輪廓自動劃分以及節(jié)段編號。本工程裝飾拱根據(jù)結(jié)構(gòu)位置不同，分為邊縱梁端部、邊縱梁中跨、拱梁結(jié)合段、拱肋、拱肢及合攏段。其中邊縱梁端部共計(jì)劃分為34 個、邊縱梁中垮共計(jì)劃分為66 個、拱肢共計(jì)劃分為84 個、拱肋共計(jì)劃分為36 個、合攏段共計(jì)劃分為4 個，全橋共計(jì)224 個節(jié)段。每個節(jié)段外形尺寸寬度不超過3.0m，高度不超過4.5m，節(jié)段重量基本在10t左右。

考慮橫隔板的對齊方式、對加勁及隔板定位，加勁根據(jù)分段自動劃分到對應(yīng)節(jié)段，并自動裁剪。

圖10 設(shè)計(jì)提供的分段劃分

④模型快速生成

調(diào)取加勁定位和節(jié)段劃分?jǐn)?shù)據(jù)，通過BIM 深化設(shè)計(jì)軟件工程模板批量化生成模型；根據(jù)生成的模型，對不同節(jié)段隔板自動成型，并生成相應(yīng)隔板加勁孔，最后根據(jù)設(shè)計(jì)深化原則對生成的隔板和加勁孔進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整；根據(jù)鋼拱殼的總體結(jié)構(gòu)劃分樣式，提前預(yù)定板件樣板和參數(shù)定制，實(shí)現(xiàn)板件尺寸參數(shù)化控制；自動編號。

⑤模型碰撞檢查

通過BIM 深化設(shè)計(jì)軟件碰撞檢查，檢查模型設(shè)計(jì)精度，并進(jìn)一步修改優(yōu)化鋼拱殼模型。

圖11 鋼拱殼BIM深化模型

3.3 跨渠段人行道和防撞欄桿設(shè)計(jì)深化

3.3.1 問題

因傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)局限性，設(shè)計(jì)圖紙上無法呈現(xiàn)裝飾拱欄桿頂端曲面變化的具體情形，直觀性較差，可能導(dǎo)致鋼材的加工錯誤，從而導(dǎo)致材料浪費(fèi)和工期延誤。

3.3.2 解決方法

根據(jù)設(shè)計(jì)院給出的欄桿參數(shù)規(guī)則和部分平面圖，利用專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)軟件解決空間曲面設(shè)計(jì)困難的問題，建立出符合設(shè)計(jì)院和建設(shè)方要求的BIM模型。

圖12 裝飾拱頂面護(hù)欄BIM深化模型

3.4 基于BIM的數(shù)字化加工+批量出圖

3.4.1 問題

由于該類橋梁存在大量的異性曲面甚至是雙曲面構(gòu)造，傳統(tǒng)曲面展開加工方式存在一定的誤差和錯誤。

3.4.2 BIM的應(yīng)用

通過BIM 深化設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)曲面的自動展開，精確轉(zhuǎn)移加勁、隔板、基準(zhǔn)線等定位線，同時自動標(biāo)注零件編號，避免人為展開時出現(xiàn)的錯誤，同時提高生產(chǎn)效率及加工精度。

根據(jù)工藝原則，通過專業(yè)的BIM 深化設(shè)計(jì)軟件自動選取最佳定位底面，并根據(jù)加工需求布置胎架點(diǎn)，得到胎架定位信息并輸出，提高建模及出圖效率。

圖13 鋼拱殼定位線展開轉(zhuǎn)移標(biāo)注

圖14 鋼拱殼構(gòu)件胎架定位

通過二次開發(fā)的插件實(shí)現(xiàn)批量、快速、參數(shù)化出圖，既保證了圖紙的質(zhì)量，也保障了出圖的效率。圖紙編號標(biāo)注的自動化，解決了傳統(tǒng)人為編號及標(biāo)注時任務(wù)繁瑣、易重復(fù)、遺漏等問題，節(jié)約了大量的人工成本和時間成本。

圖15 圖紙編號標(biāo)注的自動化

圖16 構(gòu)件加工深化效果展示

3.5 利用BIM漫游仿真技術(shù)高效直觀地體現(xiàn)裝飾效果

3.5.1 問題

九梓大橋作為滁州市觀光旅游和網(wǎng)紅打卡的人文景觀特色公園建設(shè)重要元素之一，為了將大橋營造為滁州市獨(dú)具特色的景觀主體，對橋梁下層步道裝飾工程的質(zhì)量和效果具有較高的要求。

3.5.2 解決方法

通過BIM 中材質(zhì)數(shù)據(jù)的建立和對裝飾圖紙的深化，運(yùn)用BIM 高仿真漫游體現(xiàn)色彩與燈光藝術(shù)，多次模擬比對施工過程中的材料和裝飾風(fēng)格，比選出符合滁州市特點(diǎn)和清流河及周邊環(huán)境完美融合的方案。同時對照明燈光景觀的使用情況設(shè)置平日、節(jié)日、重大節(jié)日三種不同的開燈控制模式進(jìn)行模擬，充分展現(xiàn)九梓大橋建成后景觀的特點(diǎn)及燈光效果。

3.6 BIM智慧化管理平臺的應(yīng)用

為達(dá)到高效、智慧化項(xiàng)目管理的目的，九梓大橋項(xiàng)目吸取以往項(xiàng)目建設(shè)管理經(jīng)驗(yàn)，簡化業(yè)務(wù)管理PC 端操作內(nèi)容，突顯出其強(qiáng)大的施工管理專業(yè)化協(xié)同辦公能力。智慧管理平臺以質(zhì)量和安全管理控制為生命、進(jìn)度管理為主線，對項(xiàng)目建設(shè)全周期進(jìn)行管理。

①質(zhì)量管理

質(zhì)量管理包括三檢記錄、技術(shù)交底記錄和3D 作業(yè)指導(dǎo)三部分。為確保質(zhì)量管理，每個工序必須按照規(guī)范控制措施進(jìn)行，確保責(zé)任落實(shí)到人可追溯，確保過程資料留痕。所有信息儲存于云端，可供現(xiàn)場施工人員和質(zhì)量管理人員隨時查看，形成有效的管理措施。

圖17 下層人行道及觀景平臺夜間燈光效果展示圖

②安全管理

安全管理包括安全隱患類型分析、安全會議記錄和VR安全教育三部分。

主要作用：記錄并分析現(xiàn)場危險源類型，同時儲存班前安全教育信息于云端，供管理人員檢查；模擬現(xiàn)場可能發(fā)生的安全作業(yè)事故類型，作為現(xiàn)場安全管理人員警示教育的重要素材，在主要交通路口設(shè)置視頻監(jiān)控，并關(guān)聯(lián)至管理平臺；管理人員通過平臺查看可實(shí)時知曉重要路口交通安全情況。

圖18 BIM智慧管理平臺質(zhì)量管理頁面

圖19 BIM智慧管理平臺安全管理頁面

③進(jìn)度管理

按照分部分項(xiàng)劃分并結(jié)合建模精度和構(gòu)件拆分原則，將每月的產(chǎn)值按專業(yè)劃分為路基路面、基礎(chǔ)及下部結(jié)構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)四大類。通過后臺處理將模型構(gòu)件劃分為未開始、進(jìn)行、完成三種狀態(tài)。再通過錄入實(shí)際構(gòu)件完成時間，結(jié)合前面三種狀態(tài)，將構(gòu)件判定為正常進(jìn)行、延期進(jìn)行、延期完成和正常完成四種狀態(tài)，并在輕量化模型上進(jìn)行展示，實(shí)現(xiàn)形象進(jìn)度可視化管理。最后通過對單個構(gòu)件產(chǎn)值的錄入，系統(tǒng)自動統(tǒng)計(jì)月計(jì)劃產(chǎn)值、實(shí)際完成產(chǎn)值及開工累計(jì)產(chǎn)值情況，并形成對比柱狀圖。

圖20 BIM智慧管理平臺進(jìn)度管理頁面

4 結(jié)論

本項(xiàng)目應(yīng)用“Open BIM”理念，采用多款BIM 軟件對不同構(gòu)件進(jìn)行建模和深化設(shè)計(jì)，運(yùn)用IFC 對模型進(jìn)行交互，解決了不同BIM 軟件在一些復(fù)雜構(gòu)件模型建立困難的難題。

作為典型復(fù)雜雙曲面鋼結(jié)構(gòu)，通過BIM 技術(shù)的應(yīng)用，對橋梁鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，配合專業(yè)化鋼結(jié)構(gòu)加工廠進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)數(shù)字化加工制造，提升施工生產(chǎn)質(zhì)量和效率，探索出更適合于現(xiàn)代復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計(jì)方法，解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式對于該類別橋梁無法適應(yīng)的難點(diǎn)，為項(xiàng)目創(chuàng)造社會效益與價值。相較于傳統(tǒng)深化過程，模型精確度更高，橋梁信息更直觀，使BIM 在橋梁建設(shè)過程中正向設(shè)計(jì)的應(yīng)用更進(jìn)一步。

基于BIM 模型信息，運(yùn)用BIM 輕量化智慧管理平臺，進(jìn)行施工階段質(zhì)量、安全和進(jìn)度的管控。在提高施工管理效率的同時，也為后續(xù)養(yǎng)護(hù)和周圍景觀規(guī)劃提供更加準(zhǔn)確完善的數(shù)字資產(chǎn)和高仿真的視覺參考。