■ 杜伸云 方繼

BIM技術(shù)在橋梁鋼結(jié)構(gòu)制造和施工中的應(yīng)用

■ 杜伸云 方繼

鋼結(jié)構(gòu)是建筑業(yè)中科技含量最高的成分，具有制造業(yè)的特征，率先進(jìn)入了工廠化、機(jī)械化、自動化、裝配化、信息化，是建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級的樣板，對改造傳統(tǒng)行業(yè)有著標(biāo)桿的作用。以濟(jì)南黃河公鐵兩用橋?yàn)槔?，介紹BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)制造和施工中應(yīng)用的獨(dú)特優(yōu)勢。

BIM；橋梁；鋼結(jié)構(gòu)；制造；施工

1 BIM模型創(chuàng)建及深化設(shè)計

目前，各橋梁設(shè)計單位提交的圖紙主要是二維圖紙，鋼結(jié)構(gòu)BIM模型的建模就是將原二維設(shè)計圖紙三維模型化，并在建模過程中復(fù)核設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計，其本質(zhì)就是在電腦中“預(yù)拼裝”，實(shí)現(xiàn)“可視化”［1-2］。

首先是定義零構(gòu)件的主要屬性，主要包含零構(gòu)件編號前綴、名稱、截面型材、材質(zhì)、等級（顏色）等主要屬性；其次是構(gòu)件單元劃分，將組成構(gòu)件的各零件按主、次順序“焊接”形成構(gòu)件，最終形成整體模型。以濟(jì)南黃河公鐵兩用橋鋼為例，其鋼結(jié)構(gòu)BIM模型見圖1。在BIM設(shè)計中，加工詳圖（零件圖、構(gòu)件圖、布置圖等）都是基于三維模型生成，圖紙中的零件編號、材質(zhì)信息、數(shù)量信息與建模過程中錄入的信息一致［3］。

1.1 弦桿模型創(chuàng)建

弦桿建模過程中，考慮工廠加工制造的要求（螺栓孔位以設(shè)計理論尺寸為準(zhǔn)，方便加工制造），同時考慮模型起拱導(dǎo)致的栓孔錯位，因此采用單側(cè)栓、孔分開創(chuàng)建的方式建模（見圖2）。圖2中弦桿節(jié)點(diǎn)螺栓處理的方法創(chuàng)新，解決了桿件與拼接板栓孔錯位的難題。由于建模過程中拼接板另一側(cè)栓孔之間沒有關(guān)聯(lián)，通過模型就能準(zhǔn)確地測量該側(cè)桿件起拱引起的偏差值，為優(yōu)化設(shè)計提供重要的參考數(shù)據(jù)。

圖1 濟(jì)南黃河公鐵兩用橋鋼結(jié)構(gòu)BIM模型

1.2 橋面板塊建模

橋面板塊建模過程中考慮各單元件（縱梁單元、橫梁單元、頂板單元）的出圖，同時考慮整體橋面板塊的出圖。建模過程中采用輔助構(gòu)件（只包含橋面板塊的編號信息，規(guī)格為：1 mm×1 mm×1 mm的“符號構(gòu)件”）的方法創(chuàng)新，將各單元件以子構(gòu)件的形式附在輔助構(gòu)件上，解決了縱梁、橫梁、頂板單元件圖及整體拼裝圖與模型的對應(yīng)關(guān)系（見圖3）。1.3 設(shè)計溝通

圖2 弦桿建模節(jié)點(diǎn)螺栓處理

圖3 橋面板塊模型

建模過程中，通過模型校核很容易發(fā)現(xiàn)設(shè)計圖紙的問題，建模過程也就是復(fù)核設(shè)計的過程。通過可視化的三維模型與設(shè)計溝通，直觀明了地展示設(shè)計問題（見圖4），提高了與設(shè)計溝通效率，保證了問題溝通的準(zhǔn)確性。

圖4 深化設(shè)計問題溝通

1.4 圖紙管理

通過BIM模型準(zhǔn)確獲得深化設(shè)計圖紙，通過圖紙工具進(jìn)行零件尺寸標(biāo)注及注釋說明得到精確的深化設(shè)計圖紙。

圖紙與模型關(guān)聯(lián)，并隨模型變動而自動更新（見圖5）。模型變動后，圖紙產(chǎn)生變更提示，通過“選擇對象”查看該桿件的三維模型，通過“更新”得到模型對應(yīng)的最新圖紙。這種基于模型直觀的改圖方式，相比傳統(tǒng)的手工改圖，有效地避免了圖紙上的人為錯誤。

圖5 圖紙與模型關(guān)聯(lián)更新

2 BIM在工廠制造中的應(yīng)用

BIM在工廠制造的應(yīng)用，主要是從模型中提取的材料、零件的數(shù)控文件、圖紙等信息，并在工廠制造材料采購、構(gòu)件加工等環(huán)節(jié)應(yīng)用模型信息［4-5］。主要應(yīng)用流程見圖6。 2.1 數(shù)控文件輸出

圖6 BIM應(yīng)用流程

基于模型，通過“選擇過濾”設(shè)置即將排版零件的板厚、材質(zhì)參數(shù)，便能快速選擇相同類型的零件并輸出數(shù)控文件（見圖7）。

圖7 基于模型輸出數(shù)控文件

2.2 數(shù)控排版套料

將數(shù)控文件批量導(dǎo)入兼容的專業(yè)套料軟件，按照最省料進(jìn)行排版套料。國內(nèi)的套料軟件SmartNest軟件、國外的有意大利Ficep的設(shè)備（含配套的軟件）與BIM模型有很好的兼容（見圖8）。

圖8 SmartNest與Ficep套料軟件界面

通過應(yīng)用可知，國外的軟件與數(shù)控機(jī)床配套銷售，軟件一般不兼容其他硬件，自動化程度高、加工質(zhì)量和效率高，同時價格也較高；國內(nèi)的軟件為單獨(dú)銷售，兼容性強(qiáng)（可輸出火焰切割、等離子切割等數(shù)控程序）、使用方便、價格相對便宜。

2.3 套料結(jié)果輸出

通過套料排版后，零件擁擠地排列在“虛擬鋼板”上，輸出對應(yīng)得加工程序及排版圖紙用于車間數(shù)控切割。相比傳統(tǒng)的人工繪圖和編程，基于模型數(shù)據(jù)的自動套料輸出數(shù)控程序和排版圖（見圖9）大大提高了工作效率、減少了錯誤。

圖9 SmartNest與Ficep軟件套料結(jié)果輸出

通過對比可知，輸出圖紙上都能顯示鋼板規(guī)格、材質(zhì)、板厚、質(zhì)量、編號及自動計算材料利用率等主要信息。國內(nèi)的SmartNest軟件更直觀，且有4種圖紙模板樣式供選擇，符合國人習(xí)慣容易操作；國外軟件的參數(shù)更全面、更專業(yè)，對操作者的要求較高。

2.4 加工過程中應(yīng)用

工廠加工主要是利用數(shù)控程序?qū)霐?shù)控切割機(jī)進(jìn)行鋼板切割，工人通過模型及圖紙將切割后的零件拼焊成構(gòu)件的過程。BIM的應(yīng)用主要是技術(shù)交底可視化以使工人快速理解加工內(nèi)容、復(fù)雜構(gòu)件拼裝順序可視化模擬以使工人快速了解構(gòu)件拼焊順序（見圖10）。

圖10 基于模型進(jìn)行技術(shù)交底、數(shù)控切割及焊接順序模擬

3 BIM在現(xiàn)場施工中的應(yīng)用

BIM技術(shù)在施工現(xiàn)場應(yīng)用主要是施工信息與BIM模型動態(tài)關(guān)聯(lián)、集成，并隨施工過程更新及輔助項(xiàng)目施工管理。目前，項(xiàng)目施工管理的BIM平臺主要有清華的4D-BIM系統(tǒng)、Vicooffice，廣聯(lián)達(dá)BIM-5D及魯班BIM平臺等，現(xiàn)主要介紹清華4D-BIM系統(tǒng)在項(xiàng)目中的應(yīng)用［6］。

3.1 進(jìn)度管理

進(jìn)度管理的重點(diǎn)是4D施工模型創(chuàng)建，利用Project創(chuàng)建WBS及進(jìn)度計劃并導(dǎo)入4D-BIM平臺，之后整合多個BIM軟件模型數(shù)據(jù)，進(jìn)行4D模型關(guān)聯(lián)，并集成各種施工信息，從而實(shí)現(xiàn)施工模型創(chuàng)建（見圖11）。

圖11 施工模型創(chuàng)建過程

模型創(chuàng)建之后，通過BIM平臺進(jìn)行施工模擬及進(jìn)度分析，直觀展示頂推施工工藝與施工過程，并將結(jié)果輸出為報表，便于發(fā)現(xiàn)進(jìn)度計劃的問題（見圖12）。

圖12 施工進(jìn)度模擬與實(shí)際施工對比及分析報表輸出

3.2 施工工況管理

工況管理主要是施工過程中工況信息的錄入、查詢、分析及管理，以及關(guān)鍵工況對應(yīng)的重點(diǎn)桿件應(yīng)力的監(jiān)控（見圖13），并可通過4D-BIM平臺實(shí)現(xiàn)信息共享及公司遠(yuǎn)程管控。

圖13 工況信息查詢及桿件受力曲線圖

3.3 安全監(jiān)控管理

通過結(jié)構(gòu)計算確定關(guān)鍵監(jiān)控點(diǎn)的布置位置，實(shí)際施工過程中按此布置應(yīng)變片，同時BIM模型中也在對應(yīng)位置設(shè)置數(shù)據(jù)點(diǎn)，并將實(shí)測數(shù)據(jù)錄入監(jiān)控點(diǎn)。通過該點(diǎn)可以查詢實(shí)際監(jiān)控值與理論計算值（見圖14），可視化的信息模型提高了查詢的效率及增強(qiáng)了信息的準(zhǔn)確度。

圖14 安全監(jiān)控信息查詢

3.4 過程質(zhì)量信息集成

施工過程中的質(zhì)量文件（文檔、圖片），可通過4D-BIM系統(tǒng)與模型關(guān)聯(lián)（見圖15），方便信息查詢及文件管理。

圖15 螺栓施工過程記錄查詢

4 結(jié)束語

目前，國內(nèi)的BIM應(yīng)用仍處在應(yīng)用探索階段。BIM理論需要與實(shí)際現(xiàn)場施工結(jié)合，了解現(xiàn)場的實(shí)際需求，并在應(yīng)用中解決實(shí)際問題。使BIM應(yīng)用落地，才能真正發(fā)揮BIM的價值［7］。通過本次應(yīng)用探索，為BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)橋梁的工廠加工和現(xiàn)場施工提供參考。相信通過進(jìn)一步應(yīng)用探索，一定能更好地發(fā)揮BIM技術(shù)的優(yōu)勢，使之成為推動行業(yè)發(fā)展的新動力。

［1］ 曹毅. BIM標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀及其發(fā)展［J］. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（29）：256.

［2］ 劉獻(xiàn)偉，高洪剛，王續(xù)勝. 施工領(lǐng)域BIM應(yīng)用價值和實(shí)施思路［J］. 施工技術(shù)，2012，41（22）：84-86.

［3］ 彭鵬. 基于詳圖描述和建筑性能分析的BIM設(shè)計流程研究［D］. 武漢：華中科技大學(xué)，2010.

［4］ 王珺. BIM理念及BIM軟件在建設(shè)項(xiàng)目中的應(yīng)用研究［D］. 成都：西南交通大學(xué)，2011.

［5］ 周春波. BIM技術(shù)在建筑施工中的應(yīng)用研究［J］.青島理工大學(xué)學(xué)報，2013，34（1）：51-54.

［6］ 洪磊. BIM技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用研究［D］. 成都：西南交通大學(xué)，2012.

［7］ 劉延宏. EBS在鐵路工程建設(shè)管理中的應(yīng)用探討［J］. 中國鐵路，2015（7）：62-65.

杜伸云：中國中鐵四局集團(tuán)有限公司管理研究院，工程師，安徽 合肥，230023
方 繼：中國中鐵四局集團(tuán)鋼結(jié)構(gòu)有限公司，教授級高級工程師，安徽 合肥，230023

責(zé)任編輯 苑曉蒙

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1672-061X（2016）03-0071-04