■ 耿國(guó)永

0 引言

近年來(lái)，諸如杭州灣跨海大橋、港珠澳大橋等大型、特大型橋梁工程越來(lái)越多，現(xiàn)代橋梁大跨、復(fù)雜、高強(qiáng)、輕質(zhì)等特征對(duì)建設(shè)施工技術(shù)提出了更高的要求和挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)二維工作模式已難以解決施工中的困難，BIM技術(shù)的應(yīng)用成為必然。利用BIM建模軟件創(chuàng)建包含完整工程信息的三維數(shù)字模型[1-2]，實(shí)現(xiàn)與作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的高度契合，讓管理層和作業(yè)層能夠直接查看三維立體模型代替翻閱二維CAD設(shè)計(jì)圖紙。同時(shí)利用建模關(guān)聯(lián)工具在項(xiàng)目實(shí)施前發(fā)現(xiàn)工程問題，提升工程項(xiàng)目管理成效[3]。

1 工程概況

新建鄭萬(wàn)鐵路跨永登高速公路的128 m簡(jiǎn)支梁拱組合體系橋位于許昌市禹州境內(nèi)，橋梁全長(zhǎng)130．2 m，永登高速公路路面寬度為36．5 m，雙向6車道，匝道路面寬7．0 m。簡(jiǎn)支梁拱組合體系橋與永登高速公路水平夾角為74．5°，與匝道水平夾角為87．3°，鐵路建成后距公路凈高為8 m。該橋結(jié)構(gòu)形式為下承式簡(jiǎn)支梁拱組合體系橋，橋梁基礎(chǔ)采用鉆孔樁承臺(tái)基礎(chǔ)，墩身為異形實(shí)體橋墩，起訖墩號(hào)為541#—542#，高度分別為5 m和2 m。系梁按整體箱形布置，采用單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面，橋面箱寬17．8 m，梁高2．5 m，底板在3．0 m范圍內(nèi)上抬0．5 m以減小風(fēng)阻力，吊點(diǎn)處設(shè)橫梁，厚度為0．4～0．6 m。拱肋軸線采用懸鏈線方程，拱肋計(jì)算矢高26 m，計(jì)算跨徑L=128 m，矢跨比為1/5。拱部采用Q345q-D材質(zhì)鋼管，與梁體垂直方向形成9°的夾角，鋼管內(nèi)采用C55補(bǔ)償收縮性混凝土填充。拱肋之間共設(shè)5道K撐，橫撐由Φ600、Φ50、Φ360 mm的圓形鋼管組成，鋼管內(nèi)不填充混凝土，外表面需做防腐處理。吊桿布置采用尼爾森體系，水平夾角為52．39°～71．18°，橫橋向水平夾角為81．00°。拱腳定位、拱肋及吊桿安裝、預(yù)應(yīng)力體系和預(yù)埋件等空間位置布置要求高，其精度直接決定全橋的受力體系。

2 BIM技術(shù)應(yīng)用

2.1 模型可視化

簡(jiǎn)支梁拱組合體系橋上跨永登高速公路，系梁現(xiàn)澆支架采用Φ600 mm×8 mm鋼管立柱+貝雷梁的梁柱式結(jié)構(gòu)形式，貝雷梁上部設(shè)置橫橋向Ⅰ14工字鋼，Ⅰ14工字鋼上放置順橋向方木，方木上放置膠合板；拱肋安裝支架采用Φ529 mm×10 mm鋼管焊接的“人”字形鋼管柱結(jié)構(gòu)。根據(jù)施工方案創(chuàng)建支架三維模型，在設(shè)計(jì)圖上建立跨永登高速公路簡(jiǎn)支梁拱組合體系橋三維模型（見圖1）。

2.1.1 優(yōu)化施工方案

利用BIM技術(shù)將簡(jiǎn)支梁拱組合體系橋三維模型與施工方法有機(jī)結(jié)合，模擬施工作業(yè)工序，進(jìn)一步核查施工方案是否合理。該過程中，工程師可以直觀、形象、生動(dòng)地動(dòng)態(tài)參與拱肋安裝、拱腳定位、預(yù)應(yīng)力張拉、線形監(jiān)控等復(fù)雜關(guān)鍵工序全過程，發(fā)現(xiàn)不合理或錯(cuò)誤時(shí)能夠及時(shí)修正施工方案，然后再進(jìn)行方案模擬檢查、優(yōu)化，直至施工方案全面可行。

鋼管拱肋安裝是簡(jiǎn)支梁拱組合體系橋的關(guān)鍵工序，其中拱肋吊裝方案采用2臺(tái)80 t汽車吊在橋面進(jìn)行安裝，鋼管拱吊裝節(jié)段運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后在橋頭位置存放，需安裝拱段應(yīng)提前1 d利用汽車吊倒運(yùn)至安裝位置進(jìn)行存放。在利用BIM技術(shù)模擬汽車吊站位時(shí)（見圖2），發(fā)現(xiàn)汽車吊單支腿處沒有正對(duì)系梁的隔板和腹板，為確保系梁頂板承載力滿足要求，把該工況下的三維模型輸出到Midas FEA中計(jì)算，結(jié)果顯示系梁頂板承載力不滿足要求。然后把汽車吊單支腿正對(duì)系梁的隔板和腹板，汽車吊支腿下設(shè)置1 200 mm×1 200 mm的雙層鋼板支墊，鋼板壁厚10 mm，兩層鋼板中間夾間距200 mm的Ⅰ10工字鋼，再對(duì)該工況進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示安全系數(shù)滿足要求。

圖1 跨永登高速公路簡(jiǎn)支梁拱組合體系橋三維模型

圖2 汽車吊站位BIM模型

拱腳結(jié)構(gòu)十分重要，但混凝土施工質(zhì)量控制難度較大，以往經(jīng)常出現(xiàn)拱腳混凝土不密實(shí)和裂紋現(xiàn)象。主要原因是拱腳在系梁端部實(shí)體段與邊腹板交接處“生根”，不同方向的鋼筋圍繞預(yù)埋鋼管密集布置，拱腳下還有固定預(yù)埋鋼管的型鋼支架和三向預(yù)應(yīng)力波紋管穿過，混凝土振搗質(zhì)量難以保證。通過由BIM技術(shù)建立的拱腳模型，發(fā)現(xiàn)拱腳處混凝土振搗存在盲區(qū)，且在個(gè)別位置振動(dòng)棒很容易觸碰到波紋管使預(yù)應(yīng)力管道漏漿堵塞。拱腳振搗BIM模型見圖3（a），其中藍(lán)色顯示為模擬的振動(dòng)棒，最終把振搗方案優(yōu)化為在鋼管拱內(nèi)切割出間距為60～70 cm的振搗孔和觀察孔，開孔精確定位避開波紋管，這樣可以在混凝土澆筑時(shí)讓作業(yè)人員在拱腳預(yù)埋鋼管內(nèi)用30型振動(dòng)棒按“快插慢拔”的原則實(shí)施搗固，同時(shí)安排另一班作業(yè)人員在系梁頂面和腹板側(cè)面采用振動(dòng)棒加敲擊的方法進(jìn)行振搗，最后用鋼板把振搗孔和觀察孔焊接封堵（見圖3（b））。

2.1.2 高效審核圖紙

由于簡(jiǎn)支梁拱組合體系橋結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、施工難度大，特別是預(yù)應(yīng)力管道、吊桿、拱肋等細(xì)部結(jié)構(gòu)的相對(duì)空間關(guān)系更是錯(cuò)綜復(fù)雜，傳統(tǒng)二維CAD圖紙是在不同圖紙上展示不同構(gòu)件，在設(shè)計(jì)階段很容易出現(xiàn)不同構(gòu)件之間位置沖突等紕漏或錯(cuò)誤。鑒于部分結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和二維圖紙傳遞設(shè)計(jì)信息的局限性，工程師很難快速準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖紙存在的問題，無(wú)法正確理解設(shè)計(jì)意圖，從而造成損失。運(yùn)用BIM模型可以讓工程師直觀理解設(shè)計(jì)意圖，使設(shè)計(jì)信息完整地傳遞給施工人員，預(yù)先發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題，并快速準(zhǔn)確向設(shè)計(jì)人員反饋信息，提高審圖的效率和準(zhǔn)確度。通過BIM模型還可與設(shè)計(jì)人員搭建有效的溝通平臺(tái)，避免“邊干邊審”傳統(tǒng)模式下造成的誤工、返工現(xiàn)象。按原設(shè)計(jì)內(nèi)外吊桿下部發(fā)生位置沖突見圖4，與設(shè)計(jì)人員溝通后修改的吊桿位置見圖5。

圖3 拱腳振搗優(yōu)化方案

圖4 原設(shè)計(jì)內(nèi)外吊桿的位置沖突

圖5 修改的吊桿位置

2.1.3 技術(shù)交底形象化

運(yùn)用BIM技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜構(gòu)件進(jìn)行形象化的技術(shù)交底，使管理人員和作業(yè)人員深刻理解設(shè)計(jì)意圖、掌握施工方法，避免誤解造成誤工廢料。例如吊桿下異形錨塊部位結(jié)構(gòu)尺寸復(fù)雜，在傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)圖條件下，施工人員很難對(duì)異形錨塊結(jié)構(gòu)有準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)和理解。利用BIM模型的可視化優(yōu)點(diǎn)，把異形錨塊的復(fù)雜結(jié)構(gòu)直觀、形象地展示出來(lái)（見圖6），模板加工尺寸、預(yù)埋鋼管的定位坐標(biāo)、預(yù)埋件角度等實(shí)際施工數(shù)據(jù)也可以全部通過模型獲取，增強(qiáng)項(xiàng)目人員的識(shí)圖能力，提高施工準(zhǔn)確度。

圖6 異形錨塊BIM模型

2.2 碰撞檢測(cè)深化設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)支梁拱組合體系橋設(shè)計(jì)為三向預(yù)應(yīng)力體系，預(yù)應(yīng)力管道比較密集，特別是在拱腳處還有預(yù)埋鋼管，充分利用BIM技術(shù)強(qiáng)大的碰撞檢測(cè)優(yōu)勢(shì)，發(fā)現(xiàn)橫向預(yù)應(yīng)力、縱向預(yù)應(yīng)力等預(yù)應(yīng)力管道與鋼管發(fā)生多處碰撞，碰撞BIM模型見圖7。經(jīng)與設(shè)計(jì)單位溝通，設(shè)計(jì)人員明確可以在拱腳預(yù)埋鋼管上有沖突的位置預(yù)設(shè)孔洞，確保預(yù)應(yīng)力波紋管道可正確通過。

2.3 模擬場(chǎng)地布置

簡(jiǎn)支梁拱組合體系橋的鋼管拱單側(cè)拱肋在工廠制造共分為11個(gè)制造節(jié)段（不含拱腳），左右側(cè)各11個(gè)拱肋節(jié)段，全橋共計(jì)22個(gè)，單節(jié)拱肋最大質(zhì)量26．78 t。由于受場(chǎng)地空間的限制，拱肋安裝時(shí)，施工組織需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇施工方法和機(jī)械設(shè)備，特別是汽車吊的選型要根據(jù)吊裝拱肋的質(zhì)量、起升高度、回轉(zhuǎn)半徑及折減系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。利用BIM技術(shù)可完成有限空間內(nèi)場(chǎng)地的合理布置，有效避免安全隱患和資源浪費(fèi)，進(jìn)一步提高作業(yè)工效。利用BIM技術(shù)模擬拱肋存放見圖8，機(jī)械設(shè)備行走路線見圖9，汽車吊站位及吊裝范圍見圖10。

2.4 四維模擬施工進(jìn)度

圖7 碰撞BIM模型

圖8 拱肋存放區(qū)域

圖9 機(jī)械設(shè)備行走路線

圖10 汽車吊站位及吊裝范圍

在二維傳統(tǒng)模式下，施工進(jìn)度管理在形式上基本通過表格和CAD圖紙呈現(xiàn)，由于信息量匱乏或不全面，很大程度依靠管理人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行決策，施工整體進(jìn)度控制處于“差不多”的估計(jì)狀態(tài)，缺乏精細(xì)的量化分析和精準(zhǔn)判斷。BIM技術(shù)的四維進(jìn)度管理是三維模型與時(shí)間維度緊密結(jié)合的產(chǎn)物，將施工任務(wù)與時(shí)間、結(jié)構(gòu)構(gòu)件、施工階段相互關(guān)聯(lián)，創(chuàng)建四維施工進(jìn)度，不但能夠?qū)κ┕みM(jìn)度進(jìn)行查詢、跟蹤、分析、調(diào)整，還能直觀展現(xiàn)實(shí)際進(jìn)度和計(jì)劃進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度的動(dòng)態(tài)管理。通過四維模擬包含時(shí)間參數(shù)的建造過程，核查工序和工法是否合理以及對(duì)按期實(shí)現(xiàn)進(jìn)度目標(biāo)的影響程度，審核制定的進(jìn)度計(jì)劃是否可行，檢查節(jié)點(diǎn)工期與施工進(jìn)度是否匹配。這些進(jìn)度狀況能夠以天、周、月、季度為單位進(jìn)行正序和倒序的四維動(dòng)態(tài)模擬，施工進(jìn)度信息可以在Navigator與Microsoft Project、Primavera P5、Primavera P3等軟件之間相互導(dǎo)入或?qū)С?，生成有關(guān)的數(shù)據(jù)表，實(shí)現(xiàn)進(jìn)度的量化分析，精準(zhǔn)判斷進(jìn)度狀態(tài)，使管理人員快速掌握實(shí)際工程進(jìn)展情況，及早發(fā)現(xiàn)制約進(jìn)度的關(guān)鍵控制點(diǎn)，優(yōu)化調(diào)整資源配置，確保進(jìn)度管理目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。簡(jiǎn)支梁拱組合體系橋拱肋安裝施工進(jìn)度模擬見圖11。

2.5 快速準(zhǔn)確算量

傳統(tǒng)橋梁工程的工程量清單統(tǒng)計(jì)非常繁瑣且變量多，需要經(jīng)常改動(dòng)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。特別是對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的簡(jiǎn)支梁拱組合體系橋，無(wú)論是梁柱式臨時(shí)支架，還是實(shí)體工程，材料用量種類繁多、數(shù)量龐大，準(zhǔn)確快速算量是個(gè)難題。利用BIM技術(shù)的工程量統(tǒng)計(jì)功能，通過三維模型很快地生成材料清單，有利于項(xiàng)目提前進(jìn)行物資供應(yīng)市場(chǎng)調(diào)查，選擇合適的供貨商及時(shí)預(yù)制定做，可節(jié)省大量重復(fù)性工作，縮短物資進(jìn)場(chǎng)周期，有利于保證施工進(jìn)度。而且BIM模型具有實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)特性，即使數(shù)據(jù)有變也會(huì)根據(jù)聯(lián)動(dòng)特點(diǎn)自動(dòng)調(diào)整，始終保持與實(shí)際項(xiàng)目相符，提高了準(zhǔn)確率及工作效率，也有利于工程成本控制。

以拱腳部位鋼筋工程量計(jì)算為例，利用ProStructure建立拱腳鋼筋模型（見圖12），然后按照工程師習(xí)慣對(duì)鋼筋進(jìn)行編號(hào)，為方便核對(duì)施工圖也可輸入設(shè)計(jì)圖紙上顯示的鋼筋編號(hào)，自動(dòng)生成鋼筋材料統(tǒng)計(jì)表（見圖13），還可直接導(dǎo)出到Excel中完成統(tǒng)計(jì)工作。如果發(fā)生變更可修改模型，材料統(tǒng)計(jì)表會(huì)相應(yīng)自動(dòng)調(diào)整。

圖11 簡(jiǎn)支梁拱組合體系橋拱肋安裝施工進(jìn)度模擬

圖12 拱腳鋼筋模型

圖13 鋼筋材料統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)束語(yǔ)

采用BIM技術(shù)對(duì)鄭萬(wàn)鐵路跨永登高速公路的128 m簡(jiǎn)支梁拱組合體系橋進(jìn)行三維建模，判斷施工方案的可行性和設(shè)計(jì)的正確性，檢查結(jié)構(gòu)碰撞，優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用BIM技術(shù)改進(jìn)了施工工藝，實(shí)現(xiàn)技術(shù)交底的形象化，完成了四維進(jìn)度模擬和快速準(zhǔn)確算量。BIM是近年來(lái)徹底改變工程建筑行業(yè)的一次重大技術(shù)革命，將包含質(zhì)量、安全、時(shí)間、成本等多維信息的工程建造過程提前在計(jì)算機(jī)中形象地進(jìn)行模擬，具有縮短工期、減少工程中摩擦、降低成本、提高管理效率等優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)必將有更廣泛的應(yīng)用。