(1. 北京城建道橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100124； 2. 北京公聯(lián)公路聯(lián)絡(luò)線有限責(zé)任公司，北京 100036)

目前BIM技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于工程建設(shè)中，尤其是在異形結(jié)構(gòu)建筑中發(fā)揮了極其重要的作用。但正向三維建模及施工階段的三維設(shè)計(jì)的應(yīng)用并不廣泛，傳統(tǒng)建筑翻模不足以支撐異形復(fù)雜結(jié)構(gòu)建造中的BIM技術(shù)的實(shí)施應(yīng)用。長安大橋工程大量運(yùn)用了非一致曲率曲線形成的空間彎扭鋼塔以及變截面鋼梁，給工程建造帶來了巨大的挑戰(zhàn)。本工程施工階段運(yùn)用三維設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)合BIM技術(shù)的高效施工深化，實(shí)現(xiàn)了全過程地?cái)?shù)字化建造。本文通過對長安大橋施工中三維設(shè)計(jì)的應(yīng)用實(shí)例的介紹，以期為類似工程提供借鑒[1-3]。

1 工程概況

長安大橋又名長安街西延跨永定河特大橋，是長安街西延項(xiàng)目的標(biāo)志工程，設(shè)計(jì)意向?yàn)椤昂狭χT”(見圖1所示)。主橋跨越西六環(huán)、蓮石湖公園、永定河、豐沙鐵路，與永定河斜交57.4°，主橋全長639m，主跨280m，鋼梁最寬處為54.9m，為大橫梁連接的分離式鋼箱結(jié)構(gòu)。鋼塔為邁步空間非一致傾斜的橢圓拱形結(jié)構(gòu)，最大塔高(高塔)為124.26m，斷面尺寸為15m×15m至4.6m×3.3m漸變。

圖1 長安街西延長安大橋效果圖

2 基于BIM 技術(shù)建立鋼結(jié)構(gòu)安裝及檢驗(yàn)控制技術(shù)與系統(tǒng)

2.1 基于BIM的空間鋼結(jié)構(gòu)預(yù)拼裝理論與技術(shù)

項(xiàng)目基于BIM技術(shù)，通過施工正向建模在設(shè)計(jì)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行施工深化模型的建立，建立空間鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)化拼裝BIM標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件模型和預(yù)拼裝BIM模型以及輔助構(gòu)筑物模型，形成不同的施工工藝的空間鋼結(jié)構(gòu)BIM模型數(shù)據(jù)庫[4-5]；結(jié)合IT技術(shù)，對設(shè)計(jì)模型與實(shí)體構(gòu)件模型進(jìn)行對比，研究模型比對中坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換和控制點(diǎn)的設(shè)置等問題，分析結(jié)構(gòu)接口間隙與錯邊量誤差，修正設(shè)計(jì)理論BIM模型，得到可用于預(yù)拼裝的包含加工實(shí)體精確數(shù)據(jù)的施工BIM模型；同時(shí)引入蒙特卡羅隨機(jī)理論，對結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和歸納，研究空間鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的概率分布類型和數(shù)字特征，建立基于BIM的空間鋼結(jié)構(gòu)預(yù)拼裝可靠性評估模型[6-7]；綜合以上成果，建立基于BIM的空間鋼結(jié)構(gòu)預(yù)拼裝理論，形成可用于工程應(yīng)用的成套預(yù)拼裝技術(shù)[8]。

2.2 實(shí)現(xiàn)空間鋼結(jié)構(gòu)安裝過程時(shí)變分析與仿真技術(shù)

基于正向三維施工深化設(shè)計(jì)的成果，采用有限元分析方法，對鋼結(jié)構(gòu)安裝全過程、拼裝節(jié)點(diǎn)及特殊受力點(diǎn)等關(guān)鍵點(diǎn)處的內(nèi)力分布規(guī)律、受力機(jī)理及相關(guān)參數(shù)的影響進(jìn)行分析；在此基礎(chǔ)上，形成全面反映鋼結(jié)構(gòu)性態(tài)隨時(shí)間演化的模型庫，結(jié)合仿真分析與模擬，得到最優(yōu)的仿真模擬方案，對空間鋼結(jié)構(gòu)安裝全過程進(jìn)行時(shí)變分析，形成合理的時(shí)變分析方法；基于BIM可靠性評估模型，進(jìn)行空間鋼結(jié)構(gòu)安裝過程的時(shí)變可靠性能分析，建立以承載力、變形和安裝誤差等多種指標(biāo)下的失效模式方程，分析鋼結(jié)構(gòu)安裝過程的失效機(jī)理和可靠性，構(gòu)建基于結(jié)構(gòu)失效概率和可靠度指標(biāo)的安全判斷準(zhǔn)則和評估分級；通過空間鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中的偏差統(tǒng)計(jì)，建立相應(yīng)的空間鋼結(jié)構(gòu)誤差預(yù)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)，從而修正已有待安裝BIM鋼構(gòu)件模型，建立基于BIM的空間鋼結(jié)構(gòu)安裝全過程的動態(tài)跟蹤控制體系及仿真分析系統(tǒng)。

3 基于三維設(shè)計(jì)與BIM技術(shù)的解決項(xiàng)目建造難點(diǎn)的應(yīng)用

(1)針對塔梁、墩固結(jié)處的塔梁結(jié)合區(qū)錨拉桿安裝精度高，大型構(gòu)件就位難度大以及超大承壓板薄層后注漿質(zhì)量要求高的難題，項(xiàng)目基于三維設(shè)計(jì)建立工程施工三維模型，采用BIM模擬技術(shù)[9]、孔組誤差理論、仿真分析技術(shù)等手段制定解決工藝。

1)根據(jù)設(shè)計(jì)模型與BIM工具進(jìn)行安裝模擬，分析塔梁墩固結(jié)處就位的影響因素，采用群孔誤差理論分析，確定錨拉桿加工、安裝、承壓板開孔的誤差要求，根據(jù)誤差要求進(jìn)行有限元分析設(shè)計(jì)錨拉桿定位架并進(jìn)行確保定位架剛度與強(qiáng)度，為方便施工設(shè)計(jì)新式組合定位架體系，對定位板采用精密加工，確保錨拉桿安裝位置偏差符合要求；

2)對于大型構(gòu)件就位難題，采用DELMIA對設(shè)計(jì)模型進(jìn)行模擬安裝，制定切實(shí)可行的就位方案，根據(jù)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行吊耳深化設(shè)計(jì)，并且研制新型激光對準(zhǔn)設(shè)備確保測量準(zhǔn)確性與就位姿態(tài)調(diào)整精度；

3)對于超大承壓板薄層后注漿質(zhì)量要求高的難題，采用仿真分析與實(shí)體試驗(yàn)相結(jié)合的方式進(jìn)行解決。根據(jù)設(shè)計(jì)模型與設(shè)計(jì)要求，采用CATIA與專業(yè)流體分析方法對注漿過程進(jìn)行仿真分析，并設(shè)計(jì)分節(jié)段的實(shí)體注漿試驗(yàn)對仿真分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)理論分析與實(shí)體試驗(yàn)的吻合，根據(jù)分析與試驗(yàn)結(jié)果制定施工方案。

(2)針對非一致曲率曲面高強(qiáng)度板單元高精度加工的難題，通過對設(shè)計(jì)模型的深化設(shè)計(jì)與數(shù)字化加工結(jié)合，并通過實(shí)體試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證總結(jié)的方式進(jìn)行研究。

1)使用CATIA對設(shè)計(jì)模型進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，對非一致曲率曲面板單元進(jìn)行精確展開指導(dǎo)加工下料、合理布置板單元成型控制點(diǎn)從理論上確保加工精度；

2)根據(jù)理論分析結(jié)果，制定實(shí)體加工試驗(yàn)加板單元試驗(yàn)件，對加工的試驗(yàn)件進(jìn)行檢驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)理論分析與實(shí)體試驗(yàn)的吻合，根據(jù)分析與試驗(yàn)結(jié)果制定加工方案。

(3)針對空間彎扭鋼塔節(jié)段安裝過程中吊裝位形、節(jié)段就位、支架體系變形與索塔變形的精確調(diào)整與控制的難題。

1)采用BIM模擬技術(shù)安裝模擬技術(shù)模擬吊裝過程，確定鋼節(jié)段吊裝理論位形，應(yīng)用研發(fā)的新型吊索具對實(shí)際吊裝中節(jié)段的位形進(jìn)行精確控制，確保安裝過程中吊裝位形；

2)利用“生死單元”有限元計(jì)算方法，對安裝過程中索塔與支架體系的協(xié)調(diào)變形與受力進(jìn)行分析，并通過多種校核方法復(fù)核結(jié)果，確保分析結(jié)果與實(shí)際工況相符合[10]；

3)根據(jù)理論分析結(jié)果，采用“正拆倒裝法”確定索塔安裝過程中的預(yù)拋高值，使用預(yù)拋高的方法實(shí)現(xiàn)索塔變形的精確調(diào)整與控制。

4 三維設(shè)計(jì)建模在長安大橋應(yīng)用中的問題和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

(1)三維設(shè)計(jì)建模容易出現(xiàn)的誤區(qū)

1)只能有了全部圖紙才能建模；

2)建模只是將圖紙的二維信息轉(zhuǎn)化成三維模型；

3)建模應(yīng)該一次性全精度建模；

4)模型的幾何外表就是模型質(zhì)量；

5)軟件什么都能實(shí)現(xiàn)。

(2)容易出現(xiàn)錯誤的地方

1)建模使用的軟件版本、數(shù)據(jù)交互格式以及交互規(guī)則；

2)建模的結(jié)構(gòu)樹的劃分原則；

3)將所有相關(guān)的模型繪制到一個文件中；

4)在建復(fù)雜模型時(shí)，所有內(nèi)容均使用的原本軟件定義的顏色；

5)在建復(fù)雜模型時(shí)，不注重模型的命名方式。

(3)應(yīng)對辦法

1)建模應(yīng)該一定圖紙的前提即可開始對現(xiàn)有圖紙進(jìn)行確認(rèn)問題，這樣可以及時(shí)更正圖紙問題，一般按圖紙類型進(jìn)行分類建模，先修改單類圖紙中的問題，再糾正綜合各專業(yè)圖紙的問題比較合理；

2)建模類似一種圖紙審核的手段，可以提高新員工的圖紙的理解，同時(shí)更加利于圖紙問題的說明；

3)建模應(yīng)該結(jié)合項(xiàng)目情況，分梯度進(jìn)行建模，這樣不至于圖紙更新后大面積的帶來模型重復(fù)制作的情況；

4)模型的質(zhì)量應(yīng)該分為層級架構(gòu)、幾何精度、屬性信息以及是否方便查找檢索等方便。

(4)軟件是基于實(shí)踐的產(chǎn)物，基于當(dāng)前硬件以及應(yīng)用環(huán)境的考量，必然有一定的適用范圍

1)建模使用的軟件版本、數(shù)據(jù)交互格式以及交互規(guī)則應(yīng)當(dāng)在建模之初盡量確定下來，過程盡量減少變更，降低交互的門檻；

2)建模的結(jié)構(gòu)樹的劃分原則應(yīng)當(dāng)充分考慮分部分項(xiàng)以及施工工藝順序；

3)將所有相關(guān)的模型繪制到一個文件中是一般高效的建模方式，帶來的問題就是建?？赡苣Ｐ蛿?shù)據(jù)量過大，對硬件要求過高，且后續(xù)可修改時(shí)繁瑣程度增加，應(yīng)當(dāng)在建模時(shí)考慮模型后續(xù)的應(yīng)用環(huán)境后規(guī)范下來，提高模型的使用效率；

4)在建復(fù)雜模型時(shí)，顏色過濾是一個常用的手段?？梢愿鶕?jù)規(guī)則編制相應(yīng)顏色應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，來提高模型辨識程度和過濾效率；

5)通過建立相應(yīng)的建模命名規(guī)范，提高模型的可讀性。

5 結(jié)語

隨著中國城市化進(jìn)程的加快和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，未來大型場館、交通樞紐、工業(yè)廠房以及商務(wù)高層建筑的投資將不斷加速，中國鋼結(jié)構(gòu)的市場規(guī)模還將穩(wěn)步增長，以及BIM技術(shù)的廣泛應(yīng)用如何有效地提高BIM技術(shù)應(yīng)用的水平成為從業(yè)者的目標(biāo)。由三維模型設(shè)計(jì)技術(shù)引出的建筑模型正向建模就是完成BIM技術(shù)應(yīng)用水平提升的基礎(chǔ)，數(shù)字仿真技術(shù)及三維掃描技術(shù)、數(shù)字模擬三維掃描虛擬預(yù)拼裝技術(shù)等BIM技術(shù)的進(jìn)一步的深度應(yīng)用，都將以正向工程建模為基礎(chǔ)它對于BIM技術(shù)應(yīng)用的升級有著十分巨大的意義。

本文以長安大橋項(xiàng)目通過此次實(shí)踐有效地提高了項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的BIM技術(shù)的應(yīng)用水平。從實(shí)際需求出發(fā)展開的BIM技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐，取得了良好的應(yīng)用效果，不僅優(yōu)化降低了施工成本，同時(shí)為工程的建造節(jié)省了資源、縮短了工期、創(chuàng)造了可觀的社會價(jià)值。