朱要亮， 王逢朝， 葉 洪， 崔廣強(qiáng)

( 1.福建江夏學(xué)院工程學(xué)院,福建 福州 350108；2.福建省永正工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司,福建 福州 350012)

0 引 言

建筑信息化模型(BIM)作為一種數(shù)據(jù)化工具在現(xiàn)代建筑工程的設(shè)計(jì)、施工以及管理等過程中，發(fā)揮著重要作用[1～2]，因其突出優(yōu)點(diǎn)，故在橋梁工程中也廣泛應(yīng)用[3～5]。然而，常見的BIM軟件存在一定缺點(diǎn)，所以研究人員在BIM基礎(chǔ)上進(jìn)行多維度設(shè)計(jì)，以提高應(yīng)用范圍[6～9]。箱梁常采用變截面形式，工程量計(jì)算復(fù)雜且存在剪力滯現(xiàn)象[10]，現(xiàn)有的橋梁設(shè)計(jì)軟件雖然能夠模擬施工過程、計(jì)算橫截面應(yīng)力，但專業(yè)要求高不易掌握，且不能判斷工期與費(fèi)用消耗情況；BIM軟件又無法監(jiān)控箱梁橫截面應(yīng)力分布?；诖耍恼乱訠IM技術(shù)為思想，采用Visual Basic(VB)可視化技術(shù)，將箱梁的施工過程與實(shí)時(shí)工程量計(jì)算、剪力滯效應(yīng)、工期與費(fèi)用控制統(tǒng)一起來，管理者可根據(jù)計(jì)算結(jié)果，判斷施工過程中的安全、進(jìn)度與費(fèi)用控制情況，具有較高應(yīng)用價(jià)值。

1 懸臂箱梁剪力滯計(jì)算

1.1 等截面箱梁

鑒于大型箱梁在施工中常采用懸臂澆筑施工工藝，文中主要針對(duì)該方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于箱梁肋板間距較大，外荷載引起的剪切變形使得箱梁上下翼板截面不再服從變形平截面假定，采用傳統(tǒng)的初等梁理論顯然無法解決此類問題?；谧钚?shì)能原理，引入豎向撓度w(x)與縱向位移u(x,y)兩個(gè)廣義位移[10]，在計(jì)算應(yīng)變能過程中，對(duì)于肋板僅考慮彎曲應(yīng)變能，對(duì)于上、下翼板則忽略剪切應(yīng)變能與橫向應(yīng)變能，最終得到體系總勢(shì)能表達(dá)式為

(1)

根據(jù)歐拉方程對(duì)上式求極值并結(jié)合邊界條件可得其一般解表達(dá)式為：

(2)

式中u*為僅與剪力Q(x)分布有關(guān)的特解,系數(shù)n、k根據(jù)截面信息確定，系數(shù)c1、c2由邊界條件確定。

1.2 變截面箱梁

由于變截面箱梁的精確勢(shì)函數(shù)求解較為困難，在滿足精度的前提下，可采用差分法進(jìn)行求解，可得：

(3)

寫成矩陣的形式為

[G]{u}={Q}

(4)

式中：

a:差分步長(zhǎng),

{u}={u1,u2,...,un}T,

[G]可以看成是聯(lián)系廣義位移{u}與廣義力{Q}的矩陣，具體可見文獻(xiàn)[10]。最終求出翼板中的應(yīng)力：

(5)

為了實(shí)現(xiàn)剪力滯系數(shù)以及橫截面應(yīng)力分布的可視化設(shè)計(jì)，以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控各施工階段箱梁橫截面應(yīng)力的目的，用戶可在新建工程后，選擇點(diǎn)擊“應(yīng)力監(jiān)測(cè)”，打開相應(yīng)對(duì)話框，通過輸入截面尺寸、荷載形式及大小等參數(shù)，程序會(huì)快速計(jì)算出該施工階段對(duì)應(yīng)的截面應(yīng)力、剪力滯系數(shù)沿著橋梁縱向的分布情況，并以圖形的形式表示出來。此外，程序提供查看功能，以便于工程技術(shù)人員查看各位置處的剪力滯系數(shù)與橫截面應(yīng)力大小，用戶只需要輸入相應(yīng)位置處的縱坐標(biāo)以及橫坐標(biāo)，程序會(huì)顯示出該點(diǎn)處的值，并在圖中顯示處該點(diǎn)。

2 箱梁實(shí)時(shí)工程量設(shè)計(jì)

2.1 施工過程模擬與工程量計(jì)算

能夠顯示施工進(jìn)度情況，并實(shí)時(shí)計(jì)算相應(yīng)階段的工程量是程序主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)之一，為了實(shí)現(xiàn)該目的，在該系統(tǒng)中將橋梁施工過程從整體上分為“橋墩”與“橋跨”兩部分。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，對(duì)于橋墩將其劃分為一個(gè)施工段，即不再分塊。對(duì)于橋跨部分，由于現(xiàn)階段大跨徑箱梁施工以采用懸臂施工為主，故程序以此為主要施工方法，若實(shí)際施工以整體澆筑則僅模擬一個(gè)施工段即可。在“橋跨信息”部分，用戶輸入“橋跨編號(hào)”后即可輸入前后段截面以及擬合曲線、工期與費(fèi)用等信息，程序編號(hào)默認(rèn)從“0”開始。為了保證各段箱梁數(shù)據(jù)輸入的準(zhǔn)確性，程序以“確定”按鈕為判斷依據(jù)，即用戶在完成所有橋跨信息輸入，點(diǎn)擊確定后，“確定”按鈕方能從成可用狀態(tài)變換成不可用狀態(tài)(即灰色)，只有點(diǎn)擊“添加”后，“確定”按鈕方能恢復(fù)至可用狀態(tài)，隨后進(jìn)行下一跨箱梁信息輸入。前后端截面信息以及擬合曲線是箱梁工程中最為重要的數(shù)據(jù)之一，為了保證每個(gè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，在輸入截面信息后，必須進(jìn)行“數(shù)據(jù)檢查”后方可進(jìn)入下一步計(jì)算，若輸入的數(shù)據(jù)不符合常規(guī)則程序會(huì)提供警示，并給出原因，用戶完成相應(yīng)修改后即可進(jìn)行下一步計(jì)算。程序默認(rèn)以橋梁施工為前進(jìn)方向來定義前后端，結(jié)合箱梁長(zhǎng)度與擬合曲線，進(jìn)行等間距劃分，分別計(jì)算出各段箱梁的工程量，最終匯總得到該施工段的工程量。

2.2 進(jìn)度計(jì)劃與費(fèi)用計(jì)劃

為了實(shí)時(shí)監(jiān)控箱梁施工進(jìn)度以及費(fèi)用控制情況，在用戶輸入計(jì)劃工期、實(shí)際工期、計(jì)劃費(fèi)用與實(shí)際費(fèi)用后，程序分別計(jì)算出工期進(jìn)度與費(fèi)用進(jìn)度，并以圖形表示出來。為了使得輸出的進(jìn)度圖形與管理者習(xí)慣一致，各進(jìn)度定義為：PT-計(jì)劃工期進(jìn)度；ST-實(shí)際工期進(jìn)度；PC-計(jì)劃費(fèi)用進(jìn)度；SC-實(shí)際費(fèi)用進(jìn)度；TPi-第i施工段計(jì)劃工期；TSi-第i施工段實(shí)際工期；T總-計(jì)劃總工期；CPi-第i施工段計(jì)劃費(fèi)用；CSi-第i施工段實(shí)際費(fèi)用；C總-計(jì)劃總費(fèi)用。

(6)

(7)

(8)

(9)

3 案例分析

某100m+168m+100m三跨高架橋，其主梁采用箱型截面，橋墩采用分離式截面。橋梁總高25m，其中橋墩高15m，箱梁截面支座處高10.3m，跨中處高3.6m，箱梁沿縱向劃分22段。橋下為公路與高鐵交匯處，考慮交通要求故采用懸臂澆筑的施工方式，計(jì)劃工期540d，總費(fèi)用約2760萬元，其中下部結(jié)構(gòu)費(fèi)用約1100萬元，計(jì)劃工期225d。在樁基施工過程中，因?yàn)槭┕挝粰C(jī)械故障，并由此引發(fā)糾紛導(dǎo)致停工30d。根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)，1-5段費(fèi)用與進(jìn)度安排見表1

表1 前5段懸臂施工費(fèi)用與進(jìn)度表

用戶在完成橋墩與橋跨相應(yīng)施工階段信息輸入時(shí)，程序均會(huì)計(jì)算并輸出實(shí)時(shí)工程量以及進(jìn)度與費(fèi)用完成情況，見圖1所示。同時(shí)通過選擇應(yīng)力計(jì)算模塊，同樣可以計(jì)算出箱梁在集中荷載或均布荷載作用下，各截面處的應(yīng)力分布情況。

(a) (b)

從圖1(a)中看出，當(dāng)橋墩信息輸入后，程序計(jì)算出橋墩混凝土實(shí)時(shí)工程量為613.8m3，實(shí)際進(jìn)度為39.5%，小于計(jì)劃進(jìn)度41.7%，表明進(jìn)度延誤，誤差為2.2%；實(shí)際費(fèi)用進(jìn)度為43%，大于計(jì)劃費(fèi)用進(jìn)度39.9%，表明費(fèi)用超支，誤差為3.1%。經(jīng)過一系列措施，在完成5#塊后，實(shí)際進(jìn)度為58.6%，計(jì)劃進(jìn)度為60.4%，較橋墩階段誤差減小至1.8%，表明進(jìn)度得到一定彌補(bǔ)；實(shí)際費(fèi)用62%，計(jì)劃費(fèi)用57.4%，誤差增大至4.6%，表明費(fèi)用超支加劇。通過結(jié)果可以知道接下來需要繼續(xù)采取措施加快進(jìn)度，并盡量降低支出，否則施工企業(yè)將面臨工期違約以及利潤(rùn)減少甚至虧損可能。

圖2所示為施工完5#后，在懸臂端作用30kN集中力時(shí)，考慮剪力滯效應(yīng)的固定端橫截面1/2梁寬頂板與底板上應(yīng)力分布情況，頂板最大應(yīng)力出現(xiàn)在翼板腹板處，大小為8.533kN/m2；底板最大應(yīng)力發(fā)生在底板腹板處，大小為-6.863kN/m2。通過采用Midas進(jìn)行建模計(jì)算，結(jié)果如圖3所示，對(duì)應(yīng)處的應(yīng)力大小分別為8.7kN/m2和-6.8kN/m2，二者計(jì)算結(jié)果非常接近，最大誤差僅約2%，表明該程序具有足夠的準(zhǔn)確性以及可靠性。從圖中也可以發(fā)現(xiàn)最小應(yīng)力誤差較大，但在實(shí)際設(shè)計(jì)與施工中，會(huì)引起結(jié)構(gòu)破壞的是最大應(yīng)力，所以最小應(yīng)力的誤差可以忽略不用考慮。

(a)1/2梁寬頂板應(yīng)力分布 (b)1/2梁寬底板應(yīng)力分布

(a)Midas模型 (kN) (b)固定端橫截面應(yīng)力分布(kN/m2)

4 結(jié) 論

通過程序可以直觀形象的模擬箱型梁橋施工情況，并能根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算結(jié)果，進(jìn)而判斷進(jìn)度延誤與費(fèi)用超支情況，從而指出接下來的施工管理工作重點(diǎn)，保證工程能夠按期完成。

此外，程序還可以計(jì)算出等截面與變截面箱梁在集中或均布荷載作用下的剪力滯情況，并通過圖形展示出來。通過與Midas模擬結(jié)果對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)二者計(jì)算結(jié)果的最大值十分接近，誤差僅約2%，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

程序兼具施工過程管理與應(yīng)力計(jì)算兩項(xiàng)功能，軟件操作簡(jiǎn)單，結(jié)果形象可靠，在箱梁設(shè)計(jì)與施工過程中，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。