胡 娟 劉海龍 汪 濤

（1 中國(guó)路橋工程有限責(zé)任公司；2 東南大學(xué) 交通學(xué)院)

(3 道路交通工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（東南大學(xué)））

0 引言

裝配式建筑最早在西歐國(guó)家開(kāi)始投入實(shí)際使用，我國(guó)隨著節(jié)段預(yù)制拼裝梁技術(shù)的不斷應(yīng)用，對(duì)該技術(shù)的研究也越來(lái)越深入[1]。節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁的優(yōu)點(diǎn)較多[2,3]：①節(jié)段箱梁在預(yù)制工廠內(nèi)的預(yù)制工作可以和基礎(chǔ)、承臺(tái)、橋墩等工作的施工一同進(jìn)行，節(jié)省工期，有利于加快施工進(jìn)度；②節(jié)段箱梁標(biāo)準(zhǔn)化模板預(yù)制、統(tǒng)一生產(chǎn)，澆筑質(zhì)量高，生產(chǎn)效率較容易得到保證；③節(jié)段預(yù)制完成后具有較長(zhǎng)的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，混凝土完成了大部分的收縮徐變，成橋后線形優(yōu)美；④節(jié)段箱梁在工廠中預(yù)制，方便把鋼筋、管線、水泥漿等施工廢料進(jìn)行統(tǒng)一處理，減少施工現(xiàn)場(chǎng)及周邊區(qū)域的環(huán)境污染；最后，拼裝施工時(shí)無(wú)需搭設(shè)支架，不受地形影響。通常，市政橋梁工程受到場(chǎng)地范圍小、目標(biāo)投入等條件限制，一般采用短線法進(jìn)行節(jié)段預(yù)制。使用短線預(yù)制法的難點(diǎn)在于，箱梁節(jié)段與節(jié)段間的線形和姿態(tài)精度不易滿足設(shè)計(jì)要求，其精準(zhǔn)度很大程度取決于施工班組的經(jīng)驗(yàn)和測(cè)量人員的業(yè)務(wù)熟練度。節(jié)段預(yù)制橋梁的施工線形監(jiān)控大多數(shù)都是通過(guò)第三方軟件計(jì)算生成，數(shù)據(jù)的獲取記錄和調(diào)整過(guò)程是以數(shù)據(jù)坐標(biāo)形式輸出的，無(wú)法通過(guò)直觀的圖形演示達(dá)到方便一線工程人員日常作業(yè)的目標(biāo)。

BIM 技術(shù)在整個(gè)橋梁項(xiàng)目生命周期中的使用帶來(lái)橋梁領(lǐng)域巨大的技術(shù)革新。目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)建成或在建的特大橋梁，如南京長(zhǎng)江五橋、港珠澳大橋和五峰山大橋等，均積極在工程實(shí)施的各個(gè)環(huán)節(jié)運(yùn)用BIM 技術(shù)。具體到橋梁工程涉及的職能單位，應(yīng)用目標(biāo)和側(cè)重點(diǎn)各有不同。設(shè)計(jì)單位的應(yīng)用主要在三維參數(shù)化設(shè)計(jì)、多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)、圖紙校核和工程量統(tǒng)計(jì)等方面。施工單位的應(yīng)用主要在施工方案深化設(shè)計(jì)、輔助重難點(diǎn)技術(shù)的執(zhí)行和協(xié)助項(xiàng)目管理等方面。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的管理模式并沒(méi)有發(fā)生實(shí)質(zhì)性改變，單純?cè)黾踊贐IM 的管理平臺(tái)往往意味著增加相關(guān)工作人員時(shí)間及工作量，可以說(shuō)需求和效益一定程度上限制了BIM 技術(shù)的落地生根。

據(jù)此，本文首先通過(guò)對(duì)不等跨徑連續(xù)變截面預(yù)應(yīng)力箱梁橋進(jìn)行參數(shù)化和精細(xì)化設(shè)計(jì)建模、分析計(jì)算和拼裝施工過(guò)程中的線形控制研究，探索基于BIM 的短線預(yù)制拼裝箱梁橋的設(shè)計(jì)方法和線形監(jiān)控措施。其中Open-Bridge Modeler 軟件中所建立的數(shù)字信息模型，可直接進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋配置、施加邊界條件和荷載作用，從而杜絕了諸如二次建模的偽BIM 做法；基于C#語(yǔ)言的軟件平臺(tái)二次開(kāi)發(fā)思路和方法，可以為同類橋型施工的線形監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)直觀化展示提供借鑒。

1 基于BIM 的參數(shù)化建模方法

基于香港蓮塘-香園圍口岸土地平整及基礎(chǔ)建設(shè)工程中的A 橋按南北方位可分為A-N1、A-S1、A-N2 和A-S2 共四聯(lián)，兩主聯(lián)（A-N1 和A-S1）各十跨，兩副聯(lián)（A-S2 和A-N2）各四跨，均屬于不等跨徑連續(xù)變截面預(yù)應(yīng)力箱梁橋。本研究的主要對(duì)象即是A-N1 橋，其中上部結(jié)構(gòu)的節(jié)段預(yù)制混凝土箱梁段10 跨，共有154 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊，11 個(gè)端頭塊和墩頂塊，圖1 為箱梁段典型截面示意圖，截面幾何尺寸數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

參數(shù)化設(shè)計(jì)是指對(duì)構(gòu)件組成分析以及參數(shù)化模型建立這一整體過(guò)程。參數(shù)化建模構(gòu)成了參數(shù)化設(shè)計(jì)的重要組成部分，使用參數(shù)化建模，編輯復(fù)雜元素的工作將會(huì)非常輕松，用戶無(wú)需再手動(dòng)重建元素，而只需對(duì)用于創(chuàng)建對(duì)象的參數(shù)稍加更改就能獲得不同的結(jié)果。參數(shù)化建模的關(guān)鍵問(wèn)題就是如何創(chuàng)建一個(gè)滿足設(shè)計(jì)要求的參數(shù)化模型，所以在進(jìn)行參數(shù)化建模時(shí)需要考慮多方面的因素：

⑴分析組成零部件幾何形體的基本元素，以及各個(gè)元素之間的關(guān)系；

⑵分析自由參數(shù)與哪些元素有關(guān)，如何保證參數(shù)的自由變化；

⑶確定模型主體參數(shù)及所有的輔助參數(shù)；

⑷在參數(shù)編輯管理工具中設(shè)立相關(guān)的模型參數(shù)公式；

⑸確定特征創(chuàng)建順序，并進(jìn)行模型的創(chuàng)建；

⑹更改各個(gè)自由參數(shù)的值，驗(yàn)證模型的變化是否合理。

圖1 箱梁段典型截面示意圖

表1 箱梁典型截面幾何尺寸數(shù)據(jù)

1.1 參數(shù)化建模軟件平臺(tái)

BIM 技術(shù)的應(yīng)用依托于具體的核心軟件及軟件群實(shí)現(xiàn)，這些核心軟件是BIM 技術(shù)得以發(fā)展與廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)與前提。美國(guó)Building Smart 聯(lián)盟主席Dana K.Smith 在其著作中給出這樣的結(jié)論：“依靠一個(gè)軟件解決所有問(wèn)題的時(shí)代已經(jīng)一去不復(fù)返了”[3]。由于BIM 技術(shù)涉及到工程項(xiàng)目上下游的各層次與工程相關(guān)的各領(lǐng)域，所以僅僅依托單一軟件難以實(shí)現(xiàn)BIM 技術(shù)的所有方面內(nèi)容，基于核心軟件平臺(tái)搭建的軟件系列和軟件群是當(dāng)前BIM 技術(shù)應(yīng)用的普遍解決方案。行業(yè)內(nèi)主流的服務(wù)提供商包括以AutoCAD 和Revit 軟件為核心的美國(guó)Autodesk 公司、以MicroStations 和OpenBridge Modeler 為核心的Bentley 公司、以ArchiCAD 和Allplan為核心的德國(guó)Nemetschek 公司以及以CATIA 和ABAQUS 為核心的法國(guó)Dassault 公司，其實(shí)際應(yīng)用優(yōu)缺點(diǎn)的總結(jié)比較見(jiàn)表2。

在具體的橋梁工程項(xiàng)目中，從項(xiàng)目最開(kāi)始的方案設(shè)計(jì)，到將設(shè)計(jì)書上具體的設(shè)計(jì)任務(wù)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)到的模型方案，再到設(shè)計(jì)完成后的設(shè)計(jì)出圖等內(nèi)容，僅僅依靠一項(xiàng)單一的核心軟件是完成不了的，也需要其他軟件支持。一個(gè)成熟的橋梁工程BIM 技術(shù)解決方案應(yīng)當(dāng)包括：方案設(shè)計(jì)、深化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析軟件、可視化和運(yùn)營(yíng)管理軟件等?；谏鲜鰧?duì)現(xiàn)今市場(chǎng)上的主流軟件的介紹，Bentley 系列軟件在道路橋梁領(lǐng)域提供了一整套完整且較為成熟的解決方案，因此本文采用了Bentley 系列軟件進(jìn)行橋梁的參數(shù)化模型設(shè)計(jì)和正向設(shè)計(jì)研究。

1.2 參數(shù)化建模方法與成果

表2 主流BIM核心軟件應(yīng)用優(yōu)劣

以常見(jiàn)的梁橋來(lái)說(shuō)，其橋梁構(gòu)件主要包括主梁、橋墩、橋臺(tái)、樁柱、橫向加勁肋和支座、護(hù)欄、燈柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件。橋梁參數(shù)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是實(shí)現(xiàn)各構(gòu)件的參數(shù)化。當(dāng)前OpenBridge Modeler 中支持的橋梁類型有：預(yù)應(yīng)力（預(yù)張緊）梁和板橋、鋼結(jié)構(gòu)梁和板橋（軋制形狀或組合）、板橋、節(jié)段預(yù)制箱梁橋、懸澆橋（逐跨平衡懸臂）等，暫不適用于較為復(fù)雜的斜拉橋、拱橋和懸索橋等模型的建立。各類型橋梁的上部結(jié)構(gòu)建模流程總體相似，建模步驟如下：

⑴上部結(jié)構(gòu)建模。獲取橋位所在地形環(huán)境的dtm 文件和橋梁線形dgn 文件導(dǎo)入OpenBridge Modeler 軟件平臺(tái)，選擇節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁（Segmental）。依據(jù)橋梁縱向橋臺(tái)和橋墩分布放置布跨線，針對(duì)橋面板懸臂端的長(zhǎng)度變化添加與橋梁跨徑相關(guān)聯(lián)的變量約束，參數(shù)化自定義主梁橫截面。主梁箱型截面定義好之后，選擇窗口工具欄“實(shí)體約束定義”，設(shè)置橋A-N1 縱向上的截面變化類型和梁高的變化。

⑵下部結(jié)構(gòu)建模。按通用橋墩?qǐng)D紙的尺寸設(shè)計(jì)，調(diào)用OBM 軟件庫(kù)中的橋墩和兩側(cè)橋臺(tái)的模板庫(kù)，通過(guò)自定義參數(shù)進(jìn)行尺寸修改，自動(dòng)匹配契合到對(duì)應(yīng)布跨線位置處的上部結(jié)構(gòu)底端處。一定數(shù)量的異形花瓶墩，采用MicroStation 平臺(tái)進(jìn)行自定義設(shè)計(jì)。

⑶支座及附屬設(shè)施建模。支座默認(rèn)采用橡膠支座，附屬設(shè)施尺寸形式參照?qǐng)D紙進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體操作時(shí)，在OpenBridge Modeler 平臺(tái)中，調(diào)用支座、護(hù)欄等模板，選擇布梁線后，系統(tǒng)自動(dòng)匹配到已建成的箱型截面主梁橋面板合適位置處。

基于網(wǎng)格化地形和路線的橋A-N1 整體三維數(shù)據(jù)信息化模型見(jiàn)圖2。

2 短線匹配法線形糾偏二次開(kāi)發(fā)

2.1 監(jiān)控線形控制方法

圖2 A- N1 預(yù)制箱梁橋數(shù)據(jù)信息化模型

短線匹配法預(yù)制，是將連續(xù)梁劃分為多個(gè)短節(jié)段，考慮荷載、預(yù)拱度、混凝土彈性模量、收縮徐變等因素后，將橋梁結(jié)構(gòu)線形空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成預(yù)制單元坐標(biāo)系，以相鄰的前一梁段作為匹配梁段來(lái)控制待澆梁段的幾何尺寸和線形，確保相鄰梁段的拼接精度，圖3 為梁段預(yù)制示意圖。文獻(xiàn)[4]指出短線法預(yù)制幾何控制流程，在每塊梁段的預(yù)制完畢過(guò)程中，該梁段施工誤差將在該塊梁段移至匹配梁段的位置時(shí)，短線法誤差控制系統(tǒng)將自動(dòng)比較匹配各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)所給定的理論目標(biāo)值的差別并提出后續(xù)待匹配梁段各測(cè)點(diǎn)目標(biāo)值。

圖3 短線梁段預(yù)制示意圖

假設(shè)預(yù)制節(jié)段頂面理論上是一個(gè)平面，若高程控制點(diǎn)誤差發(fā)展延伸到整個(gè)節(jié)段，則箱梁頂面將會(huì)成為一個(gè)翹曲的雙曲面，四個(gè)高程控制點(diǎn)很難恰巧處于同一個(gè)平面內(nèi)。因此，幾何控制點(diǎn)偏離其理論高程位置，將形成高程誤差和接縫面橫坡誤差。在忽略新澆筑節(jié)段在其澆筑位置發(fā)生水平位置偏離的前提下，采用分段閾值逐次糾偏法對(duì)短線匹配法的線形進(jìn)行糾偏，即不在當(dāng)下新澆筑的箱梁節(jié)段的澆筑過(guò)程中一次性地將誤差調(diào)整掉，而是期望在之后的若干個(gè)節(jié)段的澆筑過(guò)程中，逐步地將此前存在的高程偏差分?jǐn)偟簦_(dá)到誤差糾正的目的。根據(jù)節(jié)段施工的經(jīng)驗(yàn)性誤差數(shù)據(jù)，設(shè)定相對(duì)高程誤差閾值，例如：

式中：

η——節(jié)段高程控制線控制點(diǎn)的相對(duì)高程誤差；

Zi——節(jié)段高程控制線控制點(diǎn)的理論高程坐標(biāo)；

Zi1——節(jié)段高程控制線控制點(diǎn)的實(shí)測(cè)高程坐標(biāo)；

⑴相對(duì)高程誤差η≤α%，新澆筑節(jié)段一次性糾正上一節(jié)段的誤差；

⑵相對(duì)高程誤差α%＜η＜b%，待澆筑兩節(jié)段均分糾正當(dāng)前節(jié)段的誤差；

⑶相對(duì)高程誤差b%＜η＜c%，待澆筑三節(jié)段平均糾正當(dāng)前節(jié)段的誤差；

⑷相對(duì)高程誤差η＞c%，待澆筑四節(jié)段平均糾正當(dāng)前節(jié)段的誤差。

圖4 二次開(kāi)發(fā)的編程框架示意圖

表3 程序框架具體模塊功能描述

2.2 線形糾偏二次開(kāi)發(fā)

根據(jù)上述的施工監(jiān)控線形糾偏思路，本研究基于OpenBridge Modeler CONNECT Edition SDK 和Visual Studio 2017，采用C# 語(yǔ)言進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)[5]，BridgeSolution 程序框架如圖4 所示，具體模塊的功能說(shuō)明見(jiàn)表3。

在此程序框架下，用戶可以進(jìn)入OpenBridge Modeler 軟件主菜單下，使用key-in 命令加載自定義的Bridge 施工監(jiān)控插件，完成對(duì)工程節(jié)段箱梁理論線形的建立。在此基礎(chǔ)上，添加表格坐標(biāo)數(shù)據(jù)行，手動(dòng)輸入施工監(jiān)測(cè)高程至目前施工號(hào)段，點(diǎn)擊更新高程按鈕，誤差和調(diào)整立模高程即自動(dòng)計(jì)算出來(lái)。選定適當(dāng)?shù)目s放比例，繪制所需的三維線形Z 或者Z＇，刷新模型窗口進(jìn)行投影顯示。

因此，OpenBridge Modeler 窗口范圍內(nèi)的誤差表示曲線，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)查看和延伸，不單單只是以圖線的形式展現(xiàn)實(shí)際與理論之間的誤差，而是實(shí)現(xiàn)包括誤差的閾值判斷、調(diào)整分配與糾正反饋在內(nèi)的閉環(huán)工作流程。

程序插件功能測(cè)試過(guò)程中，將節(jié)段幾何控制點(diǎn)的理論高程曲線（藍(lán)色）、實(shí)測(cè)高程曲線（黑色）、高程偏差連線（橙色）和誤差顏色預(yù)警（扁平圓錐體）在同一個(gè)三維立體坐標(biāo)中生成，圖5 實(shí)現(xiàn)直觀展示監(jiān)控線形的糾偏效果。

圖5 二次開(kāi)發(fā)的線形糾偏效果

3 小結(jié)

本研究將BIM 技術(shù)引入短線預(yù)制拼裝的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的設(shè)計(jì)和施工階段，通過(guò)借助Open Bridge Modeler、RM Bridge 和相關(guān)程序開(kāi)發(fā)軟件，進(jìn)行了預(yù)制箱梁橋結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模和施工監(jiān)控的線形糾偏二次開(kāi)發(fā)。并得出以下結(jié)論：

⑴基于BIM 技術(shù)建立節(jié)段預(yù)制箱梁橋的精細(xì)的三維參數(shù)化模型，一定程度上杜絕傳統(tǒng)設(shè)計(jì)長(zhǎng)期存在重復(fù)建模的低效率現(xiàn)狀。

⑵基于對(duì)水平方向偏差的忽略，短線匹配法的線形糾偏施工監(jiān)控可以使用分段閾值逐次糾偏法的開(kāi)發(fā)思路；立足于Open Bridge Modeler 軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，直觀方便地克服箱梁節(jié)段與節(jié)段間的線形和姿態(tài)滿足精度要求的難點(diǎn)。