BIM技術在鋼橋制造中的應用研究方向探討

■ 宋紅飛 常順志 梁善國 魏云祥 李硯秋

BIM技術在鋼橋制造中的應用研究方向探討

■ 宋紅飛 常順志 梁善國 魏云祥 李硯秋

通過對BIM技術特點與優勢及目前工廠鋼橋制造特點進行探討分析，以重慶新白沙坨長江大橋鋼桁梁制造項目為依托，確定BIM技術在鋼橋制造中的應用研究方向為制造工藝圖的自動轉化、BIM與數控設備接口、BIM與ERP管理系統接口以及模擬試拼裝，進而將BIM技術引入到鋼橋制造領域中。

BIM； 鋼橋；制造工藝圖； 數控設備； ERP管理系統

0 引言

近年來，我國橋梁建設發展迅速，但是鋼橋所占的比例仍很低。據不完全統計，全國公路59萬座橋梁中鋼橋不足2%，而美國鋼橋約占33%，日本鋼橋約占41%。可以預計，未來幾十年隨著我國交通建設及城市化進程的加快，鋼橋以其抗震性好、自重輕、施工周期短、綠色環保，在國內將有巨大的市場。尤其是大型、特大型鋼橋項目，如已建及在建的南京大勝關長江大橋、重慶新白沙坨長江大橋、港珠澳大橋等；即將建設的平潭海峽大橋、滬通長江大橋、洞庭湖大橋等大型項目，對鋼橋制造與施工提出了更高的要求。

BIM以3D數字技術為基礎，集成了建筑工程項目各種相關信息的工程數據模型，作為一個平臺將建筑物生命周期不同階段的數據、過程和資源整合起來形成對工程對象的完整描述。BIM通過建立單一工程數據源，解決了分布式、異構工程數據之間的一致性和全局共享問題，并支持建筑生命周期動態的工程信息創建、管理和共享[1-2]。

1 BIM技術在鋼橋制造中的優勢與研究方向

1.1 重慶新白沙沱大橋簡介

重慶新白沙沱大橋主橋采用（81+162+432+162+ 81）m鋼桁梁斜拉橋。鋼梁為N型桁架，兩層橋面布置。主桁橫向設置兩片，為直桁結構。上層橋面為正交異性板整體橋面，下層橋面為縱橫梁結構[3]。

新白沙沱大橋鋼梁桿件數量多，包括主桁上下弦桿、斜桿、豎桿，下層橋面橫梁、縱梁，上層橋面板單元、橫梁、縱梁，平聯桿件，橫聯及橋門架桿件以及連接板等。桿件結構復雜，主桁弦桿采用焊接整體節點結構，集熔透對接、熔透角接、棱角焊縫以及貼角焊縫等多種焊縫于一體，焊接量大，焊接變形不易控制；上弦桿在節點部位還設置錨固裝置。該橋大部分桿件采用栓接連接，其中整體節點弦桿較為典型，栓孔空間關系復雜，除節點外兩端設有栓孔，節點部位還設有腹桿（斜桿和豎桿）連接孔、平聯連接孔、橫梁連接孔等，栓孔呈多方位、多角度布置，精度要求極其嚴格。

由于結構的復雜性，造成了出現問題的可能性，比如桿件連接問題、碰撞問題致使返工、工期延遲等；另外，結構的復雜性與多樣性也導致制造的復雜性，比如技術準備難度大、制造工序復雜，不易于生產配套管理等。

1.2 BIM在技術準備中的優勢與研究方向

目前，技術準備工作主要依據設計院提供的二維設計圖展開，主要包括設計圖的工藝性審核、采購材料單編制、制造工藝圖轉化以及工藝編制等工作（見圖1）。設計圖的工藝性審核，主要從制造角度出發，對其構件不利于制造之處提出建議，同時兼顧設計的準確性審核，主要對構件規格數量、連接狀況、有否碰撞沖突等方面進行審核，對其疏漏錯誤之處提出修訂。根據設計圖進行備料，即進行采購材料單的編制。對異形板件要進行套料定制，以降低材料消耗。制造工藝圖的轉化，主要是根據二維設計圖，在充分考慮工廠設備能力之后，將制造方案充分體現在其中。技術準備的周期與質量是鋼梁制造項目控制的關鍵，而作為其中重要一環的制造工藝圖的轉化過程需要占用大量人力、時間和資源，而且在轉化過程中還不可避免地由于人為因素而出現錯誤，需要再進行多次的復核、審核。

圖1 基于BIM技術的技術準備流程

利用BIM技術，對鋼橋進行3D建模，可進行設計結構的碰撞沖突分析、構件連接狀況分析，使設計圖的工藝性審核得以簡化；利用3D模型，進行制造工藝圖的自動轉化，避免出現人為轉化錯誤，同時，在3D模型的某一構件上進行修改，由于其關聯性，將引起所有與其有邏輯關系同步修改，這也將大大降低技術人員的重復勞動和錯誤率[4]。因此，BIM技術的運用可以實現制造工藝圖的自動轉化，不僅解放了設計階段的大量人力，對工廠制造成本、質量、工期控制都有著重要的意義。

另外BIM的3D模型，可以自動創建各類報表，實現工程量清單、材料清單、零部件分類匯總的自動化。

1.3 BIM在數控設備使用中的優勢與研究方向

鋼橋部件的制造車間在關鍵工序上都配置了數控設備、智能化設備等，如在下料工序，配置了數控切割設備；在機加工工序，配備了數控機床；在鉆孔工序，配置了數控鉆孔設備；在焊接工序，配置了焊接機器人等。這些先進設備使用的前提是編制數控切割程序。該程序的編制需要依據精確繪制的程序切割用圖紙。然而，因為數據源使用的非單一性，造成了這些圖紙與相關工藝文件不存在關聯關系。當需要修改或者改變工藝時，必須繪制新的圖紙。這些數據的人為修改、傳遞中間環節較多，在修改現有錯誤的同時產生新的錯誤或者發生漏傳現象的幾率顯著增加。

而BIM技術建立起了單一數字化數據源，參與加工的數控設備直接使用數字化數據源。單一數據源，確保信息的準確性和一致性，從根本上解決了基于紙介質方式進行信息交流形成的“信息斷層”和應用系統之間“信息孤島”問題。

BIM全面支持數字化的、采用不同設計方法的工程設計，實現設計的集成化、網絡化和智能化，通過實現BIM與數控設備的接口，可直接用于各種數據格式的數控切割設備、數控機床、數控鉆孔設備等先進設備，無需對數據進行人工轉換，減少錯誤率和漏改率。

1.4 BIM在試拼裝中的優勢與研究方向

鋼橋制造中的試拼裝環節是必不可缺的一環。試拼裝可以在鋼橋正式安裝之前發現和解決以下兩個問題，一是構件間細部設計是否有碰撞等無法連接的問題，二是驗證工廠制造工藝及裝備是否合理、制造精度滿足橋梁安裝需求的問題。這樣可以在橋梁構件從工廠運輸到橋址前，先行解決問題，減少因上述問題帶來的時間及經濟成本的增加。但是，大型鋼橋構件數量繁多（少則數千，多則上萬），構件間的連接關系復雜，采用二維圖設計，完全依靠設計人員核圖工作的耐心細致，來檢查確認設計的正確性，難以完全發現設計中可能存在的構件間連接碰撞、相離及其它形式的問題，這些問題往往會延續到鋼橋構件試拼裝時才能發現。

BIM技術作為以全橋三維建模為基礎的一項技術，所有構件在設計階段都是1:1完全的三維體，在這個全橋的三維模型中，通過自動校核，可以發現碰撞、相離等問題，這樣首先從根本上保證了復雜鋼橋構件連接關系的正確性。可以說，BIM技術的應用會為橋梁制造提供一個契機，可以想象，在橋梁制造中對制造出的構件采用一種方式，測量出需要的精度范圍內構件的完全實際形狀，然后將測量結果返回到BIM三維模型中，利用設計模型與實際測量結果對比，以達到傳統鋼橋制造試拼裝的作用，從而省掉實體試拼裝工序，達到節約制造成本，縮短制造周期的目的。

1.5 BIM對ERP管理系統的接口與優勢

ERP是一種主要面向制造行業進行物質資源、資金資源和信息資源集成一體化管理的企業信息管理系統[5]。作為一項非常先進全面有效的管理系統，然而在中國企業的實際推廣應用中成功率卻不足20%。制造企業在引入ERP系統后，對于實際參與其中的人來說，除了各項優點外，主要存在兩方面的問題：第一是系統相對復雜，需要參與其中的人員有一定的知識基礎；第二是為了使ERP系統得到全面有效的應用，需要由人工錄入大量的原始數據，消耗一定的人力資源，且容易出現錯誤。

BIM技術作為一項針對產品的技術，對于產品數據來說，可以從BIM模型中直接提取產品明細、物料清單及完成材料需求計劃等，這樣可以避免大量的人工操作，節省了人力及時間的同時保證了各類數據的準確性。同時，在制造過程中及制造完成后產生的一些數據也將添加到BIM模型中，對于ERP管理系統來說，凡是與產品直接相關的數據幾乎都可以從BIM模型中直接提取。因此，BIM技術對于ERP管理系統來說是迫切需要的。

2 結束語

由于BIM技術可實現建筑全生命周期的信息共享、信息可預測和可控制，支持設計與施工一體化，因此，BIM技術應用，在性能上能夠更好地理解設計概念，使各參與方能夠共同解決存在的問題；在效率上能夠降低信息轉換錯誤和損失，實現更快的建設周期；在質量上能夠減少錯誤和遺漏，避免重復勞動，浪費時間等；在安全上能夠提升施工現場安全；在可預測性上能夠更精確地預測建設成本和時間。據國外研究表明，BIM技術的應用可使建設項目總體周期縮短，包括節省溝通及信息搜索時間，節約工程成本，是“未來改進建筑設計、建造、管理過程的重要推動力量”。目前BIM在鋼橋中的應用研究剛剛開始，還需要多層級、多方面的探索。

[1] 張建平. BIM技術的研究與應用[J]. 施工技術，2012 (2)：15-18.

[2] 何關培. BIM總論[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2011.

[3] 中鐵大橋勘測設計院集團有限公司. 重慶至貴陽線擴能改造工程新白沙坨長江大橋施工圖[Z]. 武漢，2012.

[4] 李紅學，郭紅領，高巖，等. 基于BIM的橋梁工程設計與施工優化研究[J]. 工程管理學報，2012，26(6)：48-52.

[5] 林健，張玲玲. ERP的未來趨勢發展研究[J]. 系統工程理論與實踐，2002(4)：69-74.

宋紅飛：中鐵山橋集團有限公司， 高級工程師，河北 秦皇島，066205

常順志：中鐵山橋集團有限公司，高級工程師，河北 秦皇島，066205

梁善國：中鐵山橋集團有限公司，工程師，河北 秦皇島，066205

魏云祥：中鐵山橋集團有限公司，教授級高工，河北 秦皇島，066205

李硯秋：中鐵山橋集團有限公司，高級工程師， 河北 秦皇島，066205

責任編輯楊環

U44；TU206

A

1672-061X（2014）02-0060-03