BIM技術在鋼結構拱圈施工管理中的應用

劉海東

摘要：基于BIM的虛擬建造是實際建造過程的虛擬仿真實現，能夠發現實際建造中存在的或可能出現的問題，為各個參與方提供一種可控制、無破壞性、耗費小、低風險并允許多次重復的試驗方法，可以提高建造水平，消除建造隱患，預防建造事故，減少施工成本，增強施工過程中決策、控制與優化的能力。將BIM技術應用于具體施工過程中，可以在不消耗現實材料等資源的前提下，讓各參建方在施工之前就能看到并了解施工的詳細過程和結果，從而選擇最優的施工方案進行施工，避免不必要的返工所帶來的人力和物力消耗，能夠節省工期，為實際工程項目施工提供指導和最優的可行性方案。

Abstract： Virtual construction based on BIM is a virtual simulation of the actual construction process， it can find out the problems that exist or may arise in the actual construction and provide a controllable， destructive， costly， low risk and allowable repeated test methods， can improve the construction level， eliminate construction risks， prevent construction accidents， reduce construction costs and enhance the decision-making， control and optimization capabilities in construction process. Applied BIM technology to the specific construction process， each participant can see and understand the detailed process and results of the construction before construction under the premise of doing not consume real materials and other resources， so as to choose the optimal construction program， avoid unnecessary rework caused by the human and material resources， save duration and provide guidance and the best feasibility program for the actual construction of the project.

關鍵詞：BIM技術；虛擬建造；施工成本；節省工期

Key words： BIM technology；virtual construction；construction cost；saving duration

中圖分類號：TU17 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）01-0114-03

0 引言

本文以某大橋的鋼結構裝飾拱圈安裝工程為背景，將BIM技術應用在裝飾拱圈的安裝全過程中。針對工程的特點及結構復雜程度，構建了大橋和拱圈的BIM模型，發現了設計缺陷，施工前將所有的設計缺陷全部排查掉，對拱圈的安裝過程進行施工模擬并對方案進行優化。達到了對施工進度進行精細化管理的目的，通過實際進度與計劃工期進行對比，及時發現滯后的原因，調整資源配置方案，避免了施工過程中的返工現象，對縮短工期起到了顯著的作用。

1 工程背景

某大橋全長802.59m，全線無平曲線，由主橋、引橋、引道三部分組成。橋梁主橋為4跨大跨徑變截面連續箱梁橋，單箱雙室結構，長度380m，跨徑布置為70+120+120+70=380m；兩側引橋采用連續箱梁形式，西引橋長80m，跨徑布置為2×40=80m；東引橋長120m，跨徑布置為3×40=120m。

主橋景觀裝飾部分采用異型鋼箱拱結構。該拱圈跨度為120m，共兩跨。拱圈最高處橋面以上高度為28.29m，施工難度很大，主要體現在以下三點：

①拱圈結構分段安裝需設置臨時支撐體系，鋼結構臨時支撐體系的設計及穩定性是本工程的重點。

②拱圈高位吊裝，保證拱圈結構分段高空實現工廠試拼裝狀態，曲線線形能夠得到保證是本工程的重點，也是難點。

③拱圈結構分段接口對接焊接質量及高空作業安全是本工程的重點。

2 模型的創建

2.1 構建大橋主體結構的模型

首先根據大橋的結構形式及應用點的選擇，進行主體結構模型的創建，包括樁基、承臺、墩身、墊石、支座、箱梁的模型，由于此部分不做施工模擬。所以，根據《中國市政設計行業BIM實施指南》要求，將這一部分的模型精度定義為L2級，如圖1所示。

2.2 構建拱圈及附屬設施模型

為了查找施工圖的缺陷以及需要對拱圈的安裝過程進行施工模擬，按照《中國市政設計行業BIM實施指南》要求，將拱圈及其附屬部件的模型精度定義為L3級。施工輔助設施包括施工用的臨時支架，工作平臺，千斤頂等模型同樣為L3級。

依據設計文件，綜合考慮拱圈結構、承載要求及加工、運輸及安裝等因素，對拱圈節段進行進一步劃分，共劃分成12個節段，并分段建立模型。

全部的模型建立完成后，在BIM軟件中對鋼結構拱圈及施工輔助設施進行預拼裝，發現模型的尺寸有嚴重的誤差，從FD12段至FD1段方向拼裝，到FD4與FD3段接口處，兩拼裝段斷面直線距離達到1.824m。經仔細檢查發現設計院的二維施工圖中裝飾拱圈是獨立于大橋主體結構，按照水平同一高度設計的，未考慮橋面縱坡。而實際橋面的縱坡所產生的相鄰兩個與橋面接觸的拱腳標高相差2.126m，如圖4所示。endprint

設計院重新對拱圈的施工圖進行深化設計后解決了此項問題。在施工圖復核階段，通過對拱圈BIM模型的預拼裝，找出了設計缺陷，避免了返工現象。同時，也避免了材料及施工設備盲目的投入。

3 施工模擬及方案優化

3.1 施工模擬

裝飾拱圈總跨度120m，單個節段重量20噸以上（FD1段除外），單側拱圈結構共劃分為24節，全橋共計48個節段。總體施工步驟：拱圈分段制作→廠內預拼裝→構件運輸→橋面檢查驗收→測量放線→預埋件安裝→拱腳鋼箱安裝→混凝土灌注→臨時支撐安裝→拱圈安裝→ 臨時支撐體系拆除→吊桿安裝→面漆涂裝→竣工驗收。

在場地規劃方面，傳統的做法是用二維的CAD軟件繪制不同角度的簡圖，在平面圖上研究吊裝設備的合理布置方案，并對吊裝的過程進行描述，但此做法局限性較大。幾張二維簡圖無法體現出各個物體之間的相對位置關系，很難發現一些施工過程中的問題，更無法表達施工的動態全過程。同時，傳統的施工方案編制時，大多數的計算都是在確保安全性的前提下進行一定系數的放大來對機械設備進行選型，這種情況往往過于保守，造成資源的浪費。為此，將BIM模型及進度文件導入到施工模擬軟件中，將每個部件的起始時間與模型相關聯，利用Timeliner工具進行進度模擬，并將實際尺寸的吊車模型導入模擬軟件中，用Animator工具對吊車站位、臂長、出臂角度以及拱圈節段的起吊位置等方面做吊裝過程及拱圈分割段運動路徑的分析，來保證吊裝工作的準確性與安全性，通過吊裝過程模擬來確定吊車的型號。（圖6、圖7）

3.2 方案比選與優化

在未進行吊裝模擬前，原方案考慮到場地空間的限制，加之起吊點的選擇，在單跨拱圈設置5個臨時支架，在拼裝FD1-FD3段及FD12-FD10段之后，拼裝FD4-FD9段，此種方案雖可行，但吊裝次數較多，施工周期較長，單側單跨需要吊裝6次。為此制定了第2中方案，在單跨拱圈的位置下設置2個臨時支架，相鄰兩個FD4、FD5段在地面焊接成一段，然后吊裝，但這種方案對吊車定位的準確性及作業空間的要求極高，依靠草圖及二維的CAD軟件無法分析。為此應用BIM軟件將FD4、FD5段模型組成1段，FD8、FD9段模型組成1段，FD6、FD7段組成合攏段，將組合后的節段導入施工模擬軟件中，重新進行吊裝過程的模擬。通過模擬，吊車站位及作業空間均滿足要求。所以，最終將方案定為在橋面上吊裝前將FD4、FD5焊接成1段，FD8、FD9焊接成1段，FD6、FD7焊接成合攏段整體吊裝。新方案比原方案的臨時支架用鋼量節省了一半，同時增加了作業空間，吊裝次數減小了一半，同時減少了高空作業時間及高空焊接次數，工期節省了16天。

節段吊裝架設順序及分區如表1所示。

4 結語

此工程應用BIM技術輔助施工，通過工程量復核，避免了返工現象，為項目節省了工期，節約了成本。通過對拱圈分段進行分析及吊裝區域的劃分，將單跨劃分成5個吊裝區，對方案進行比選并優化，將原來的單跨搭設5個臨時支架變成單跨搭設2個臨時支架，即節約了材料，同時也大大縮短了工期。通過對施工過程的動態模擬，實現了對項目進行可視化、精細化控制，是BIM技術在鋼結構施工中的一次成功的嘗試，為項目創造了效益，為以后的類似工程的施工積累了寶貴的經驗。

參考文獻：

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[2]雷曉凡.BIM技術對高層建筑施工安全的優化[J].中國住宅設施.

[3]高成，瞿海雁，趙學鑫，高世昌.BIM技術在某超高層建筑工程施工中的應用研究[J].鋼結構.endprint