橋梁裝配式建造及BIM 技術在城市快速路工程中的探索與實踐

陳志芳，孔麗華，包啟航，朱曹宗

（中設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014）

近年來，無論是國家、行業(yè)層面，還是地方行政決策層面，都在大力推廣裝配式建造以及BIM 技術。任何新技術的研發(fā)推廣都需要以實踐為基礎，文章以某公路快速化改造工程為例，介紹橋梁裝配式建造及BIM 技術在國省道城市道路快速路工程中的探索與實踐。

該項目整體按照主輔路結合的全封閉快速路標準建設，主線主要服務客運交通，為城市快速路標準，輔路客貨均可通行，為國道兼顧城市主干道。主線設計車速100km/h，機動車雙向6 車道；輔路設計車速60km/h，機動車雙向6 車道，紅線寬50～72m。

全線共設置立交2 座，其中一處立交為既有互通利用改造，邊界條件較為復雜，是本次BIM 技術的實踐探索的重點。其主線高架橋約2.1km，考慮施工期間現(xiàn)場老路交通組織及工期需要，重點進行了裝配式橋梁建造技術的應用。

1 技術關鍵點分析

該工程具有現(xiàn)狀互通改建難度大、建設工期短、施工期保通要求高、環(huán)保要求高等特點。在項目實踐過程中，橋梁裝配式建造及BIM 技術在城市快速路工程中探索與實踐的重難點主要有以下幾個方面。

（1）該項目作為區(qū)域裝配式橋梁建造技術導則的研究編制載體，其技術經驗要有較強的適應性。該項目是區(qū)域首個應用裝配式橋梁建造技術的項目，需結合地區(qū)特點制定合適的設計導則，為該項目以及區(qū)域后續(xù)實施的裝配式橋梁建造項目提供有力的技術指導是項目順利推進的重要基礎；同時也是裝配式技術實現(xiàn)規(guī)模化、產業(yè)化的前提條件。

（2）國內裝配式橋梁建造技術還在摸索階段，尚有技術問題需要論證分析。第一，目前行業(yè)內對預制拼裝墩柱接縫處的力學性能暫時沒有明確的分析方法，尤其是接縫處結構性裂縫計算。第二，接縫區(qū)受力特性是預制拼裝蓋梁設計的關鍵所在。對于蓋梁的多種拼裝方案，根據(jù)已有文獻，目前國內僅上海某設計院開展了各方案的受力性能對比研究，但僅初步驗證了各方案的可行性，并未揭示預制拼裝蓋梁接縫區(qū)域的受力機理。如何分析剖析墩柱接縫、蓋梁接縫區(qū)受力機理是項目研究的重難點。

（3）國省道城市快速化改造項目建設條件復雜，BIM 應用技術需要重點突破。國省道城市快速化改造項目，不同于一般的公路項目或者城市快速路項目，道路沿線交叉口多、周邊地塊開發(fā)程度高、沿線建筑物的出入口多、分隔帶開口多等特點，同時老路交通量大，如何分析、處理與新老路與周邊的協(xié)調，既有互通的全方面改造，以及施工期交通組織等問題，是BIM 技術在本工程中應用的關鍵技術點。

2 技術創(chuàng)新及適用性探討

該項目立足實際，結合規(guī)劃，在研究過程中應用橋梁裝配式建造技術及BIM 技術，積極探索與實踐，尋求技術創(chuàng)新與突破，努力打造成為城建交通領域的精品工程。

（1）該項目在城市道路橋梁項目中同時應用裝配式橋梁建造技術與BIM 技術，為城市交通問題提供新的解決思路。

（2）對于預制拼裝墩柱，明確接縫處的力學性能是設計的關鍵。目前行業(yè)內對接縫處的力學性能暫時沒有明確的分析方法，尤其是接縫處結構性裂縫計算。為此，在理論分析和數(shù)值驗證的前提下，基于OpenSees 平臺創(chuàng)新性地建立了基于并聯(lián)點—面接觸彈簧的預制拼裝墩柱精細化分析模型，能近似計算各荷載工況下的接縫截面裂縫寬度，為預制拼裝墩柱的設計提供了有利的理論依據(jù)。

（3）接縫區(qū)受力特性是預制拼裝蓋梁設計的關鍵所在；對于蓋梁的多種拼裝方案，為了更好地根據(jù)項目實際進行預制拼裝蓋梁拼接方案的比選，也為了能掌握預制拼裝蓋梁的受力機理，力爭國內先進技術水平，該項目基于濕接縫、干接縫等連接構造，分不同的拼接方案進行了預制拼裝蓋梁的仿真模型研究，分析了各方案蓋梁在不同工況下從受力至破壞的全過程，總結歸納了設計方法，初步推導并驗證了若干可用于工程設計驗算的簡化公式，為該項目的方案比選及工程設計提供了有力的理論依據(jù)，如圖1 所示。

圖1 預制蓋梁仿真模型

（4）為提高建模效率，基于dynamo 編制了一套可以幫助快速布置橋梁上部結構的子程序，大幅提高了BIM 建模速度，最終建模如圖2 所示。

圖2 BIM 建模

（5）利用BIM 模型，對橋梁上部結構、下部結構、地面道路等空間位置進行設計復核，檢查設計成果并校正。利用Navisworks 軟件對有交叉的模型快速復核凈空，同時優(yōu)化縱斷面設計，減少互通區(qū)橋梁墩柱高度，提高了經濟效益。

（6）基于B/S 構建設計方案BIM 展示平臺，使客戶通過網頁端登錄后，即可查看瀏覽BIM+GIS 設計方案，如圖3 所示。

圖3 BIM+GIS 展示平臺

3 技術優(yōu)勢及經驗

該項目是同時應用裝配式橋梁建造技術和BIM 技術的公路快速化改造項目，相較以往同類項目具有以下幾個優(yōu)勢：

（1）利用傾斜攝影技術進行地形建模，將設計方案疊加到基于傾斜攝影制作的實景三維模型中，基于此成果制作了方案演示視頻。其相較于傳統(tǒng)的方案動畫，可以清晰準確地反映設計方與周邊環(huán)境的空間位置關系，直觀的反應方案的優(yōu)缺點，同時還可以發(fā)現(xiàn)在做方案時一些被忽略的細節(jié)，對方案進行全方面展示，實現(xiàn)所見及所得，進而優(yōu)化設計方案，為最終方案的確定提供決策支持。具體BIM+GIS 疊加模型如圖4 所示。

（2）基于參數(shù)化建模，建立了帶有參數(shù)信息的市政橋梁構件族，可快捷的通過修改參數(shù)對構件各尺寸進行調整，如圖5 所示。為市政橋梁BIM 項目積累了豐富的構件族。

圖4 BIM+GIS 疊加模型

圖5 橋梁BIM 構件

（3）利用BIM 技術將二維設計圖通過三維投影生成，大大減少了傳統(tǒng)設計方法的二維設計與實際情況不匹配的情況，解決了蓋梁構造復雜、理解困難的問題。

4 結束語

通過在同一工程中對橋梁裝配式建造及BIM 技術的應用和探索，解決了以往項目中碰到的部分難題，提高了設計計算效率，節(jié)約了工程成本，應用效果顯著。同時，開發(fā)了適用于城市快速路工程中橋梁結構參數(shù)化族庫，探索出一套較完整的橋梁工程BIM 建模與設計優(yōu)化方法，規(guī)避和優(yōu)化了傳統(tǒng)二維設計的錯漏問題，對今后類似項目的設計有一定的指導意義。