淺析橋梁工程中基于BIM工具的鋼橋架設(shè)仿真應(yīng)用

■蔣雪芹

（中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300459）

從概念上講，建筑信息建模（BIM）是指在實(shí)際建造建筑物之前，利用成熟的信息技術(shù)（IT）在計(jì)算機(jī)上虛擬建造建筑物，以解決建筑業(yè)效率低下等各種問(wèn)題[1][2]。BIM具有“分別建模、協(xié)同設(shè)計(jì)、綜合分析”功能，能很好地與建筑行業(yè)的各種專業(yè)進(jìn)行融合，因此得到了快速發(fā)展與推廣[3][4]。

一、工程概況

某π型鋼拱橋，由臺(tái)風(fēng)引發(fā)的山體滑坡而損壞，因此需要重新建設(shè)。建設(shè)項(xiàng)目主要包括五個(gè)部分：(1)π型鋼拱橋，總跨度為175（50±75＋50）米，寬度為 10米；(2)兩個(gè)4米直徑的基坑，深度為10米；(3)兩個(gè)4米直徑的基坑支基，深度為20米；(4)引道擋墻，全長(zhǎng)37.5m；(5)巖錨框架梁邊坡。該項(xiàng)目于2015年12月開工，2017年8月竣工。鋼橋架設(shè)需要在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行一系列工序，包括運(yùn)輸、順序吊裝和安裝在工廠制造的橋梁構(gòu)件。由于現(xiàn)場(chǎng)條件遠(yuǎn)比工廠復(fù)雜，每個(gè)過(guò)程都非常關(guān)鍵，風(fēng)險(xiǎn)也很高,因此詳細(xì)的吊裝計(jì)劃對(duì)于確保在汛期前成功完成吊裝極其重要。

二、鋼橋吊裝施工仿真流程

結(jié)合鋼橋典型吊裝的特點(diǎn)以及BIM施工模擬技術(shù)，提出鋼橋吊裝施工仿真模擬流程。同時(shí),在該實(shí)施流程的基礎(chǔ)上，構(gòu)建鋼橋吊裝施工仿真模擬系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)和實(shí)施框架模型，并根據(jù)實(shí)施框架模型建立系統(tǒng)的功能模塊模型。整體可分為三個(gè)階段來(lái)實(shí)施鋼橋吊裝施工的仿真模擬，如圖1所示。

(一)信息收集階段

此階段的工作內(nèi)容是施工仿真模擬相關(guān)數(shù)據(jù)的前期收集處理，包括了實(shí)施鋼橋吊裝工程的設(shè)計(jì)信息、吊裝層的材料和結(jié)構(gòu)信息以及吊裝層的施工方案，并使用進(jìn)度管理軟件錄入施工方案中的施工進(jìn)度信息。

(二)施工仿真模型建模設(shè)計(jì)階段

這個(gè)階段的主要工作是在上一階段收集的數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)上，使用建模軟件分別建立相應(yīng)的施工子信息模型，如橋梁子信息模型、橋面吊裝層子信息模型和施工機(jī)械模型等。

(三)橋面吊裝施工仿真模擬階段

此階段將建模軟件生成的施工子信息模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到施工模擬軟件中，導(dǎo)入施工過(guò)程信息后，構(gòu)建成完整的施工仿真信息模型，便可進(jìn)行鋼橋面鋪裝4D施工仿真模擬（4D是指3D維度上加上時(shí)間維度）。

圖1 鋼橋吊裝施工仿真流程圖

三、仿真流程自動(dòng)沖突檢查

鋼橋吊裝施工仿真流程的自動(dòng)沖突檢查通過(guò)Revit Architecture軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要包括建模(信息轉(zhuǎn)換)沖突、設(shè)計(jì)沖突以及部分實(shí)際情況無(wú)法達(dá)到建模條件的那部分沖突，其中設(shè)計(jì)沖突對(duì)實(shí)際工程具有重要指導(dǎo)意義[5]。

（一）建模沖突

圖1顯示了本研究中用于驗(yàn)證項(xiàng)目仿真全部的有效性信息，包括鋼橋設(shè)計(jì)信息、橋面吊裝信息和施工方案，使用RevitArchitecture軟件轉(zhuǎn)換為三維模型。轉(zhuǎn)換過(guò)程中的所有沖突和誤解需全部咨詢負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)工程師，以減少?zèng)_突發(fā)生的次數(shù)，在后續(xù)模擬過(guò)程會(huì)進(jìn)一步反饋相關(guān)施工過(guò)程信息，通過(guò)對(duì)建模沖突檢查，適當(dāng)修正相關(guān)建模信息，可以自動(dòng)忽略仿真模擬中的建模錯(cuò)誤。

（二）設(shè)計(jì)沖突

吊裝過(guò)程設(shè)計(jì)是吊裝方案進(jìn)行4D仿真的基礎(chǔ)，結(jié)合起重機(jī)的特點(diǎn)，本文提出了一種用于橋梁構(gòu)件吊裝的三維起重機(jī)模型。三維模型和橋下地形都集成到另一個(gè)工具（Navisworks）中，為橋梁架設(shè)制作4D仿真動(dòng)畫，這是Navisworks的一種輸出形式，通過(guò)這一動(dòng)畫過(guò)程可以有效地核實(shí)起重過(guò)程。每一個(gè)鋼橋構(gòu)件都由該起重機(jī)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行虛擬模型吊裝，以直觀地檢查空間沖突和人工吊裝能力。由公路局（業(yè)主）、結(jié)構(gòu)工程師、總承包商和起重分包商組成審查委員會(huì)對(duì)4D模擬提出的問(wèn)題進(jìn)行討論，并對(duì)實(shí)際吊裝工程進(jìn)行照片記錄對(duì)比。為了避免返工和提高生產(chǎn)率，應(yīng)當(dāng)高度重視仿真過(guò)程中出現(xiàn)的所有設(shè)計(jì)沖突，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整進(jìn)而重新進(jìn)行模擬。

（三）其余沖突

其余沖突是指仿真無(wú)法100%地還原實(shí)際操作，這時(shí)需要由結(jié)構(gòu)工程師仔細(xì)審查無(wú)法模擬的部分。例如，在本文研究的項(xiàng)目中混凝土橋臺(tái)設(shè)計(jì)成橋外車道曲率超高，設(shè)計(jì)高約25厘米。然而本研究所使用的軟體無(wú)法模擬鋼構(gòu)件的物理性質(zhì)，因此最后兩個(gè)鋼構(gòu)件的標(biāo)高根據(jù)超高設(shè)計(jì)進(jìn)行了調(diào)整，以滿足模擬需求，而實(shí)際工程則需要工程師反復(fù)仔細(xì)查看。

本文研究項(xiàng)目通過(guò)對(duì)Revit Architecture的自動(dòng)沖突檢查，共發(fā)現(xiàn)7個(gè)空間沖突，如附表1所示。

四、實(shí)際工程中的應(yīng)用

以本文研究項(xiàng)目為例，最初的吊裝計(jì)劃由經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)，而吊裝過(guò)程仿真一般由另外工程師咨詢了最初的規(guī)劃師后制作4D仿真模擬，并提出相關(guān)吊裝問(wèn)題，最后由項(xiàng)目組進(jìn)行評(píng)審。吊裝程序在虛擬4D模型中進(jìn)行了檢查，并與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的后續(xù)工作進(jìn)行了驗(yàn)證。提升臂過(guò)短的問(wèn)題，起重機(jī)SCX 2800，吊臂總長(zhǎng)67.05+12.2米，工作半徑48米，起重量11.6噸。部件重量11噸。在虛擬模型中，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)提升臂視覺上太短，無(wú)法成功提升組件，或者可以在橋臺(tái)邊緣使用起重機(jī)AC395成功地提升部件，但是起重機(jī)擋住了當(dāng)前的交通。因此在實(shí)際的架橋過(guò)程中，使用了兩臺(tái)起重機(jī)，其中一臺(tái)安裝了較長(zhǎng)的吊臂，以彌補(bǔ)4D模擬中出現(xiàn)的問(wèn)題。除了使用不同類型的起重機(jī)外，模擬結(jié)果與實(shí)際起重情況相似。

最后將傳統(tǒng)的二維提升方案與建議的4D模擬進(jìn)行了比較。對(duì)于傳統(tǒng)的起重方案，經(jīng)驗(yàn)豐富的規(guī)劃師完全控制起重方案，并將起重過(guò)程可視化。或者使用BIM工具，所有信息都可以客觀地集成到仿真軟件中，并可通過(guò)視覺或自動(dòng)方式反復(fù)審查。很明顯，4D模擬能夠改善傳統(tǒng)提升方案的效率低下（見附表2）。

本研究的目的是借由模擬一座鋼橋的架設(shè)，來(lái)驗(yàn)證使用BIM工具的有效性。通過(guò)將原始的二維大樣圖轉(zhuǎn)換為三維模型，并結(jié)合架設(shè)方案（甘特圖），建立鋼橋架設(shè)的4D仿真模型。安裝程序在虛擬4D模型中進(jìn)行了檢查，并與現(xiàn)場(chǎng)的后續(xù)工作進(jìn)行了驗(yàn)證。項(xiàng)目組在審查架設(shè)方案時(shí)，4D仿真結(jié)果顯示了鋼橋在不同時(shí)間點(diǎn)的不同狀態(tài)，有效地指出了在實(shí)際吊裝前可能會(huì)造成災(zāi)難性的空間碰撞，及時(shí)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)、設(shè)備、吊裝步驟進(jìn)行了必要調(diào)整，吊裝工作在截止期前順利完成。

附表1 自動(dòng)沖突檢查發(fā)現(xiàn)的七個(gè)沖突分析

附表2 常規(guī)吊裝方案與4D架橋仿真方案比較