BIM虛擬施工技術在裝配式鋼結構橋梁中的應用研究

王占飛， 馮 瑾， 梁 偉， 張 強， 孫寶蕓

(沈陽建筑大學 交通工程學院 沈陽市 110168)

裝配式橋梁由于鋼結構施工方便、抗震性能良好，愈發成為工程設計人員的首選方案之一[1]，但另一方面，也存在著制約其發展的因素。首先，裝配式構件多數采用工廠預制的方式獲得，對預制精度要求較高；其次，在裝配式鋼結構橋梁的施工過程中，墩與基礎的連接尤為復雜，設計人員需要與施工人員進行細致地技術交底，以保證現場施工人員對工程有更明確的判斷和把握[2-3]。

基于此，通過建立Revit+Fuzor模式將BIM虛擬施工技術引用到裝配式橋梁施工中，創建出適用于橋梁結構的可視化施工模擬體系，并以實際工程為例歸納總結模擬過程。在施工之前，該體系可實現關鍵施工技術的預先演示、碰撞檢測、機具部署與吊裝模擬，進而預先發現并減少施工過程中可能出現的問題，消除施工隱患、提高施工精度、優化施工方案，最終提高施工效率。

1 理論基礎

1.1 裝配式鋼結構橋梁

對于裝配式鋼結構橋梁的研究最為關鍵的是橋墩與基礎的連接形式[4]。既要求其具有良好的承載能力和穩定性以抵抗上部荷載的作用，又要保證現場拼裝施工的可操控性與精度。因此，對于裝配式鋼結構橋梁的施工，主要通過工廠預制鋼構件，再運輸至施工現場采用機械設備進行拼裝。這種施工方式打破了傳統粗獷的現澆式施工的局限，是未來橋梁的重要建造方式之一[5]。其中橋墩的連接形式與拼裝步驟作為現場施工過程中的重點與難點，成為我們主要研究對象，我們需要考慮如何在橋梁結構復雜的施工環境中使現場拼裝作業有效進行。

1.2 基于BIM的虛擬施工技術

BIM以三維數字技術為基礎，擁有強大的三維建模能力，具有可視化、協同交互、信息集成等特點[3]。利用BIM技術創建結構的三維模型，能夠實現信息的關聯和實時更新。而虛擬施工技術是在虛擬環境的基礎上，對施工過程進行可視化模擬，通過計算機協同工作，在不耗費實際資源的情況下，預先對施工過程進行模擬和檢驗。

目前，BIM虛擬施工技術在建筑工程中具有一定的應用，然而在橋梁工程中的應用較少。

2 虛擬施工技術框架

2.1 技術手段

BIM虛擬施工技術主要依托于BIM平臺相關軟件進行，在本文中，將不再采用固有的Revit+Navisworks模式，而是提出Revit+Fuzor模式進行橋梁的施工模擬,如圖1所示。在設計階段，借助Revit三維建模軟件，創建工程所需的參數化模型，并基于該模型對施工過程進行分析模擬，同時Revit具有強大的交互能力，尤其與Fuzor軟件可實現完美的實時交互，可以集成控制以實現信息交流。在施工階段，借助Revit創建如臨時支架等輔助設施的三維模型，并結合Fuzor軟件自帶的施工機械模型根據施工方案對場景進行布置，實現施工過程模擬。

2.2 技術路線

對于虛擬施工技術在裝配式鋼結構橋梁中的應用，我們主要從施工方法的可行性、資源成本的合理性和方案的優化幾個方面著手，為此，我們需要做如下工作：

(1)利用Revit建模軟件建立鋼結構橋梁、輔助設施的三維模型。

(2)將模型載入到Fuzor施工模擬軟件，分別在橋梁設計、施工、運維階段進行模擬、檢測。模擬施工環境與關鍵施工工藝，檢測工程故障。

(3)在模擬過程中如發現施工工序不當、構件碰撞等情況，軟件將自動發出提示，技術人員可直觀地發現問題并進行更改。

(4)進行多方案可視化對比，確定最優施工方案，如圖2所示。

采用Revit+Fuzor模式進行橋梁的施工模擬的具體流程如圖3所示。

3 具體實例

3.1 工程概況

某4跨連續梁橋，如圖4、圖5所示，跨度40m, 上部采用工字型鋼板主梁，全橋寬度12.0m，梁高2200mm，主梁之間的間距2500mm。下部采用獨柱式鋼橋墩，各構件采用工廠預制現場吊裝的形式進行施工，橋墩高度12.2m，蓋梁長12m；墩身截面為箱型截面，寬度為1.8m，并設有縱向加勁肋，加勁肋的尺寸為220×28；承臺寬度8.5m，厚度2.2m；基礎形式為群樁基礎，樁基直徑為1.2m，墩身與承臺基礎的連接采用錨桿連接。本文將著重歸納總結鋼橋墩拼裝等復雜施工工藝的虛擬施工的實現過程。

3.2 虛擬施工技術體系

3.2.1參數化模型建立

模型的建立是指導施工的前提[6]，利用Revit建模軟件創建橋墩和輔助設施的參數化模型，將橋墩模型與設施模型集成，導入到實際地形，用于指導工程實際。

對于本橋的建模，最為關鍵的是對橋墩與基礎連接處的處理。本工程的下部結構鋼橋墩與混凝土承臺擬采用帶有鋼錨桿加強板連接方式，這種連接方式需要在工廠預制留有錨桿孔的橋墩外環板、預埋在基礎中的加強板和固定于板上的錨桿，對預制精度要求較高，所以必須做到準確建模。由于僅利用Revit軟件進行參數化建模過程已有眾多學者進行研究[7-8]，故本文不再贅述，創建完成的橋墩模型如圖6、圖7所示：

3.2.2虛擬施工

Fuzor施工模擬軟件是隨著BIM技術的發展而產生的一種基于Revit的插件，Fuzor不僅能與Revit完美實現雙向互通，而且擁有與Navisworks相同的碰撞檢測功能，同時又能夠以動畫的方式實現對施工工程的模擬與檢測。通過建立Revit+Fuzor模式進行可視化虛擬施工模擬，能很好地彌補傳統虛擬施工模擬方法的局限。

首先在施工組織設計階段，在Revit中點擊“Launch Fuzor”將創建完成的模型載入到Fuzor軟件中，利用其三維可視化技術將模型進行虛擬檢測。如在Fuzor中探查設計圖紙是否出現漏、錯、碰等問題，如圖8所示，若發現問題可進行實時更改并雙向同步，深化設計的整體布局。

其次在現場施工階段，Fuzor可實現一模多用，具體應用有如下幾個方面：

(1)技術交底。在完成對模型的檢查后，需對施工方進行技術交底，需按照施工工序添加時間信息并制定構件運動關系，進而根據施工進度計劃進行技術交底，讓施工方更加清晰施工流程與設計意圖。

(2)三維場布。在實際施工進行之前，根據施工場地與施工情況進行科學合理的場地模擬布置，有利于施工順利進行。

(3)復雜工藝指導施工。對于施工過程中的復雜工藝，易導致施工人員理解不清晰，便可利用虛擬動畫進行預先學習，了解其施工工藝。本工程下部結構的橋墩與基礎的連接作為復雜技術，其施工方式為將鋼橋墩的外環板與澆筑于混凝土承臺中的帶有鋼錨桿的加強板連接。為準確地指導施工，讓施工人員充分理解，可將其施工工藝進行動畫模擬，其具體模擬結果如圖9所示。

(4)路徑模擬。利用直觀的三維動畫對進場的構件進行路徑模擬，可以有效地避免施工中的安全隱患。在橋梁裝配式施工中，大型構件的進場與吊裝對施工路徑要求較高，尤其需要確定吊車工作范圍，驗證吊車的行進和轉動是否與現場環境、已裝配好的橋梁構件、支架等發生碰撞，如圖10所示。

(5)施工組織優化。多方案的可視化對比，可以確定高效可行的最優施工方案。技術人員從施工角度進行多次可視化模擬，同時應用軟件的統計功能，統計出工程用量，計算工程成本。最后可通過比較施工可行性、施工成本，確定最優方案，實現節約施工成本和時間的目標。

最后在運維階段，可通過傳感器等監測裝置將橋梁運維信息反饋到Fuzor的可視化模型中，一旦出現故障，其中的故障信息可以反饋到軟件中并發出警報，工作人員可以準確定位并及時解決出現的問題。

4 結論

(1)裝配式鋼結構橋梁由于其構件工廠預制現場吊裝的施工方式，減少現場濕作業，滿足綠色施工的理念；基于BIM的虛擬施工技術具有可視化、協同交互、信息集成等特點，可以在現場施工前預先對施工過程進行預演，提高施工效率，故將二者集成應用到實際工程中，給橋梁事業的發展注入了新的動力。

(2)提出采用Revit+Fuzor模式建立適用于橋梁結構的可視化施工模擬體系的一般方法。包括Revit建模，Fuzor可視化分析，碰撞、故障檢測，優化調整等步驟。

(3)Revit+Fuzor模式可貫穿于橋梁的全生命周期，實現設計、施工、運維階段的信息共享。尤其在橋梁施工階段，Fuzor軟件在技術交底、三維場布、復雜工藝指導施工、進場模擬方面實現了全面覆蓋，有效地保證了施工安全，節約了施工成本。

(4)以某實際工程為例，詳細說明了將BIM虛擬施工技術應用到裝配式鋼結構橋梁的施工中，能夠有效減少現場施工隱患。通過橋墩構件的精準參數化建模，既滿足了預制構件的精度要求，又實現了裝配式鋼橋墩施工關鍵技術的模擬和優化，確保施工質量，提高施工效率。