基于BIM技術的128m簡支拱橋施工深化設計應用研究

王安東 張學鋼 趙樂剛 章 韻

(1.陜西鐵路工程職業技術學院，渭南 714000； 2.中鐵一局集團第二工程有限公司,唐山 063004)

引言

隨著國內建筑信息化滲透率提升和行業自身不斷革新的雙重驅動力影響，國內建筑信息化行業發展空間十分廣闊，基于最先進的三維數字設計和工程軟件所構建的“可視化”的BIM建筑信息模型，為設計公司、施工單位乃至最終用戶等各環節人員提供“模擬和分析”的科學協作平臺，幫助他們利用三維數字模型對項目進行設計、建造及運營管理，最終使整個工程項目在設計、施工和使用等各個階段都能夠有效地實現節省能源、節約成本、降低污染和提高效率。BIM模型的核心不是模型本身(幾何信息、可視化信息)，而是存放在其中的專業信息，雖然BIM正向設計作為BIM應用的信息源頭[1]，但是又受限于技術的發展和設計人員掌握BIM的程度等因素[2]，正向BIM設計還很難完全指導施工，往往需要施工單位進行深化才能指導現場具體施工。

1 工程概況

牡佳客專由中鐵一局集團第二工程有限公司承建，其中跨哈同高速公路特大橋DK349+920.15結構形式為43-32m簡支箱梁+4-24m簡支箱梁+1-128m簡支拱，跨哈同高速公路特大橋的20號墩～21號墩采用1-128m簡支拱上跨哈同高速公路，起訖里程為DK349+740.10～DK349+871.30，全長131.2m。本文以128m簡支拱橋BIM三維模型深化為切入點，基于設計模型使用Catia軟件進行二次深化設計，在施工過程中應用BIM 技術進行圖紙審查、三維技術交底和空間坐標復核等。

2 建模設計軟件與深化思路

2.1 Catia軟件的優勢

目前市場上常用于橋梁BIM建模軟件有Autodesk、Bentley、Catia、ArchiCAD、Gery Technology Dassauit系列軟件。其中，Catia軟件自身擁有強大的曲線、曲面和空間結構設計能力，在應對復雜形體和大規模建筑的建模能力、表現能力和信息管理能力方面都比傳統軟件更有優勢，更加直觀、詳盡地反映橋梁所處的地質地形及其空間幾何構造、內部細致構造等，所以被越來越多的人用于橋梁設計階段的三維建模。

2.2 Catia 軟件深化設計思路

首先，根據《牡佳鐵路站前專業施工階段BIM深化設計應用樣板計劃及相關工作要求》，在原有128m簡支拱橋設計模型的基礎上，根據圖紙對128m簡支拱橋的樣板模型進行分解、分析，做到準確、細致、真實地反映橋梁結構。對系梁、預應力管道、鋼筋、拱腳、貝雷梁、鋼支撐、拱圈、吊桿、K撐等三維信息模型分析研究，根據分析樣板文件對需要深化部分進行修改深化，以便于深化后指導施工一線落地實施應用，為后續項目信息化管理提供數據保障。

3 三維模型深化設計的實施

3.1 樣板模型文件審查

深化設計之前需要仔細審讀樣板模型文件，結合施工圖紙理解，復核模型中的混凝土結構幾何尺寸、鋼筋數量、拱圈、鋼支撐、預應力鋼束布置以及普通鋼筋布置信息[3]，確定需要進行深化的部分，可使整個二維圖紙審查變得更為直觀、精確，建模的過程，同時也是一次全面的“三維校審”過程，見圖1所示。

圖1 128m簡支拱橋模型

3.2 拱腳深化設計

作為128m簡支拱橋的重點部位，拱腳包含拱腳處鋼筋加工及綁扎順序以及預埋管安裝中定位等(見圖2)，設計要求N3、N4、N13與鋼管管壁相交處截斷焊接處理，但是樣板文件未做處理[4]，這樣對于施工鋼筋下料不能起到作用。N3d與預埋管相交，按設計要求需要在相交處斷開焊接[5]，樣板文件提供的均值，無法用于加工，為便于施工，將其加工成兩段L型鋼筋，見圖3-4所示。

圖2 拱腳整體模型

圖3 深化設計前 圖4 深化設計后

3.3 拱肋深化設計

拱肋采用鋼管卷制而成，廠內集中加工制成，由直線管節焊接拼裝成8-10m長度，運到現場后在支架上組拼成型。鋼管拱主拱肋分13個節段制造，左右各6個節段對稱加工，中間設合龍管節。且吊桿深入拱肋，碰撞較多[6]，極不方便施工安裝。例如：拱肋深化設計之前吊桿預埋管與拱肋加強板N4、N5碰撞(見圖5)，通過優化將加強板沿拱肋軸線向大里程偏移18cm(見圖6)，精確地計算偏移間距[7]，并且方便施工。

圖5 拱肋深化設計前

圖6 拱肋深化設計后

4 深化設計應用

4.1 模型放樣提高測量放樣精度

128m簡支拱橋施工放樣精度要求高，異性構件多，測量難度大，Catia軟件建立模型后具體提取任意角度，任意剖面，任意點位的坐標(見圖7)，從而快速準確的復核設計坐標[8]，進而提高施工放樣精度。

圖7 拱腳測量數據模型

4.2 三維技術交底提高施工效率

基于BIM技術的施工項目三維技術交底，可通過三維真實再現施工過程，將每個施工細節通過三維軟件展現出來，讓現場施工技術交底工作變得更加直觀[9]，可從各個角度動態觀察其構造細節[10]，使工程施工變得更加簡單，還能更加有效地將施工技術通過三維模型傳遞給施工人員[11]，理解工程項目設計者的初衷[12]，極大地提高了項目技術交底的效率和質量。

圖8 錨塊鋼筋種類交底

4.3 施工模擬指導現場施工

施工模擬即通過直觀的三維模型動畫，輔助工期進度節點來模擬指導復雜的施工過程。首先運用Catia建立模型，然后通過BIM技術提前進行三維施工預演，進行施工前的三維模擬，可以提前了解施工現場情況，科學進行場地布置(見圖9)，對施工的工序、進程[13]以及施工時的環境進行真實模擬與分析，為施工方提供數據報告，讓施工人員能夠更清楚、更透徹地掌握施工流程，減少了施工質量問題、安全問題，減少了返工和整改的次數，提高了施工效率，降低了管理成本[14]。

圖9 施工進度模擬

5 總結

基于Catia的設計樣板模型深化設計應用研究，不僅通過3D模擬技術、三維碰撞檢查等實現了精確化設計，還有效地指導施工現場應用實施，保證項目高效快速地施工[15]，減少施工過程中因返工造成的材料和勞動力浪費，對縮短工期、降低工程造價產生了積極的影響。并且證實了BIM技術深化設計后，應用于施工一線可為企業帶來了可觀的經濟效益，具有較好的應用及推廣價值。