BIM 虛擬施工技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁中的應(yīng)用研究

上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 上海 200125

裝配式的橋梁因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)的施工方便以及抗震方面的性能良好，越來越成為工程設(shè)計(jì)人員的首選方案之一，但是在另一方面，也有著限制其發(fā)展的問題。第一，裝配式的構(gòu)建大多數(shù)通過工廠預(yù)制的方法獲得，在預(yù)制精度上要求比較高；第二，裝配式的鋼結(jié)構(gòu)橋梁在施工過程中，對(duì)于墩和基礎(chǔ)的銜接極其復(fù)雜，為保障現(xiàn)場(chǎng)的施工人員對(duì)工程能夠有更準(zhǔn)確地判斷和把握，需要設(shè)計(jì)人員與施工人員進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)溝通。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過建立Revit+Fuzor 模式將BIM 虛擬施工技術(shù)運(yùn)用到裝配式橋梁施工里，制造出適合橋梁結(jié)構(gòu)的可視化施工模擬體系，并且以實(shí)際工程為案例整理總結(jié)模擬過程。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁

在裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁的研究中最重要的就是橋墩與基礎(chǔ)的連接方式。首先要求其具備良好的承重能力和良好的穩(wěn)定性用以承載上部荷載的作用，其次保障現(xiàn)場(chǎng)施工的可操控性與精度。所以，在裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁的施工中，首先通過工廠來預(yù)制鋼構(gòu)件，其次再運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)來采取機(jī)械設(shè)備進(jìn)行拼裝。這種新型施工方式打破了傳統(tǒng)的現(xiàn)澆式施工的局限性，也是未來橋梁的主要建造方法之一。在施工過程中我們主要的研究對(duì)象就是橋墩的連接形式與拼裝步驟中的重點(diǎn)與難點(diǎn)，我們需要思考如何讓橋梁結(jié)構(gòu)在復(fù)雜的施工環(huán)境中在現(xiàn)場(chǎng)拼裝作業(yè)能夠有效進(jìn)行。

1.2 基于BIM 的虛擬施工技術(shù)BIM

用三維數(shù)字技術(shù)當(dāng)基礎(chǔ)，具有強(qiáng)大的三維建模能力，擁有可視化與協(xié)同交互及信息集成等特點(diǎn)。通過BIM 技術(shù)創(chuàng)建結(jié)構(gòu)的三維模型，來實(shí)現(xiàn)信息的關(guān)聯(lián)與實(shí)時(shí)更新。且虛擬施工技術(shù)是在虛擬的環(huán)境基礎(chǔ)上，對(duì)施工過程來進(jìn)行可視化的模擬，由計(jì)算機(jī)來協(xié)助工作，在不消耗實(shí)際資源的狀況下，對(duì)施工過程進(jìn)行預(yù)先的模擬和檢驗(yàn)[1]。當(dāng)前，在建筑工程中BIM 虛擬的施工技術(shù)擁有一定的應(yīng)用，但是在橋梁工程中應(yīng)用的比較少。

2 虛擬施工技術(shù)框架

2.1 技術(shù)手段

BIM 虛擬施工技術(shù)主要依靠在BIM 平臺(tái)的相關(guān)軟件進(jìn)行，在此文中，將不會(huì)再采取固定的Revit+Navisworks 模式，而是用Revit+Fuzor 模式來進(jìn)行橋梁的施工模擬，如圖1 所示，在剛開始的設(shè)計(jì)階段，通過Revit 三維建模軟件，來建立工程中所需要的參數(shù)化模型，同時(shí)在該模型對(duì)施工過程來進(jìn)行分析模擬，而且Revit具有極強(qiáng)的交互能力，可以與Fuzor 軟件實(shí)現(xiàn)完美的實(shí)時(shí)互通，通過集成控制來實(shí)現(xiàn)信息交流。在施工階段，經(jīng)過Revit 來創(chuàng)建輔助設(shè)施的三維模型，且結(jié)合Fuzor 軟件自帶的施工機(jī)械模型來根據(jù)施工方案對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行布置，實(shí)現(xiàn)施工過程模擬。

2.2 技術(shù)路線

為了將虛擬施工技術(shù)應(yīng)用到裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁中，我們需要在施工方法的可行性和資源成本的合理性以及方案的優(yōu)化這幾個(gè)方面下手，為此，我們需要做如下工作:

（1）通過Revit 建模軟件來建立鋼結(jié)構(gòu)橋梁和輔助設(shè)施的三維模型。

（2）把模型載入到Fuzor 施工模擬軟件中，模擬施工環(huán)境與關(guān)鍵施工工藝，分別在橋梁的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等階段來進(jìn)行模擬與檢測(cè)，以此檢測(cè)工程中的故障。

（3）技術(shù)人員可以在模擬過程中如施工工序不當(dāng)、構(gòu)建碰撞等情況，通過軟件自動(dòng)發(fā)出的提示來及時(shí)的發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行更改。

（4）通過Revit+Fuzor 模式來進(jìn)行橋梁的施工模擬，來進(jìn)行多個(gè)方案的可視化對(duì)比，最終確定最優(yōu)施工方案，如圖2 所示。

圖2 優(yōu)化流程圖

3 工程概況

某4 跨連續(xù)梁橋，跨度40m，上部采用工字型鋼板主梁，全橋?qū)挾?2.0m，梁高2200mm，主梁之間的間距2500mm。下部采用獨(dú)柱式鋼橋墩，各構(gòu)件采用工廠預(yù)制現(xiàn)場(chǎng)吊裝的形式進(jìn)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(shè)有縱向加勁肋，加勁肋的尺寸為220×28；承臺(tái)寬度8.5m，厚度2.2m；基礎(chǔ)形式為群樁基礎(chǔ)，樁基直徑為1.2m，墩身與承臺(tái)基的連接采用錨桿連接。本文將著重歸納總結(jié)鋼橋墩拼裝等復(fù)雜施工工藝的虛擬施工的實(shí)現(xiàn)過程。

3.1 參數(shù)化模型建立

指導(dǎo)施工的前提是模型的建立，通過Revit 建模軟件來建立橋墩和輔助設(shè)施的模型，通過將橋墩模型與設(shè)施模型相集成，再導(dǎo)入到實(shí)際的地形，用于實(shí)際工程的指導(dǎo)。在本橋的建模中，最重要的就是對(duì)橋墩與基礎(chǔ)連接處的處理。在此工程的鋼橋墩與混凝土承臺(tái)采用帶有鋼錨板加強(qiáng)板的連接方式，此方式需要在工廠預(yù)制精度較高的留有錨桿孔的橋墩外環(huán)板、預(yù)埋在基礎(chǔ)中的加強(qiáng)板和固定于板上的錨桿，所以必須準(zhǔn)確建模。因?yàn)橐延斜姸鄬W(xué)者進(jìn)行研究利用Revit 軟件進(jìn)行參數(shù)化建模過程，所以本文不再闡述創(chuàng)建完成的橋墩模型[2]。

3.2 虛擬施工

隨著BIM 技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生了一種基于Revit 的插件就是Fuzor 施工模擬軟件，F(xiàn)uzor 不僅擁有與Navisworks 相同的碰撞檢測(cè)功能，而且能與Revit 實(shí)現(xiàn)雙向互通，還能夠以動(dòng)畫的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)施工工程的檢測(cè)和模擬。為了能彌補(bǔ)傳統(tǒng)虛擬施工模擬方法的弊端，通過來建立Revit+Fuzor 模式進(jìn)行可視化的虛擬施工模擬。在施工組織設(shè)計(jì)階段，利用Fuzor 軟件中三維可視化技術(shù)，通過Revit 中點(diǎn)擊“LaunchFuzor”將創(chuàng)建完成的模型載入到Fuzor 軟件中對(duì)模型進(jìn)行虛擬檢測(cè)，通過檢測(cè)來探查設(shè)計(jì)圖紙是否出現(xiàn)漏、錯(cuò)、碰等問題。如果發(fā)現(xiàn)問題可同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)更改并雙向同步來深化設(shè)計(jì)的整體布局。在現(xiàn)場(chǎng)的施工階段，F(xiàn)uzor 軟件可以實(shí)現(xiàn)一模多用，如何應(yīng)用有如下幾個(gè)方面：

（1）技術(shù)交底。對(duì)模型的檢查完成后，需要對(duì)施工方進(jìn)行技術(shù)上的溝通，為了讓施工方更加明白施工流程與設(shè)計(jì)意圖，需按照施工工序添加時(shí)間信息并制定構(gòu)件運(yùn)動(dòng)關(guān)系，根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行技術(shù)交底。

（2）三維場(chǎng)布。為了讓施工順利進(jìn)行，需要在實(shí)際施工之前，根據(jù)施工場(chǎng)地與施工情況來進(jìn)行科學(xué)的合理的場(chǎng)地模擬布置。

（3）復(fù)雜工藝指導(dǎo)施工。在施工過程中，對(duì)于容易導(dǎo)致施工人員理解不清晰的復(fù)雜工藝，可以利用虛擬動(dòng)畫進(jìn)行預(yù)先了解學(xué)習(xí)，明白它的施工工藝。該工程下部結(jié)構(gòu)中的橋墩與基礎(chǔ)的連接作為復(fù)雜技術(shù)，它的施工方式就是將鋼板橋墩的外環(huán)板與澆筑與混凝土承臺(tái)中的帶有鋼錨桿的加強(qiáng)板連接。為了讓施工人員充分理解，可以將它的施工工藝進(jìn)行動(dòng)畫模擬來準(zhǔn)確地指導(dǎo)施工[3]。

（4）路徑模擬。為了可以有效地避免施工中的安全隱患，可以利用直觀的三維動(dòng)畫對(duì)進(jìn)場(chǎng)的構(gòu)件進(jìn)行路徑模擬。在橋梁裝配式施工場(chǎng)地中，大型構(gòu)件的進(jìn)場(chǎng)與吊裝對(duì)施工路線要求較高，尤其需要確定吊車的工作范圍，驗(yàn)證吊車的行進(jìn)和轉(zhuǎn)動(dòng)是否會(huì)與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、已裝配好的橋梁構(gòu)件、支架等發(fā)生碰撞。

4 結(jié)語

（1）為了滿足綠色施工的理念，裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁由于其構(gòu)件工廠預(yù)制現(xiàn)場(chǎng)吊裝的施工方式，可以減少現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)；因?yàn)锽IM的虛擬施工技術(shù)擁有可視化、協(xié)同交互、信息集成等特點(diǎn)，可以在現(xiàn)場(chǎng)施工之前預(yù)先對(duì)施工的過程進(jìn)行提前預(yù)演來提高施工效率，因此將二者的集成應(yīng)用到實(shí)際工程中，對(duì)橋梁事業(yè)的發(fā)展注入了新的動(dòng)力。

（2）對(duì)于采用Revit+Fuzor 模式建立適用于橋梁結(jié)構(gòu)的可視化施工模擬體系的一般方法。其中包括Revit 建模、Fuzor 可視化分析、優(yōu)化調(diào)整等步驟。

（3）Revit+Fuzor 模式可應(yīng)用于橋梁的整個(gè)生命周期，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與施工以及運(yùn)維階段的信息共享。

尤其在橋梁施工階段，為了有效地保證了施工安全，節(jié)約施工成本，F(xiàn)uzor 軟件在技術(shù)交底、三維場(chǎng)布、復(fù)雜工藝指導(dǎo)施工、進(jìn)場(chǎng)模擬等方面實(shí)現(xiàn)了全面覆蓋。

（4）以某實(shí)際工程為例，詳細(xì)介紹了將BIM 虛擬施工技術(shù)應(yīng)用到裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁的施工中，可以有效地減少現(xiàn)場(chǎng)施工隱患。經(jīng)過對(duì)橋墩構(gòu)件的精準(zhǔn)參數(shù)化建模，不僅滿足了預(yù)制構(gòu)件的精度要求，還實(shí)現(xiàn)了裝配式鋼橋墩施工關(guān)鍵技術(shù)的模擬和優(yōu)化，來確保施工的質(zhì)量，提高施工的效率。