BIM技術在牡佳客專128m鋼拱橋中的應用

卜東平，張琪瑋，郭子飛，趙忠文

(1.西安建工集團有限公司，陜西 西安 710065；2.中鐵一局集團第二工程有限公司，河北 唐山 063004)

1 工程概況

牡佳客專上跨哈同高速公路的128m鋼拱橋全長131.2m，拱橋中心線與高速公路中心線夾角131°51′。主橋上部結構采用128m尼爾森吊桿體系，簡支鋼拱，拱肋采用懸鏈線，在橫橋向內傾8°呈提籃式，拱肋橫斷面采用啞鈴形鋼管截面。拱肋間設1道一字撐和6道K撐。拱橋系梁全長131m，梁端采用矩形實心混凝土截面，寬19.3m、高2.5m，兩端實心段均長8m。普通段采用單箱三室混凝土截面，寬18.5m、高2.5m、長115m。其平面及立面如圖1所示。

圖1 128m鋼拱橋(單位：cm)

2 采用鋼結構BIM技術的必要性

1)外部干擾多 該工程上跨繁忙國道哈同高速公路，車流量大，交通導改難度大。

2)施工要求高 牡佳客專對施工質量精度、施工安全、環境保護等要求高。

3)施工場地狹窄 該橋位處施工現場環境復雜，施工只能在橋梁投影線下征地范圍內展開，場地狹窄。

4)施工工期緊 本工程位于全線架梁關鍵線路上，是全線架梁的控制性節點工程。

5)技術含量高 本工程施工技術復雜，采用BIM技術輔助實施，技術含量高。

基于以上5方面原因，本工程采用BIM技術輔助施工，解決現場實際困難，最大限度地節約人、材、機等資源及縮短工期。

3 鋼結構BIM模型創建

根據施工設計圖紙及建模思路對128m簡支鋼拱橋的建模順序進行分解。建模過程主要分為7個步驟：制作鋼拱肋構件，創建族庫；創建系梁混凝土主體模型；創建系梁鋼筋模型；創建拱腳混凝土模型；創建拱腳鋼筋模型；創建預應力鋼束模型；創建施工臨時支架模型。

嚴格按施工設計圖紙建立BIM模型，做到準確、細致、真實反映橋梁結構。由BIM專業人員根據施工技術人員提供的橋梁設計圖紙與現場環境實測數據，進行橋梁結構尺寸統計，上傳數據，建立1∶1高精度族文件；系梁、鋼筋、預應力鋼束、拱腳、鋼支撐、貝雷梁、吊桿等單獨的三維信息BIM模型，如圖2所示。最后合并創建整體的三維信息BIM模型，如圖3所示。便于后期細化工程量，為后續項目信息化管理提供數據保障。

圖2 鋼拱橋各構件模型

圖3 鋼拱橋BIM精細化模型

4 鋼拱橋BIM成果應用

4.1 深化圖紙設計

根據鋼拱橋BIM精細化模型，通過BIM+VR技術模擬施工過程中的每個步驟。針對原有排布施工空間利用率不高、多處碰撞等問題進行優化。就建模發現的圖紙問題，給出詳細的圖紙編號、問題描述、位置、圖紙與模型顯示以及建模建議和處理方案，如圖4所示。與設計單位進行溝通，進行設計圖紙深化，避免后續施工過程中產生不必要的設計變更，從而加快施工進度。

圖4 深化設計圖紙示意

4.2 三維可視化技術交底

針對項目施工過程中的重點工序，如拱腳安裝施工、鋼管加工安裝施工、吊桿施工等工序，結合BIM技術制作工序卡，建立二維碼信息庫，將二維碼張貼在現場對應區域或對應構件上，供管理人員和作業人員使用手機隨時掃描查閱。掃描對應的二維碼，可形成電子影像化、3D可視化的技術交底，可查看每個工序的“施工模擬”三維視頻講解。如圖5所示，以拱腳三維技術交底單獨作為“施工模擬”應用點。重點是基于拱腳三維信息模型，隨時測量模型表面任何位置鋼筋、尺寸、混凝土工程量等信息，詳細闡述拱腳的施工順序，包括預埋管安裝、鋼筋綁扎順序、在鋼筋加工中的應用。

圖5 三維技術交底

4.3 工程數量復核

本項目BIM建模時采用精細化模型，可精確算量，快速提取工程量，如圖6所示。提取工程量可核對設計用量，有利于加快圖紙審核及預算進度，減少技術及預算人員工作量，提高圖紙審核及預算質量，進而增強項目的審核工效。

圖6 工程數量復核

4.4 空間坐標提取

根據鋼拱橋BIM精細化模型，將模型中總平面布置圖的關鍵點坐標系與大地坐標系統一，可在模型中得到拱橋任意位置的精確坐標，如圖7所示，提高測量放線的精確度和效率。運用模型提取出的任意剖面、任意角度、任意點位的坐標，從而快速準確地復核設計坐標，進而提高施工放樣精度。

圖7 坐標提取(單位：mm)

4.5 鋼拱肋深化加工安裝

對拱肋進行詳細BIM建模，如對加強板、加強肋、加勁鋼筋、吊桿、預埋管等細部構造建模，可通過碰撞檢查提前發現問題，并將問題匯總，用于指導廠家進行拱肋加工，避免運到現場無法安裝，造成不必要的返工。拱肋采用鋼管卷制，廠內集中加工制成，由直線管節焊接拼裝成 8～10m長度，運到現場后在拼裝支架上組拼成型。如圖8所示，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。

圖8 鋼拱肋深化加工安裝

4.6 施工方案模擬

根據鋼拱橋BIM精細化模型，加入施工方案中的大型臨時設施，對128m鋼拱橋主梁采用支架法現澆施工。首先進行鋼管立柱條形基礎混凝土澆筑，再進行鋼管柱安裝，如圖9a所示。拼裝縱向貝雷梁，如圖9b所示。

圖9 施工方案模擬1～3

臨時支架預壓，如圖9c所示。安裝模板系統。豎向鋼管采用φ630×10無縫鋼管，上下采用法蘭連接。橫、縱向均采用I18剪刀撐進行連接。鋼管立柱及橫向分配梁安裝完畢后進行貝雷片縱梁安裝。貝雷縱梁安裝橫向間距分別為45，90cm，采用螺栓和銷子連成整體。利用已創建的BIM模型，在Navisworks中進行施工過程模擬，通過BIM+VR技術展示施工全過程，進行各工況下的細部分析，并形成電子影像化、3D可視化的技術交底，以便全過程指導現場施工。

4.7 交通導改模擬

作業范圍內的施工安全設施嚴格按JTG H30—2015《公路養護安全作業規程》操作。根據相關要求，跨越高速公路施工區域設置警告區、上游過渡區、緩沖區、作業區、下游過渡區、終止區等。在高速公路上加設錐形交通路標、安全帶、圍欄、施工隔離墩、防撞桶等施工安全交通隔離措施。施工范圍夜間設置照明燈、施工警告信號燈，在防護棚架及立柱立面位置(迎車駛來方向)布置反光帶，增強警示效果。根據鋼拱橋BIM精細化模型，可通過三維渲染軟件以真實場景渲染圖形式表達，產生三維漫游動畫，在 Navisworks中進行交通導行模擬，如圖10所示，方便施工參建人員充分理解設計意圖、設計理念，真實地反映項目與周圍環境的立體關系。

圖10 交通導改模擬

5 結語

1)對大橋的各工序提前模擬施工真實場景，對關鍵施工工序、機具組織安排進行仿真，對特殊位置的人員操作進行模擬，輔助規劃施工組織設計方案，并輸出相應的漫游視頻及圖片。

2)根據大橋的主拱骨架實際拼裝質量檢測數據，調整實際BIM模型參數，得到累積誤差計算模型，將計算模型與設計模型做對比，分析累積誤差的計算結果。

3)提供大橋施工現場指導材料，形成三維交互式動態材料，結合圖文、圖紙、視頻等內容進行集中瀏覽和展示。

4)通過模型確定設計圖紙中未明確的鋼筋長度，避免出現加工的鋼筋不能用，提高工效。

5)通過對該橋的關鍵工序進行施工模擬，優化施工方法，避免出現由于工序錯誤導致施工效率低及返工情況。

6)通過模擬施工工序進行三維交底，加深技術人員對圖紙的理解，更加有效地保證施工質量。

7)通過模型提前發現圖紙設計問題，提前與設計方溝通，避免施工過程中產生不必要的變更。

8)通過模擬跨越高速公路施工區域，確定錐形交通路標、安全帶、圍欄、施工隔離墩、防撞桶等施工安全交通隔離措施是否合理。

9)本項目BIM技術應用產生了很好的實施效果，在施工過程中未出現設計變更，施工進度提前完成，受到業主方表揚。