基于BIM+FEM的大傾角高塔柱智能建造技術研究

李 正 全， 趙 貴 朋

(中國水利水電第七工程局有限公司 一分局，四川 彭山 620860)

1 概 述

斜拉橋作為大跨徑橋梁的一種代表橋型，其優異的跨越能力和獨特的景觀造型獲得許多城市的青睞，異形大傾角高塔柱已成為撐起城市天際線的地標。但大傾角、變截面、施工時的環境影響等造成了其空間定位難、設施預留預埋復雜、線形控制難等施工難題。隨著我國基礎設施建設的飛速發展，BIM(建筑信息模型)技術在建筑、車站隧道、大型橋梁等建設過程中得到了充分的應用，如在國家速滑館建設過程中，使用BIM技術對其構件進行精細化編碼，提高了施工效率， 縮短了施工工期[1]。在橋梁施工過程中，經常會遇到預制構件過多、施工工藝復雜、人員管理不協調等問題，因此需要對項目施工不斷進行優化[2]。而根據BIM三維模型和項目施工信息，可以對施工工序、施工進度、施工安排等進行動態模擬，發現可能出現的問題，從而進行方案的修改與變更[3]。BIM不僅是將簡單的數字信息進行集成，其還可以將數字信息進行創新管理與應用[4]。采用BIM技術可以優化施工組織方案與施工工藝，落實質量與安全保障措施，提高溝通、管理、資金等資源配置的效率，節約時間，降低經濟成本[5]。闡述了以金堂縣韓灘雙島大橋為對象，將BIM技術應用于城市斜拉橋的百米級主塔施工，對橋塔施工的各方面和各進程進行指導，通過爬模的改進以及智能技術的研究與應用，實現主塔機械設備的高效利用、智能化線型控制，確保施工進度滿足要求，提升工程項目建設管理信息化水平的過程。

韓灘雙島大橋位于成都市金堂縣沱江上游600 m處，主橋全長860 m，主跨430 m，W0、E0主塔結構均為鉆石型主塔，塔高137.5 m，下塔柱高12 m，采用閉合多箱室結構。中塔柱按雙肢布置，高度為72.5 m，塔柱呈77.593°內傾角，橫向中心間距由46.4～14.5 m漸變。中塔柱外輪廓截面尺寸：縱橋向寬度為8.8 m，橫橋向寬度為5.5 m。上塔柱按雙肢布置，高度為53 m，橫向中心間距為14.5 m；上塔柱外輪廓截面尺寸：縱橋向寬度為8.8 m，橫橋向寬度為5.5 m。中橫梁外部結構尺寸：高度為5 m，橫向寬度為6.8 m；內部結構尺寸：高度為3.8 m，橫向寬度為5.6 m，采用單箱單室預應力結構。上橫梁外部結構尺寸：高度為3.8 m，橫向寬度為6.8 m，采用單箱單室預應力結構。橋塔采用C55混凝土。大橋主橋采用半漂浮體系，塔墩固結、塔梁分離，鋼箱梁在索塔下橫梁和邊墩上設置豎向支撐。索塔、橋墩縱向均為滑動支座，索塔處設置縱向阻尼器。索塔橫向設置抗風支座用以限制橫風位置以及地震響應。

大橋的傳力路徑為主梁-斜拉索-主塔-基礎，其傳力路徑明確，主塔在其中扮演著重要的角色。風荷載、溫度力、地震力等作用對橋塔傾斜具有很大的影響。受相關因素影響及業主要求，大橋施工周期短，主塔空間線形控制難度大，施工安全風險高，鋼錨梁安裝精度要求高；除此之外，大橋結構復雜，施工環境對工程的進度履約影響大，而傳統的施工組織設計在實際應用中缺乏迅速指導施工組織優化方向的優勢。因此，研究如何通過信息化手段、結合有限元分析實現對類似大型復雜結構的精準控制成為采用BIM技術的必然。

2 基于BIM+FEM的大傾角高塔柱智能建造技術

目前國內外常用的BIM建模軟件平臺眾多，各個設計單位與施工單位所使用的軟件亦不相同。用于橋梁工程方面的BIM軟件主要包括美國的Autodesk平臺與Bently平臺，法國的Dassault平臺，芬蘭的Tekla平臺，中國上海的魯班 BIM 系列軟件及其平臺。項目部經細致調研比較后，最終決定以CATIA軟件為主，通過Digital-link矩陣將FEM分析結果錄入數據庫，建立帶數據中臺的BIM模型。該數據中臺除包括設計狀態、施工預期狀態外，還將現場測試數據及時錄入并建立評價模型以便為結構狀態的實時評估提供決策。介紹了具體的研究與應用過程。

2.1 塔柱形體及變形控制技術研究

采用BIM技術模擬主塔施工過程，可以加載各類設備的預留預埋，提前預測偏心偏距以及設備附著安裝是否存在干擾等。為做好線性控制工作，從建好的BIM模型中抓取了各點模擬主塔施工過程的施工坐標系坐標，從而實現了BIM模型任意坐標系坐標向施工坐標系坐標的轉換；同時提取了主塔模型坐標用以指導現場模板安裝，從而有效控制了主塔線型。如圖1所示提取了模型坐標，有效避免了人工計算產生的誤差。控制點坐標見圖1。通過BIM模擬確定主動橫撐安裝位置，抵消了中塔柱內傾帶來的偏心力，從而確保了主塔線型與設計要求的一致。研發出一種索塔橫梁混凝土分區澆筑裝置，引進了塔式布料機，從而大大減少了勞動強度。將最終的主塔成型線型數據與設計線型數據進行對比得知：其垂直度低于30 mm(塔柱高度/3 000)，表明主塔線型控制良好。

圖1 控制點坐標示意圖

2.2 大節段爬模施工技術研究

該橋采用6 m長大節段爬模施工。而在大斜度主塔采用大節段爬模施工尚無成熟的經驗可以借鑒。傳統的液壓爬模一般按高度4.5 m進行分節，其施工周期長，滿足不了該工程的工期要求。根據項目建設工期要求以及經濟性考慮，項目部研究決定采用6 m分節施工。而在如此大斜率的塔柱上采用大節段爬模，對爬模的剛度和變形要求更高，爬模導軌的變形更加難以控制，模板面板變形的控制難度大，中橫梁處爬模變截面自動爬升實施難度大，爬模中塔柱部位爬升過程中爬升不同步，安全風險較大。同時，如何保證爬模同步爬升，解決爬升導軌變形、模板面板變形以及中橫梁處爬模變截面自動爬升等問題成為此次研究的重難點。

由于爬模采取6 m分段且中塔柱部位為斜爬施工，不同塔柱面爬架的重量及角度均不同，爬升過程中受力狀態復雜且其均靠導軌作為支撐，爬模施工過程中的安全風險較大。為降低液壓爬模施工的安全風險，在液壓爬模施工前，運用BIM+有限元分析爬模的施工過程，在有限元建模時荷載為側模及爬架的自重，軌道采用板單元模擬，擋塊采用實體單元，此時導軌的危險工況出現在爬升機構作用在導軌中部時，因此可以得出原設計方案中的9 m爬模導軌不能滿足現場施工需要、變形過大的結論，需要增加導軌并采取相應措施進行加固。爬模設計情況見圖2。

圖2 爬模設計圖

BIM+有限元分析爬模導軌模型見圖3。通過BIM+有限元提前對爬模導軌危險工況進行分析研究，提前規避了爬模使用過程中因導軌變形造成的安全風險，研發出一種爬模導軌加固裝置，有效保證了爬模施工安全。由于中塔柱部位塔柱的向內傾角達77.6°，爬模為斜向爬升，爬升過程中塔柱的四個面需保持平行同步爬升，否則將會導致爬升不同步，安全風險大。經對所出現的問題進行分析并得出爬升不同步是由于四個面爬架受力不同、供油系統供油不足而導致爬升不同步的結論。為解決該風險，在四個塔柱面增加了分油閥，當個別面爬架出現爬升過快時，通過調節分油閥控制油壓、減緩爬升速度，取得了四個面同步爬升的效果。

圖3 BIM+有限元分析爬模導軌模型圖

此外，項目部還研發了液壓爬模鎖定裝置、防止混凝土錯臺的模板鎖定裝置以及一種簡易模板拉桿等多項專利技術，充分保障了主塔成型質量及施工安全，確保了施工進度滿足要求，施工質量達到設計標準。

2.3 基于BIM仿真技術實施主塔防碰撞檢查

該橋主塔預埋件包含施工電梯、泵管、爬模、橫撐、索導管、塔吊附著件、景觀照明等，其數量多且安裝位置復雜；同時，主塔本身鋼筋網密集，尤其是預應力錨固區牛腿及預應力筋縱橫交織，各構件之間極易發生碰撞和遺漏。以施工電梯為例，若電梯預埋件與爬模預埋件發生碰撞，將導致施工電梯無法繼續使用，整個項目將面臨停工。

通過運用BIM仿真技術，可以提前發現主塔各構件之間的碰撞，從而為主塔施工輔助體系的平面布置提供依據，提前做好策劃，調整鋼筋與預埋件的位置，有效保證了現場施工進度與施工質量。內部構件布置情況見圖4，主塔BIM仿真干涉碰撞檢查情況見圖5。

圖4 內部構件布置圖

圖5 主塔BIM仿真干涉碰撞檢查示意圖

2.4 鋼錨梁高精度定位技術研究

鋼錨梁施工主要存在以下問題：預應力錨固區鋼筋密集，預埋件多，易發生碰撞而影響到鋼錨梁的安裝；索塔內空間狹窄，鋼錨梁與內壁的間隙僅為5 mm左右，無法實現在塔柱混凝土澆筑完畢再安裝整體式鋼錨梁的要求；而傳統分段式鋼錨梁安裝需采用兩臺起重設備精準吊裝、連接，安裝難度極大，施工成本高；塔內操作空間狹小，無可供施工的作業平臺，安全風險高，精調困難。

通過BIM仿真技術以及所研發出的一種斜拉橋整體式鋼錨梁及其施工方法和一種鋼錨梁安裝及精調輔助操作平臺，大大簡化了施工工藝，節省了人力及工期，實現了鋼錨梁精確快速定位，提升了塔內施工的安全系數及鋼錨梁的安裝精度，施工質量得到了有效保證；同時，鋼錨梁的精確安裝定位為斜拉索后期一次張拉調整到位奠定了堅實的基礎。鋼錨梁BIM模型見圖6。

圖6 鋼錨梁BIM模型示意圖

3 結 語

通過采用BIM+FEM技術在韓灘雙島大橋項目施工技術、進度、質量管理等方面進行的探索與應用，實現了橋塔施工過程動態模擬控制、設計的校核、精細化核算、模板系統架設等重難點施工工藝的仿真；借助 BIM 技術協同了碰撞、空間定位、多關系預演、復雜空間立模定位，保障了大橋混凝土澆筑質量和錨梁安裝精度，解決了施工中的諸多難點，優化了施工方案，依據可視化模型為施工人員直觀地展示出橋梁施工過程并用于指導現場施工。BIM+FEM技術的運用使韓灘雙島大橋大大縮短了塔柱施工工期，節約了施工成本，保證了項目能夠順利高效的進行，取得了良好的應用效果, 所取得的經驗對BIM技術在其余大型橋梁中的研究與應用具有重要的參考價值。