BIM在城市高架橋預制拼裝施工中的應用分析

摘要：以某城市高架連續箱梁為例，系統闡釋基于BIM技術的節段工廠加工流程和工藝方法，以及節段箱梁加工過程中的線型、應力控制方法和控制成果。經實際應用案例表明，基于BIM技術的城市高架橋預制過程能有效提高橋梁施工質量水平，節約施工工期，促進工程建設高效、經濟的建設推進。

關鍵詞：城市高架橋；預制拼裝；BIM技術；施工技術

0" "引言

作為城市交通的重要組成節點，城市高架橋的地位舉足輕重。城市高架橋相比普通橋梁，在城市景觀、市政設施布設等各個方面更加復雜，采用BIM技術從橋梁建筑設計、橋梁施工進行管控，有利于提升橋梁的建設水平。城市高架橋引入預制拼裝技術，基于BIM工程預制加工構配件、現場拼接，不僅有利于縮短施工工期，優化設計方案，還能有效保證橋梁建設質量 [1]。

1" "城市高架橋BIM預制拼裝技術應用路線

1.1" "BIM技術應用特點

BIM技術模型是將橋梁等建筑物通過數據化輸入，將模型立體數據化顯示在屏幕上，詳細顯示結構形式和細部情況。橋梁結構在應用BIM技術過程中，通過3D模型建立，連接橋梁的全壽命模型數據資源，為項目建設提供從設計至運營階段的全方位數據服務。

將預制橋梁各個構件墩柱、蓋梁、預制梁、預制欄桿等作為基本對象，對各個構件的完整數據信息包括構件強度、剛度、耐久性等，以及各個預制構件的生產加工情況、出廠情況，進行優化整合，確保實施各個構件安裝更加有序。

基于BIM技術的三維可視化技術模型，提高了專業技術人員的設計繪圖效率，將圖形由二維向三維轉變，便于施工方提前了解施工方案，避免對圖紙理解不到位而出現問題。運營階段能夠通過實時的監測各個構件的性能，便于及時發現并處理。

參數化模型針對構件的不同細節參數，可將技術參數進行細化描述，并對三維模型進行實時調整、創建，實現模型的動態化參數化構件工作。標準化模型實施，通過統一化的數據標準接口，可以對不同項目、不同專業人員協同作業，實現數據交互使用，便于溝通協同，有力提高項目建設效率，保持與項目各方的充分溝通，可促進項目順利實施，并可節約成本、縮短工期[2]。

1.2" "城市高架橋BIM技術應用路線

城市高架橋預制施工研究路線流程如下：技術資料查詢→預制橋梁BIM框架→BIM軟件平臺調研應用→BIM參數設計應用→核心三維建模結構計算與開發。

對比不同商業應用軟件，根據橋梁為線性工程的結構性質，結合預制橋梁設計施工工作習慣，嘗試選擇合理的參數化分析流程。預制橋梁結構主要面向于結構施工過程受力計算，通過采取優化設計，綜合提高應用效率。通過二次開發，實現橋梁施工過程的分析模型建立和應用。

建模過程以預制構件研究對象，按照BIM的設計流程，進行三維參數化建模分析，對預制構件施工及使用階段進行綜合的評估工作。整合預制橋梁的各項信息，實現預制橋梁設計施工過程中的全過程信息管理。

建筑工程方面，建筑結構、暖通、電氣等專業分工明確，可協同高效工作，有效提升了整個項目推進的效率和經濟效益。反觀橋梁工程方面，其更要考慮的是工程建設中的水文地質、交通設計以及結構受力狀態，相對比較任意，由此導致BIM標準化功能受到一定影響。尤其是預制橋梁在結構受力計算方面，需要專業的有限元程序進行計算，并要考慮到橋梁工程的運營維護等內容 [3]。

2" "高架橋預制拼裝施工BIM技術應用案例

2.1" " 工程概況

某城市新建高架橋橋梁為（70+120+70）m的三跨連續梁結構，橋墩采用雙線圓端形實體橋墩，墩高約13.5m，采用球形橋梁支座。該橋梁設計行駛速度為80km/h，橋梁設計雙向6車道，采用箱型預制節段拼裝設計，梁段按1.8次拋物線變化規律，箱型梁設置縱橫豎向的預應力體系結構，橋梁的主要構造形式如圖1所示。

橋梁主要設計技術指標如表1所示。根據橋梁的設計技術指標，針對不同的參數要求建立對應的BIM模型和信息輸入匯總收集，確保在方案設計和結構設計階段參數模型準確有效。

2.2" " 基于BIM技術的城市高架連續梁橋監測

在橋梁施工過程中，橋梁的監測是確保結構施工及運營安全的前提和保障。科學應用應力、線型的監測技術，有利于保證受力狀態和變形要求滿足要求，進而確保施工過程順利開展。針對本項目橋梁施工過程，采用BIM信息化的手段，整合信息資源，改變了傳統二維平面圖紙的低效率作業模式[4]，充分發揮BIM模型的參數化、協同化應用，形成精確、適用、信息強大的監控量測。本項目BIM技術項目監測流程如圖2所示。

本項目橋梁采用短線預制工藝、現場拼接安裝施工的工法，因此節段需要在預制場內進行制作。預制完成可在施工現場進行修正工作，但這樣會增加相關成本，為滿足設計要求，必須在預制施工時嚴格控制，以確保較高的經濟效益。

本項目在橋梁施工過程中的控制主要分為兩部分：預制部分和拼裝部分的高程控制，其中最為關鍵的為預制過程中的線型控制。必須嚴格控制各個梁段的實際標高、梁段位置，否則模型分析和實際撓度不一致，會嚴重影響橋梁的安全使用性能[5]。

2.3" "基于BIM技術的預制橋梁拼裝施工過程分析

為保證橋梁短線預制拼裝最終線形達到成橋理論線形，需要在工廠預制時進行預拱度設置。為滿足預制生產流程要求，可在加工過程中對場地統一布置。制作過程中，要保證梁段外觀平整，精度滿足要求。現場施工人員根據工程建設進度情況，嚴格執行每道施工指令，確保每個節段高質量完成。根據現場環境要求，準確控制施工的全過程流程。

施工全流程順序如下：定位梁段n-1高程、長度→n梁段澆筑施工→梁段n的定位設定、高程與點距定位→坐標變換定位梁段n坐標值→移出梁段n作為匹配段→澆筑梁段n+1。為滿足不同梁段位置高程情況，依靠精準坐標定位，不同坐標系之間的換算，采用全局坐標和局部坐標聯合控制的方法。

設計過程中采用的理論計算參數和施工過程中實際參數有一定不同，為此監測過程中采用的應力與實際應力也不相同，為保證過程安全可控，施工過程中的應力監測環節必不可少。通過測得的應力數據，根據相應的公式變換，可求得對應的應力值。彈性狀態下應力計算表達式如下：

σ=E· ε （1）

式中，

σ——截面應力，對應測試截面；

E——材料彈模；

ε——測試截面應變值。

理論分析為彈性應變值，實際測量結果為混凝土收縮、徐變和溫度變化引起的總應變，其計算公式如下：

ε=ε_彈+ ε_無應力 （2）

針對預制連續箱梁結構，根據力學結構分析模型和類似橋梁監測技術經驗，將箱型梁和主墩的主要控制截面作為控制主要指標。

連續梁橋根據箱梁的高度和對應截面情況，選擇橋墩頂部、箱梁根部、四分子一跨度、二分之一跨為控制截面。通過設置應變測試傳感器，精確監測拼裝施工過程中的應力變化信息，對比分析理論數據，良好控制拼裝施工過程。

針對施工過程中，主墩沉降和主梁變形情況，設置對應的高程測量點，設置以已完承臺作為沉降觀測起始點，在主墩和主梁施工過程中、主墩施工完成、主梁現澆施工，以及主梁施工過程中的懸臂澆筑、邊跨合攏、中跨合攏等重要階段進行沉降觀測工作[6]。

針對因施工過程中溫度變化引起的溫度差，不僅影響撓曲變化，故而需要得到溫度變化引起箱梁撓度變化的曲線，可以采取一天中每隔一小時進行溫度觀測，為箱梁的溫度分布以及引起撓度變化提供有力的參考數據。

3" "高架橋BIM技術預制拼裝建造管理技術成果

3.1" " 預制高架橋梁拼裝線型控制成果

采用短線法進行預制節段施工，端節段采用模板進行現澆，其余節段采用相鄰節段端面作為模板進行澆筑作業。為保證節段構造滿足相應節段的連接構造要求，采取每一節段進行澆筑和匹配工作，完成后進行堆疊放置，方便下一節段的運輸拼裝工作。基于BIM的節段拼裝如圖3所示。

基于BIM技術的短線預制節段施工，需要在預制節段將橋梁的線型和誤差控制到位。通過每節逐步誤差控制，逐步控制整體誤差。通過BIM技術進行二次開發，同步開展可視化和信息化的節段預制拼裝高架橋線型控制，達到線型控制總體目標[7]。

3.2" " 節段現場吊裝和合龍控制成果

現場吊運拼裝是施工過程中最為關鍵的控制階段，該階段涉及到大型機械設備的安裝、節段吊裝拼裝、接縫處理和預應力鋼絞線的布置張拉等。通過BIM技術進行現場實景的渲染和顯示，結合漫游功能，讓施工各方能夠提前體驗現場施工過程，可為下一步精細化工程施工過程提供了豐富的可視化指導[8]。

4" "結語

城市高架橋預制施工作為新型的橋梁施工作業方式，具有質量控制好、工期短、安全環保、經濟高效的優勢。在預制及拼裝施工過程中采用BIM技術，使得橋梁預制施工過程信息化控制具備了可視化、協同作業等優點，有力提升預制橋梁的工程建設水平。

針對預制橋梁的施工工藝采用BIM技術展開研究，明確了研究路線和研究重點。采用BIM模型，對高架橋梁預制施工過程中建立相應模型，細化施工過程流程，有效保證了施工過程精細化管理，確保橋梁施工過程有效可控。

根據預制橋梁與建筑工程的特性不同，在BIM模型中加入專用的橋梁施工過程計算分析模塊，立足于BIM模型，進行橋梁施工過程中的應力和線型模擬分析，在預制節段即進行預拱度設置和應力監測工作，可確保拼裝過程中橋梁線型內力符合理論設計要求。

參考文獻：

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[2] 李忠義.趙更新.談BIM技術在高速公路橋梁施工中的應用[J].山西建筑.2018（16）：141-143.

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[4] 龐建，肖輝鉞，曹慧，等.BIM技術在橋梁施工階段的運用研究[J].山東交通科技.2018（4）：145-147.

[5] 黃金甲.橋梁施工中BIM技術運用[J].綠色環保建材.2019（9）：117+119.

[6] 楊惠芬.實例分析BIM設計技術特點及其在橋梁施工設計中的應用[J]工程建設與設計. 2017（22）：94-95.

[7] 孫鑫.BIM技術在單箱四室連續梁橋中的運用[J].四川建材.2019（3）：159-160+162.

[8] 劉智敏，王英，孫靜，等.BIM技術在橋梁工程設計階段的應用研究[J].北京交通大學學報. 2015，39（6）：80-84.