基于Bentley的彎橋懸臂拼裝施工仿真

張穎達(dá) 寇永輝 熊麗敏

1. 鄭州市交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院 河南 鄭州 450001

2. 河南省公路全預(yù)制裝配式橋梁工程技術(shù)研究中心 河南 鄭州 450001

建筑信息模型（Building Information Modeling），簡(jiǎn)稱(chēng)BIM，是由足量、精確的信息來(lái)表達(dá)建筑情況的綜合模型。由Autodesk公司在2002年率先提出，隨后在美國(guó)、日本、歐洲和韓國(guó)得到廣泛應(yīng)用。自從我國(guó)建筑業(yè)在2003年引入BIM技術(shù)以來(lái)，BIM技術(shù)的應(yīng)用深度和廣度不斷提高[1,2]。例如，國(guó)家速滑館項(xiàng)、北京財(cái)富中心寫(xiě)字樓、上海世博會(huì)德國(guó)館、道路橋梁等項(xiàng)目[3-5]都采用BIM 技術(shù)進(jìn)行多專(zhuān)業(yè)管線進(jìn)行優(yōu)化布置、碰撞檢查、施工仿真分析和數(shù)據(jù)集成。北京在2014年2月頒布的《民用建筑信息模型設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（DB11/1063-2014）》將BIM應(yīng)用推向標(biāo)準(zhǔn)化，2017年7月發(fā)布《北京市建筑信息模型（BIM）應(yīng)用示范工程的通知》進(jìn)一步推進(jìn)BIM在工程方面的應(yīng)用。上海也在2014年10月公布了《關(guān)于在本市推進(jìn)建筑信息模型技術(shù)應(yīng)用的指導(dǎo)意見(jiàn)》，以推進(jìn)BIM技術(shù)在公共設(shè)施建設(shè)中的應(yīng)用[1]。

目前流行的BIM平臺(tái)包括Revit、Bentley、ArchiCAD、廣聯(lián)達(dá)、鴻業(yè)等[6-8]。其中Bentley平臺(tái)采用各行業(yè)統(tǒng)一文件格式的專(zhuān)業(yè)化軟件MicroStation、OpenRoads、OpenBridge、ContextCapture、LumenRT等建模，基于線上協(xié)同的云平臺(tái)可使專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)的建筑模型進(jìn)行更好地分工協(xié)作[9,10]。由于曲線段懸臂拼裝匝道橋具有平彎、豎彎曲線并設(shè)有超高，主梁空間線形復(fù)雜，各預(yù)制節(jié)段及其剪力鍵、齒塊、預(yù)應(yīng)力管道等構(gòu)造復(fù)雜且各不相同，這些都增加了懸臂拼裝施工難度，開(kāi)展精細(xì)化的施工仿真非常必要，經(jīng)過(guò)比選，選定Bentley平臺(tái)開(kāi)展施工仿真分析。

本文以鄭州南四環(huán)高架橋的鄭密立交段C匝道橋?yàn)橐劳?，采用Bentley平臺(tái)和無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，對(duì)半徑360m的短線法預(yù)制懸臂拼裝橋梁進(jìn)行精細(xì)化實(shí)景建模，進(jìn)行高精度、多維度的施工仿真分析，總結(jié)出一套復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)施工的模擬方法，成果為復(fù)雜橋梁施工提供借鑒與參考[2]。

1 工程概況

鄭州南四環(huán)高架橋工程是國(guó)家綠色建設(shè)和工業(yè)化裝配式橋梁的典范工程。項(xiàng)目最大限度的采用墩梁工業(yè)化設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)架一體化橋梁工業(yè)化技術(shù)。其中鄭密路立交橋C匝道橋位于半徑為360m的曲線段上，橋梁寬度10m，共分為3聯(lián)，對(duì)應(yīng)的跨徑布置為2×（3×28m）+3×26.83m，本文以第二聯(lián)為研究對(duì)象，橋型布置見(jiàn)圖1。匝道設(shè)計(jì)車(chē)速40km/h，主梁采用單箱單室等高斜腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，橋墩處墩梁固結(jié)，橋臺(tái)處設(shè)置支座。主梁高2.2m，主梁?jiǎn)慰绻矂澐?1個(gè)施工節(jié)段，墩頂0號(hào)節(jié)段長(zhǎng)4.1m，墩頂現(xiàn)澆0號(hào)節(jié)段與1號(hào)預(yù)制節(jié)段間設(shè)置15cm現(xiàn)澆濕接縫，跨中合龍段長(zhǎng)1.2m，0號(hào)節(jié)段與合龍段均采用現(xiàn)澆施工。其余節(jié)段長(zhǎng)2.8m，采用短線法預(yù)制懸臂拼裝施工。橋墩采用花瓶墩，基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)[3]。

圖1 鄭密路立交橋C匝道橋第二聯(lián)（單位：m）

2 Bentley平臺(tái)懸臂拼裝橋梁施工仿真流程

根據(jù)曲線段短線法懸臂拼裝施工特點(diǎn)，結(jié)合Bentley平臺(tái)現(xiàn)有軟件，總結(jié)其施工仿真分析流程如圖2所示。其中，MicroStation軟件有專(zhuān)門(mén)的曲線、曲面、實(shí)體等模塊，可滿足對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的精細(xì)化建模。通過(guò)OpenRoads軟件進(jìn)行道路的平曲線、豎曲線、邊坡、土石方開(kāi)挖、局部超高及加寬的模擬，結(jié)合OpenBridge軟件，考慮施工過(guò)程，開(kāi)展橋梁的截面、跨度信息定義，并通過(guò)整體放樣建立新建橋梁整體BIM模型。采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對(duì)新建橋梁周邊環(huán)境進(jìn)行采集，通過(guò)ContextCapture軟件構(gòu)建三維實(shí)景模型，經(jīng)過(guò)3Dmax軟件調(diào)整BIM模型。最終，將以上模型融合并導(dǎo)入LumenRT中，開(kāi)展曲線節(jié)段預(yù)制懸臂拼裝橋梁施工仿真模擬[4-5]。

圖2 Bentley平臺(tái)施工仿真流程圖

3 Bentley平臺(tái)曲線節(jié)段預(yù)制懸臂拼裝橋梁施工仿真難點(diǎn)

3.1 匝道的空間線形放樣

考慮匝道施工圖的平彎、豎彎、超高情況，結(jié)合橋梁施工節(jié)段劃分、施工步驟，在OpenRoads軟件中建立匝道橋所在道路中心線，以外部參照形式導(dǎo)入OpenBridge軟件中，建立匝道橋BIM模型（圖3）。

圖3 立交匝道模型

3.2 空間曲線預(yù)應(yīng)力鋼筋模型建立

與直線橋梁預(yù)應(yīng)力鋼筋不同，曲線節(jié)段預(yù)制橋梁預(yù)應(yīng)力鋼筋數(shù)量多、線型復(fù)雜，且預(yù)應(yīng)力鋼筋線型一般是通過(guò)沿道路中心展開(kāi)繪制，需要根據(jù)匝道的平曲線情況進(jìn)行坐標(biāo)換算，使得直接繪制預(yù)應(yīng)力鋼筋的空間曲線極為困難[6]。

由曲線段預(yù)應(yīng)力鋼筋線型特點(diǎn)可知，預(yù)應(yīng)力的空間曲線型為平彎路徑與豎彎路徑所拉伸創(chuàng)建的空間曲面的交線。通過(guò)MicroStation軟件，首先建立預(yù)應(yīng)力鋼筋所在的平彎及豎彎曲面，然后通過(guò)線邊界提取方法獲得預(yù)應(yīng)力鋼筋的空間曲線，如圖4所示。

圖4 曲線預(yù)應(yīng)力鋼筋模型構(gòu)建

3.3 施工場(chǎng)地實(shí)景模型建立

采用大疆精靈2Pro無(wú)人機(jī)通過(guò)傾斜攝影的方法，進(jìn)行施工場(chǎng)地實(shí)景模型構(gòu)建，飛行高度120m，拍攝范圍為鄭密立交全范圍，拍攝角度為范圍內(nèi)的正射影像及傾斜影響，相鄰位置長(zhǎng)邊拍攝重復(fù)率高于70%，短邊內(nèi)容重復(fù)率高于50%，共1017張照片，規(guī)則切塊25塊獲得鄭密立交實(shí)景整體模型。并對(duì)主要模擬段C匝道第二聯(lián)進(jìn)行細(xì)節(jié)拍攝，飛行高度50米，照片重復(fù)率同上。將以上圖片導(dǎo)入ContextCapture軟件中，根據(jù)照片中存儲(chǔ)的GPS空間位置信息、陀螺儀的空間角度信息、傳感器焦距尺寸等信息進(jìn)行空中三角形計(jì)算，從而將二維照片像素點(diǎn)轉(zhuǎn)為三維實(shí)景模型，從而建立兼顧遠(yuǎn)處背景及近處細(xì)節(jié)的實(shí)景模型（圖5）[7-8]。

圖5 鄭密立交實(shí)景模型

若進(jìn)一步調(diào)整或編輯模型，可將切塊的OBJ格式模型導(dǎo)入3Dmax中，對(duì)實(shí)景模型進(jìn)行調(diào)整。

3.4 施工機(jī)具設(shè)備模型建立

對(duì)于常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)具設(shè)備可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)直接獲得，而對(duì)于本橋施工專(zhuān)用的機(jī)具設(shè)備，則需要根據(jù)施工單位提供的機(jī)具設(shè)備圖紙通過(guò)MicroStation軟件建模。

3.5 施工仿真模擬

將橋梁結(jié)構(gòu)模型、機(jī)械設(shè)備模型和編輯后的實(shí)景模型導(dǎo)入LumenRT軟件中，根據(jù)具體施工方法，調(diào)整相應(yīng)模型構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)路徑及速度，從而得到橋梁施工仿真。圖6展示了本橋曲線節(jié)段預(yù)制現(xiàn)場(chǎng)吊裝模擬[9-10]。

圖6 橋梁預(yù)制節(jié)段吊裝模擬

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)曲線節(jié)段預(yù)制懸臂拼裝橋梁施工仿真模擬，Bentley系列軟件能滿足多曲面、條狀復(fù)雜構(gòu)件的仿真模擬。目前本橋已順利完成施工，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益顯著，成果為同類(lèi)結(jié)構(gòu)施工模擬提供參考。