BIM技術在高鐵簡支梁拱組合體系橋施工中的應用

■ 耿國永

0 引言

近年來，諸如杭州灣跨海大橋、港珠澳大橋等大型、特大型橋梁工程越來越多，現代橋梁大跨、復雜、高強、輕質等特征對建設施工技術提出了更高的要求和挑戰，傳統二維工作模式已難以解決施工中的困難，BIM技術的應用成為必然。利用BIM建模軟件創建包含完整工程信息的三維數字模型[1-2]，實現與作業現場的高度契合，讓管理層和作業層能夠直接查看三維立體模型代替翻閱二維CAD設計圖紙。同時利用建模關聯工具在項目實施前發現工程問題，提升工程項目管理成效[3]。

1 工程概況

新建鄭萬鐵路跨永登高速公路的128 m簡支梁拱組合體系橋位于許昌市禹州境內，橋梁全長130．2 m，永登高速公路路面寬度為36．5 m，雙向6車道，匝道路面寬7．0 m。簡支梁拱組合體系橋與永登高速公路水平夾角為74．5°，與匝道水平夾角為87．3°，鐵路建成后距公路凈高為8 m。該橋結構形式為下承式簡支梁拱組合體系橋，橋梁基礎采用鉆孔樁承臺基礎，墩身為異形實體橋墩，起訖墩號為541#—542#，高度分別為5 m和2 m。系梁按整體箱形布置，采用單箱三室預應力混凝土箱形截面，橋面箱寬17．8 m，梁高2．5 m，底板在3．0 m范圍內上抬0．5 m以減小風阻力，吊點處設橫梁，厚度為0．4～0．6 m。拱肋軸線采用懸鏈線方程，拱肋計算矢高26 m，計算跨徑L=128 m，矢跨比為1/5。拱部采用Q345q-D材質鋼管，與梁體垂直方向形成9°的夾角，鋼管內采用C55補償收縮性混凝土填充。拱肋之間共設5道K撐，橫撐由Φ600、Φ50、Φ360 mm的圓形鋼管組成，鋼管內不填充混凝土，外表面需做防腐處理。吊桿布置采用尼爾森體系，水平夾角為52．39°～71．18°，橫橋向水平夾角為81．00°。拱腳定位、拱肋及吊桿安裝、預應力體系和預埋件等空間位置布置要求高，其精度直接決定全橋的受力體系。

2 BIM技術應用

2.1 模型可視化

簡支梁拱組合體系橋上跨永登高速公路，系梁現澆支架采用Φ600 mm×8 mm鋼管立柱+貝雷梁的梁柱式結構形式，貝雷梁上部設置橫橋向Ⅰ14工字鋼，Ⅰ14工字鋼上放置順橋向方木，方木上放置膠合板；拱肋安裝支架采用Φ529 mm×10 mm鋼管焊接的“人”字形鋼管柱結構。根據施工方案創建支架三維模型，在設計圖上建立跨永登高速公路簡支梁拱組合體系橋三維模型（見圖1）。

2.1.1 優化施工方案

利用BIM技術將簡支梁拱組合體系橋三維模型與施工方法有機結合，模擬施工作業工序，進一步核查施工方案是否合理。該過程中，工程師可以直觀、形象、生動地動態參與拱肋安裝、拱腳定位、預應力張拉、線形監控等復雜關鍵工序全過程，發現不合理或錯誤時能夠及時修正施工方案，然后再進行方案模擬檢查、優化，直至施工方案全面可行。

鋼管拱肋安裝是簡支梁拱組合體系橋的關鍵工序，其中拱肋吊裝方案采用2臺80 t汽車吊在橋面進行安裝，鋼管拱吊裝節段運輸至現場后在橋頭位置存放，需安裝拱段應提前1 d利用汽車吊倒運至安裝位置進行存放。在利用BIM技術模擬汽車吊站位時（見圖2），發現汽車吊單支腿處沒有正對系梁的隔板和腹板，為確保系梁頂板承載力滿足要求，把該工況下的三維模型輸出到Midas FEA中計算，結果顯示系梁頂板承載力不滿足要求。然后把汽車吊單支腿正對系梁的隔板和腹板，汽車吊支腿下設置1 200 mm×1 200 mm的雙層鋼板支墊，鋼板壁厚10 mm，兩層鋼板中間夾間距200 mm的Ⅰ10工字鋼，再對該工況進行模擬，結果顯示安全系數滿足要求。

圖1 跨永登高速公路簡支梁拱組合體系橋三維模型

圖2 汽車吊站位BIM模型

拱腳結構十分重要，但混凝土施工質量控制難度較大，以往經常出現拱腳混凝土不密實和裂紋現象。主要原因是拱腳在系梁端部實體段與邊腹板交接處“生根”，不同方向的鋼筋圍繞預埋鋼管密集布置，拱腳下還有固定預埋鋼管的型鋼支架和三向預應力波紋管穿過，混凝土振搗質量難以保證。通過由BIM技術建立的拱腳模型，發現拱腳處混凝土振搗存在盲區，且在個別位置振動棒很容易觸碰到波紋管使預應力管道漏漿堵塞。拱腳振搗BIM模型見圖3（a），其中藍色顯示為模擬的振動棒，最終把振搗方案優化為在鋼管拱內切割出間距為60～70 cm的振搗孔和觀察孔，開孔精確定位避開波紋管，這樣可以在混凝土澆筑時讓作業人員在拱腳預埋鋼管內用30型振動棒按“快插慢拔”的原則實施搗固，同時安排另一班作業人員在系梁頂面和腹板側面采用振動棒加敲擊的方法進行振搗，最后用鋼板把振搗孔和觀察孔焊接封堵（見圖3（b））。

2.1.2 高效審核圖紙

由于簡支梁拱組合體系橋結構比較復雜、施工難度大，特別是預應力管道、吊桿、拱肋等細部結構的相對空間關系更是錯綜復雜，傳統二維CAD圖紙是在不同圖紙上展示不同構件，在設計階段很容易出現不同構件之間位置沖突等紕漏或錯誤。鑒于部分結構的復雜性和二維圖紙傳遞設計信息的局限性，工程師很難快速準確發現設計圖紙存在的問題，無法正確理解設計意圖，從而造成損失。運用BIM模型可以讓工程師直觀理解設計意圖，使設計信息完整地傳遞給施工人員，預先發現設計問題，并快速準確向設計人員反饋信息，提高審圖的效率和準確度。通過BIM模型還可與設計人員搭建有效的溝通平臺，避免“邊干邊審”傳統模式下造成的誤工、返工現象。按原設計內外吊桿下部發生位置沖突見圖4，與設計人員溝通后修改的吊桿位置見圖5。

圖3 拱腳振搗優化方案

圖4 原設計內外吊桿的位置沖突

圖5 修改的吊桿位置

2.1.3 技術交底形象化

運用BIM技術對結構復雜構件進行形象化的技術交底，使管理人員和作業人員深刻理解設計意圖、掌握施工方法，避免誤解造成誤工廢料。例如吊桿下異形錨塊部位結構尺寸復雜，在傳統二維設計圖條件下，施工人員很難對異形錨塊結構有準確的認識和理解。利用BIM模型的可視化優點，把異形錨塊的復雜結構直觀、形象地展示出來（見圖6），模板加工尺寸、預埋鋼管的定位坐標、預埋件角度等實際施工數據也可以全部通過模型獲取，增強項目人員的識圖能力，提高施工準確度。

圖6 異形錨塊BIM模型

2.2 碰撞檢測深化設計

簡支梁拱組合體系橋設計為三向預應力體系，預應力管道比較密集，特別是在拱腳處還有預埋鋼管，充分利用BIM技術強大的碰撞檢測優勢，發現橫向預應力、縱向預應力等預應力管道與鋼管發生多處碰撞，碰撞BIM模型見圖7。經與設計單位溝通，設計人員明確可以在拱腳預埋鋼管上有沖突的位置預設孔洞，確保預應力波紋管道可正確通過。

2.3 模擬場地布置

簡支梁拱組合體系橋的鋼管拱單側拱肋在工廠制造共分為11個制造節段（不含拱腳），左右側各11個拱肋節段，全橋共計22個，單節拱肋最大質量26．78 t。由于受場地空間的限制，拱肋安裝時，施工組織需要根據現場實際情況選擇施工方法和機械設備，特別是汽車吊的選型要根據吊裝拱肋的質量、起升高度、回轉半徑及折減系數進行計算。利用BIM技術可完成有限空間內場地的合理布置，有效避免安全隱患和資源浪費，進一步提高作業工效。利用BIM技術模擬拱肋存放見圖8，機械設備行走路線見圖9，汽車吊站位及吊裝范圍見圖10。

2.4 四維模擬施工進度

圖7 碰撞BIM模型

圖8 拱肋存放區域

圖9 機械設備行走路線

圖10 汽車吊站位及吊裝范圍

在二維傳統模式下，施工進度管理在形式上基本通過表格和CAD圖紙呈現，由于信息量匱乏或不全面，很大程度依靠管理人員的經驗進行決策，施工整體進度控制處于“差不多”的估計狀態，缺乏精細的量化分析和精準判斷。BIM技術的四維進度管理是三維模型與時間維度緊密結合的產物，將施工任務與時間、結構構件、施工階段相互關聯，創建四維施工進度，不但能夠對施工進度進行查詢、跟蹤、分析、調整，還能直觀展現實際進度和計劃進度，實現施工進度的動態管理。通過四維模擬包含時間參數的建造過程，核查工序和工法是否合理以及對按期實現進度目標的影響程度，審核制定的進度計劃是否可行，檢查節點工期與施工進度是否匹配。這些進度狀況能夠以天、周、月、季度為單位進行正序和倒序的四維動態模擬，施工進度信息可以在Navigator與Microsoft Project、Primavera P5、Primavera P3等軟件之間相互導入或導出，生成有關的數據表，實現進度的量化分析，精準判斷進度狀態，使管理人員快速掌握實際工程進展情況，及早發現制約進度的關鍵控制點，優化調整資源配置，確保進度管理目標的實現。簡支梁拱組合體系橋拱肋安裝施工進度模擬見圖11。

2.5 快速準確算量

傳統橋梁工程的工程量清單統計非常繁瑣且變量多，需要經常改動，費時費力。特別是對于結構復雜的簡支梁拱組合體系橋，無論是梁柱式臨時支架，還是實體工程，材料用量種類繁多、數量龐大，準確快速算量是個難題。利用BIM技術的工程量統計功能，通過三維模型很快地生成材料清單，有利于項目提前進行物資供應市場調查，選擇合適的供貨商及時預制定做，可節省大量重復性工作，縮短物資進場周期，有利于保證施工進度。而且BIM模型具有實時聯動特性，即使數據有變也會根據聯動特點自動調整，始終保持與實際項目相符，提高了準確率及工作效率，也有利于工程成本控制。

以拱腳部位鋼筋工程量計算為例，利用ProStructure建立拱腳鋼筋模型（見圖12），然后按照工程師習慣對鋼筋進行編號，為方便核對施工圖也可輸入設計圖紙上顯示的鋼筋編號，自動生成鋼筋材料統計表（見圖13），還可直接導出到Excel中完成統計工作。如果發生變更可修改模型，材料統計表會相應自動調整。

圖11 簡支梁拱組合體系橋拱肋安裝施工進度模擬

圖12 拱腳鋼筋模型

圖13 鋼筋材料統計表

3 結束語

采用BIM技術對鄭萬鐵路跨永登高速公路的128 m簡支梁拱組合體系橋進行三維建模，判斷施工方案的可行性和設計的正確性，檢查結構碰撞，優化設計。利用BIM技術改進了施工工藝，實現技術交底的形象化，完成了四維進度模擬和快速準確算量。BIM是近年來徹底改變工程建筑行業的一次重大技術革命，將包含質量、安全、時間、成本等多維信息的工程建造過程提前在計算機中形象地進行模擬，具有縮短工期、減少工程中摩擦、降低成本、提高管理效率等優點，未來必將有更廣泛的應用。