BIM 在合肥南環(huán)線鋼桁梁柔性拱橋施工中的應(yīng)用

唐國武 王 偉 杜伸云 陳寶民

(中國中鐵四局集團鋼結(jié)構(gòu)有限公司，合肥 230000)

1 引言

建筑信息模型BIM(Building Information Modeling)，是以三維數(shù)字化技術(shù)為依托建立的一個集成了工程項目各種相關(guān)信息的數(shù)據(jù)模型。項目各參與方都可以從這個信息模型中提取各自需要的信息，用于指導(dǎo)相關(guān)工作又能將各類信息及時反饋。BIM具有三維可視化、協(xié)同性及信息可提取性等特點，是推動鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)信息化走向更高層次的新技術(shù)。

目前，鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域?qū)IM的理論、技術(shù)和應(yīng)用方法的研究取得了一定的進展。一些鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)已經(jīng)開始推廣應(yīng)用BIM技術(shù)，通過BIM打造信息化鋼構(gòu)，提升管理效率、降低生產(chǎn)成本，推動企業(yè)的技術(shù)進步和科技創(chuàng)新。

橋梁鋼結(jié)構(gòu)的施工，由于其本身的結(jié)構(gòu)精度要求高、制造工序和安裝過程工況復(fù)雜等特點，項目各相關(guān)方之間的溝通和協(xié)調(diào)難度大，而且據(jù)我們所知國內(nèi)目前BIM在鋼結(jié)構(gòu)橋梁方面應(yīng)用的案例還不太容易找到，本文通過BIM技術(shù)在合肥南環(huán)線鋼桁梁柔性拱橋工程中的應(yīng)用，對BIM應(yīng)用于橋梁鋼結(jié)構(gòu)工程進行了有益的實踐與探索。

2 工程特點

本工程為三跨連續(xù)鋼桁梁柔性拱組合結(jié)構(gòu)(圖1)，其施工過程有如下特點:

(1)桁梁鋼結(jié)構(gòu)桿件尺寸精度要求高，工序復(fù)雜，過程控制難度大;

(2)鋼桁梁整體節(jié)點及各桿件連接方式均為栓接，孔群種類多、數(shù)量大，工序質(zhì)量控制要求高;

(3)桿件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如梁拱結(jié)合部桿件需要同時與12根桿件進行空間多角度連接，制造精度要求高;

(4)橋梁桿件種類多、數(shù)量大，全橋桿件種類達700多種，數(shù)量達15 000件，生產(chǎn)管理難度大;

(5)橋梁鋼結(jié)構(gòu)材料種類多，同一桿件不同部位對材料的性能要求不一樣，而且所有材料均要實現(xiàn)可追溯;

(6)安裝架設(shè)工況復(fù)雜，施工管理及施工過程中與項目相關(guān)方的溝通、協(xié)調(diào)難度大。

3 BIM在南環(huán)線鋼桁柔性拱橋工程中的應(yīng)用

3.1 BIM在技術(shù)準(zhǔn)備階段的應(yīng)用

BIM在技術(shù)準(zhǔn)備階段的應(yīng)用主要是建立信息模型，進行圖紙審核，并從模型中提取相關(guān)信息，生成工程量清單、零件匯總表、施工圖等技術(shù)文件。

3.1.1 應(yīng)用流程(如圖2)

圖1 合肥南環(huán)線鋼桁梁柔性拱橋模型

(1)根據(jù)設(shè)計圖紙，使用建模軟件(Tekla Structures)建立信息模型。利用軟件的校核功能檢查、發(fā)現(xiàn)設(shè)計錯誤，將問題反饋給設(shè)計方提出修改建議，根據(jù)設(shè)計變更修改模型。

(2)調(diào)取模型信息，生成材料清單、工程量統(tǒng)計表、零部件匯總表，并使用模型生成施工圖。

(3)生產(chǎn)部門根據(jù)工程量統(tǒng)計表編制生產(chǎn)計劃;技術(shù)部門由零部件匯總表編制原材料采購計劃，并使用BIM套料軟件進行零件套料、編程，依據(jù)施工圖紙編制結(jié)構(gòu)零部件典型工藝卡和焊接工藝卡。

圖2 BIM應(yīng)用流程圖

3.1.2 應(yīng)用效果

(1)模型校核自動化

鋼桁梁柔性拱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計方采用二維制圖難免出現(xiàn)疏漏和錯誤，例如本工程上弦桿A10、下弦桿E10及腹桿A10E10之間的連接手孔不一致(如圖3)。

對二維圖紙的審核是一個面向局部的工作，對于不同系統(tǒng)之間的連接構(gòu)造問題，審圖人員容易疏忽，而應(yīng)用BIM建立信息模型，是一個面向工程整體的工作，在建模過程中，不同系統(tǒng)之間的連接構(gòu)造問題會自然暴露。

同時，在建模過程中，螺栓、拼接板的信息也集成到了模型中，利用軟件的碰撞校核功能可以檢查出此類設(shè)計錯誤(如圖4)。

在信息模型中，還可以利用軟件自動檢測結(jié)構(gòu)件之間的干涉。例如:在對南環(huán)線鋼梁的碰撞校核中，軟件自動判別出弦桿A10與橫聯(lián)之間發(fā)現(xiàn)了碰撞(如圖5)。經(jīng)建模人員核查，是設(shè)計圖紙錯誤，并及時與設(shè)計方溝通，修正了設(shè)計圖和模型。

(2)提取模型信息，自動創(chuàng)建各類報表

在BIM技術(shù)的應(yīng)用過程中，在建立信息模型的同時，已經(jīng)錄入了零、部件的編號、數(shù)量、材質(zhì)、重量、規(guī)格等信息，可以很容易地實現(xiàn)工程量清單、材料清單、零部件分類匯總的自動化，節(jié)省大量的勞動力。

例如南環(huán)線工程的高強度螺栓共約50萬套，可在模型中篩選信息，自動創(chuàng)建螺栓材料清單(如圖6)。

此外，工程的零件匯總表、工程量清單等均可以自動創(chuàng)建，所有的信息都可以隨時從模型中提取。

(3)施工圖紙繪制的自動化

在BIM系統(tǒng)中，在建立了信息模型后，可以直接由模型生成平面施工圖，并且通過準(zhǔn)確無誤的信息模型，得到的施工圖紙具有不可更改性，即圖紙中的零、構(gòu)件編號、數(shù)量、材質(zhì)等不能直接在圖紙中更改，只能通過修改模型達到更改圖紙的目的。這樣，就減少很多人為錯誤的產(chǎn)生，提高了施工圖的準(zhǔn)確度。

3.2 BIM在生產(chǎn)制造過程中的應(yīng)用

3.2.1 應(yīng)用流程

在生產(chǎn)制造過程中，BIM的主要應(yīng)用為:以信息模型為基礎(chǔ)，建立一個產(chǎn)品信息庫。產(chǎn)品信息庫是集成了零件、構(gòu)件編號、數(shù)量等靜態(tài)信息和加工進度、檢驗狀態(tài)等動態(tài)信息的數(shù)據(jù)庫。

相關(guān)各部門從產(chǎn)品信息庫中獲得信息應(yīng)用于生產(chǎn)管理，并將生產(chǎn)過程中的信息及時反饋到產(chǎn)品信息庫中，實現(xiàn)信息高度共享和高效溝通(如圖7)。

圖7 BIM技術(shù)在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用流程圖

3.2.2 應(yīng)用效果

(1)提取模型信息，創(chuàng)建產(chǎn)品信息庫

在BIM應(yīng)用中，零件編號、數(shù)量，構(gòu)件編號、數(shù)量、重量等靜態(tài)信息均可以直接由信息模型導(dǎo)出，從而省去了人工統(tǒng)計環(huán)節(jié)，避免人為失誤造成信息傳遞錯誤。

(2)以產(chǎn)品信息庫為中樞進行信息交流，簡化部門溝通程序，提高工作效率

在生產(chǎn)過程中，部門間采用點對點、以書面報表方式進行溝通，需要將同一信息分別向多個部門發(fā)送，做大量的重復(fù)工作，這種點對點的溝通方式效率低(如圖8)。

應(yīng)用BIM后，各部門直接從產(chǎn)品信息庫中獲取信息，用于生產(chǎn)管理;而對生產(chǎn)進度和檢驗狀態(tài)等動態(tài)信息，直接向產(chǎn)品信息庫反饋(如圖9)。這樣，以產(chǎn)品庫為中樞，將各部門緊密聯(lián)系，極大地簡化了部門間的溝通程序，提高溝通效率。

(3)在BIM的應(yīng)用中，對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的節(jié)點，可以直接調(diào)取模型信息，進行動態(tài)演示，指導(dǎo)操作層快速理解結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)(如圖10)

3.3 BIM技術(shù)在施工現(xiàn)場的應(yīng)用

3.3.1 模擬施工過程，優(yōu)化施工方案

在方案研究階段，利用BIM模型對施工過程進行模擬，能提前發(fā)現(xiàn)方案的不足:在本工程中通過模擬施工發(fā)現(xiàn)臨時支架與高速公路橋梁局部干涉，從而及時對支架方案進行優(yōu)化，如圖11。

圖10 復(fù)雜節(jié)點內(nèi)部結(jié)構(gòu)展示

3.3.2 模擬頂推工況，確保頂推安全穩(wěn)定

南環(huán)線鋼桁梁柔性拱橋施工方案采用帶拱頂推法，頂推過程中橋梁懸臂狀態(tài)的重量和重心在不斷變化。通過BIM模型三維模擬頂推施工工況，能便捷準(zhǔn)確獲取懸臂支點兩側(cè)重心位置及重量，大大減少了抗傾覆系數(shù)的計算工作量，提高了工作效率，如圖12。

3.3.3 模擬架設(shè)工況，優(yōu)化施工工藝

在柔性拱的架設(shè)中，利用BIM模型對架拱工況進行三維模擬，合理選擇架梁吊機站位，避免了架梁吊機與拱肋桿件干涉的問題，如圖13。

3.3.4 檢測信息實時共享

鋼梁施工過程中，監(jiān)控單位將檢測數(shù)據(jù)實時錄入到BIM模型中，項目各參與方均可以隨時查詢監(jiān)控數(shù)據(jù)，達到共享監(jiān)控信息的目的，加強了項目各參與方之間的溝通與交流，如圖14。

4 結(jié)論

通過BIM在合肥南環(huán)線鋼桁梁柔性拱橋工程中的應(yīng)用，有以下幾點收獲:

(1)信息模型的建立是信息集成的過程。由于信息的集成，使得模型碰撞檢測、工程量統(tǒng)計、施工圖繪制等工作可以實現(xiàn)自動化，節(jié)省了大量的勞動力，提高了工作效率和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

(2)BIM為項目相關(guān)方提供了一個信息共享與交流的平臺，提高了項目溝通與協(xié)調(diào)的效率。

(3)利用信息模型模擬施工，提前發(fā)現(xiàn)施工方案的不足，有利于優(yōu)化施工組織設(shè)計和施工工藝。

同時，在本次BIM應(yīng)用中還存在以下不足:

(1)對數(shù)字技術(shù)應(yīng)用的能力有限，信息可視化沒有充分體現(xiàn)，生產(chǎn)進度、檢驗狀態(tài)等信息未能直接反應(yīng)在模型中，人力、機械、設(shè)備資源信息未能集成進模型中。

(2)BIM的實現(xiàn)需要利用多種數(shù)字技術(shù)，我們目前所用工程軟件與BIM的兼容性較差，BIM模型與套料、工程計算等應(yīng)用軟件的整合還有待進一步開發(fā)。

(3)BIM在南環(huán)線橋梁工程中的應(yīng)用探索僅局限于施工方，對于BIM在項目各參與方之間信息共享和溝通缺乏實踐，BIM的應(yīng)用層次不夠深入。

[1]梁靜，洪桔，張蕊.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在我國道路交通發(fā)展中的應(yīng)用與展望[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2009，1(1):113-118.

[2]黃亞斌.企業(yè)級BIM應(yīng)用實施步驟(一)[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2011，3(2):56-61.