BIM技術(shù)在鋼橋制造中的應(yīng)用研究方向探討

■ 宋紅飛 常順志 梁善國 魏云祥 李硯秋

BIM技術(shù)在鋼橋制造中的應(yīng)用研究方向探討

■ 宋紅飛 常順志 梁善國 魏云祥 李硯秋

通過對BIM技術(shù)特點與優(yōu)勢及目前工廠鋼橋制造特點進(jìn)行探討分析，以重慶新白沙坨長江大橋鋼桁梁制造項目為依托，確定BIM技術(shù)在鋼橋制造中的應(yīng)用研究方向為制造工藝圖的自動轉(zhuǎn)化、BIM與數(shù)控設(shè)備接口、BIM與ERP管理系統(tǒng)接口以及模擬試拼裝，進(jìn)而將BIM技術(shù)引入到鋼橋制造領(lǐng)域中。

BIM； 鋼橋；制造工藝圖； 數(shù)控設(shè)備； ERP管理系統(tǒng)

0 引言

近年來，我國橋梁建設(shè)發(fā)展迅速，但是鋼橋所占的比例仍很低。據(jù)不完全統(tǒng)計，全國公路59萬座橋梁中鋼橋不足2%，而美國鋼橋約占33%，日本鋼橋約占41%?？梢灶A(yù)計，未來幾十年隨著我國交通建設(shè)及城市化進(jìn)程的加快，鋼橋以其抗震性好、自重輕、施工周期短、綠色環(huán)保，在國內(nèi)將有巨大的市場。尤其是大型、特大型鋼橋項目，如已建及在建的南京大勝關(guān)長江大橋、重慶新白沙坨長江大橋、港珠澳大橋等；即將建設(shè)的平潭海峽大橋、滬通長江大橋、洞庭湖大橋等大型項目，對鋼橋制造與施工提出了更高的要求。

BIM以3D數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了建筑工程項目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，作為一個平臺將建筑物生命周期不同階段的數(shù)據(jù)、過程和資源整合起來形成對工程對象的完整描述。BIM通過建立單一工程數(shù)據(jù)源，解決了分布式、異構(gòu)工程數(shù)據(jù)之間的一致性和全局共享問題，并支持建筑生命周期動態(tài)的工程信息創(chuàng)建、管理和共享[1-2]。

1 BIM技術(shù)在鋼橋制造中的優(yōu)勢與研究方向

1.1 重慶新白沙沱大橋簡介

重慶新白沙沱大橋主橋采用（81+162+432+162+ 81）m鋼桁梁斜拉橋。鋼梁為N型桁架，兩層橋面布置。主桁橫向設(shè)置兩片，為直桁結(jié)構(gòu)。上層橋面為正交異性板整體橋面，下層橋面為縱橫梁結(jié)構(gòu)[3]。

新白沙沱大橋鋼梁桿件數(shù)量多，包括主桁上下弦桿、斜桿、豎桿，下層橋面橫梁、縱梁，上層橋面板單元、橫梁、縱梁，平聯(lián)桿件，橫聯(lián)及橋門架桿件以及連接板等。桿件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主桁弦桿采用焊接整體節(jié)點結(jié)構(gòu)，集熔透對接、熔透角接、棱角焊縫以及貼角焊縫等多種焊縫于一體，焊接量大，焊接變形不易控制；上弦桿在節(jié)點部位還設(shè)置錨固裝置。該橋大部分桿件采用栓接連接，其中整體節(jié)點弦桿較為典型，栓孔空間關(guān)系復(fù)雜，除節(jié)點外兩端設(shè)有栓孔，節(jié)點部位還設(shè)有腹桿（斜桿和豎桿）連接孔、平聯(lián)連接孔、橫梁連接孔等，栓孔呈多方位、多角度布置，精度要求極其嚴(yán)格。

由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，造成了出現(xiàn)問題的可能性，比如桿件連接問題、碰撞問題致使返工、工期延遲等；另外，結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性與多樣性也導(dǎo)致制造的復(fù)雜性，比如技術(shù)準(zhǔn)備難度大、制造工序復(fù)雜，不易于生產(chǎn)配套管理等。

1.2 BIM在技術(shù)準(zhǔn)備中的優(yōu)勢與研究方向

目前，技術(shù)準(zhǔn)備工作主要依據(jù)設(shè)計院提供的二維設(shè)計圖展開，主要包括設(shè)計圖的工藝性審核、采購材料單編制、制造工藝圖轉(zhuǎn)化以及工藝編制等工作（見圖1）。設(shè)計圖的工藝性審核，主要從制造角度出發(fā)，對其構(gòu)件不利于制造之處提出建議，同時兼顧設(shè)計的準(zhǔn)確性審核，主要對構(gòu)件規(guī)格數(shù)量、連接狀況、有否碰撞沖突等方面進(jìn)行審核，對其疏漏錯誤之處提出修訂。根據(jù)設(shè)計圖進(jìn)行備料，即進(jìn)行采購材料單的編制。對異形板件要進(jìn)行套料定制，以降低材料消耗。制造工藝圖的轉(zhuǎn)化，主要是根據(jù)二維設(shè)計圖，在充分考慮工廠設(shè)備能力之后，將制造方案充分體現(xiàn)在其中。技術(shù)準(zhǔn)備的周期與質(zhì)量是鋼梁制造項目控制的關(guān)鍵，而作為其中重要一環(huán)的制造工藝圖的轉(zhuǎn)化過程需要占用大量人力、時間和資源，而且在轉(zhuǎn)化過程中還不可避免地由于人為因素而出現(xiàn)錯誤，需要再進(jìn)行多次的復(fù)核、審核。

圖1 基于BIM技術(shù)的技術(shù)準(zhǔn)備流程

利用BIM技術(shù)，對鋼橋進(jìn)行3D建模，可進(jìn)行設(shè)計結(jié)構(gòu)的碰撞沖突分析、構(gòu)件連接狀況分析，使設(shè)計圖的工藝性審核得以簡化；利用3D模型，進(jìn)行制造工藝圖的自動轉(zhuǎn)化，避免出現(xiàn)人為轉(zhuǎn)化錯誤，同時，在3D模型的某一構(gòu)件上進(jìn)行修改，由于其關(guān)聯(lián)性，將引起所有與其有邏輯關(guān)系同步修改，這也將大大降低技術(shù)人員的重復(fù)勞動和錯誤率[4]。因此，BIM技術(shù)的運(yùn)用可以實現(xiàn)制造工藝圖的自動轉(zhuǎn)化，不僅解放了設(shè)計階段的大量人力，對工廠制造成本、質(zhì)量、工期控制都有著重要的意義。

另外BIM的3D模型，可以自動創(chuàng)建各類報表，實現(xiàn)工程量清單、材料清單、零部件分類匯總的自動化。

1.3 BIM在數(shù)控設(shè)備使用中的優(yōu)勢與研究方向

鋼橋部件的制造車間在關(guān)鍵工序上都配置了數(shù)控設(shè)備、智能化設(shè)備等，如在下料工序，配置了數(shù)控切割設(shè)備；在機(jī)加工工序，配備了數(shù)控機(jī)床；在鉆孔工序，配置了數(shù)控鉆孔設(shè)備；在焊接工序，配置了焊接機(jī)器人等。這些先進(jìn)設(shè)備使用的前提是編制數(shù)控切割程序。該程序的編制需要依據(jù)精確繪制的程序切割用圖紙。然而，因為數(shù)據(jù)源使用的非單一性，造成了這些圖紙與相關(guān)工藝文件不存在關(guān)聯(lián)關(guān)系。當(dāng)需要修改或者改變工藝時，必須繪制新的圖紙。這些數(shù)據(jù)的人為修改、傳遞中間環(huán)節(jié)較多，在修改現(xiàn)有錯誤的同時產(chǎn)生新的錯誤或者發(fā)生漏傳現(xiàn)象的幾率顯著增加。

而BIM技術(shù)建立起了單一數(shù)字化數(shù)據(jù)源，參與加工的數(shù)控設(shè)備直接使用數(shù)字化數(shù)據(jù)源。單一數(shù)據(jù)源，確保信息的準(zhǔn)確性和一致性，從根本上解決了基于紙介質(zhì)方式進(jìn)行信息交流形成的“信息斷層”和應(yīng)用系統(tǒng)之間“信息孤島”問題。

BIM全面支持?jǐn)?shù)字化的、采用不同設(shè)計方法的工程設(shè)計，實現(xiàn)設(shè)計的集成化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化，通過實現(xiàn)BIM與數(shù)控設(shè)備的接口，可直接用于各種數(shù)據(jù)格式的數(shù)控切割設(shè)備、數(shù)控機(jī)床、數(shù)控鉆孔設(shè)備等先進(jìn)設(shè)備，無需對數(shù)據(jù)進(jìn)行人工轉(zhuǎn)換，減少錯誤率和漏改率。

1.4 BIM在試拼裝中的優(yōu)勢與研究方向

鋼橋制造中的試拼裝環(huán)節(jié)是必不可缺的一環(huán)。試拼裝可以在鋼橋正式安裝之前發(fā)現(xiàn)和解決以下兩個問題，一是構(gòu)件間細(xì)部設(shè)計是否有碰撞等無法連接的問題，二是驗證工廠制造工藝及裝備是否合理、制造精度滿足橋梁安裝需求的問題。這樣可以在橋梁構(gòu)件從工廠運(yùn)輸?shù)綐蛑非?，先行解決問題，減少因上述問題帶來的時間及經(jīng)濟(jì)成本的增加。但是，大型鋼橋構(gòu)件數(shù)量繁多（少則數(shù)千，多則上萬），構(gòu)件間的連接關(guān)系復(fù)雜，采用二維圖設(shè)計，完全依靠設(shè)計人員核圖工作的耐心細(xì)致，來檢查確認(rèn)設(shè)計的正確性，難以完全發(fā)現(xiàn)設(shè)計中可能存在的構(gòu)件間連接碰撞、相離及其它形式的問題，這些問題往往會延續(xù)到鋼橋構(gòu)件試拼裝時才能發(fā)現(xiàn)。

BIM技術(shù)作為以全橋三維建模為基礎(chǔ)的一項技術(shù)，所有構(gòu)件在設(shè)計階段都是1:1完全的三維體，在這個全橋的三維模型中，通過自動校核，可以發(fā)現(xiàn)碰撞、相離等問題，這樣首先從根本上保證了復(fù)雜鋼橋構(gòu)件連接關(guān)系的正確性?？梢哉f，BIM技術(shù)的應(yīng)用會為橋梁制造提供一個契機(jī)，可以想象，在橋梁制造中對制造出的構(gòu)件采用一種方式，測量出需要的精度范圍內(nèi)構(gòu)件的完全實際形狀，然后將測量結(jié)果返回到BIM三維模型中，利用設(shè)計模型與實際測量結(jié)果對比，以達(dá)到傳統(tǒng)鋼橋制造試拼裝的作用，從而省掉實體試拼裝工序，達(dá)到節(jié)約制造成本，縮短制造周期的目的。

1.5 BIM對ERP管理系統(tǒng)的接口與優(yōu)勢

ERP是一種主要面向制造行業(yè)進(jìn)行物質(zhì)資源、資金資源和信息資源集成一體化管理的企業(yè)信息管理系統(tǒng)[5]。作為一項非常先進(jìn)全面有效的管理系統(tǒng)，然而在中國企業(yè)的實際推廣應(yīng)用中成功率卻不足20%。制造企業(yè)在引入ERP系統(tǒng)后，對于實際參與其中的人來說，除了各項優(yōu)點外，主要存在兩方面的問題：第一是系統(tǒng)相對復(fù)雜，需要參與其中的人員有一定的知識基礎(chǔ)；第二是為了使ERP系統(tǒng)得到全面有效的應(yīng)用，需要由人工錄入大量的原始數(shù)據(jù)，消耗一定的人力資源，且容易出現(xiàn)錯誤。

BIM技術(shù)作為一項針對產(chǎn)品的技術(shù)，對于產(chǎn)品數(shù)據(jù)來說，可以從BIM模型中直接提取產(chǎn)品明細(xì)、物料清單及完成材料需求計劃等，這樣可以避免大量的人工操作，節(jié)省了人力及時間的同時保證了各類數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時，在制造過程中及制造完成后產(chǎn)生的一些數(shù)據(jù)也將添加到BIM模型中，對于ERP管理系統(tǒng)來說，凡是與產(chǎn)品直接相關(guān)的數(shù)據(jù)幾乎都可以從BIM模型中直接提取。因此，BIM技術(shù)對于ERP管理系統(tǒng)來說是迫切需要的。

2 結(jié)束語

由于BIM技術(shù)可實現(xiàn)建筑全生命周期的信息共享、信息可預(yù)測和可控制，支持設(shè)計與施工一體化，因此，BIM技術(shù)應(yīng)用，在性能上能夠更好地理解設(shè)計概念，使各參與方能夠共同解決存在的問題；在效率上能夠降低信息轉(zhuǎn)換錯誤和損失，實現(xiàn)更快的建設(shè)周期；在質(zhì)量上能夠減少錯誤和遺漏，避免重復(fù)勞動，浪費(fèi)時間等；在安全上能夠提升施工現(xiàn)場安全；在可預(yù)測性上能夠更精確地預(yù)測建設(shè)成本和時間。據(jù)國外研究表明，BIM技術(shù)的應(yīng)用可使建設(shè)項目總體周期縮短，包括節(jié)省溝通及信息搜索時間，節(jié)約工程成本，是“未來改進(jìn)建筑設(shè)計、建造、管理過程的重要推動力量”。目前BIM在鋼橋中的應(yīng)用研究剛剛開始，還需要多層級、多方面的探索。

[1] 張建平. BIM技術(shù)的研究與應(yīng)用[J]. 施工技術(shù)，2012 (2)：15-18.

[2] 何關(guān)培. BIM總論[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[3] 中鐵大橋勘測設(shè)計院集團(tuán)有限公司. 重慶至貴陽線擴(kuò)能改造工程新白沙坨長江大橋施工圖[Z]. 武漢，2012.

[4] 李紅學(xué)，郭紅領(lǐng)，高巖，等. 基于BIM的橋梁工程設(shè)計與施工優(yōu)化研究[J]. 工程管理學(xué)報，2012，26(6)：48-52.

[5] 林健，張玲玲. ERP的未來趨勢發(fā)展研究[J]. 系統(tǒng)工程理論與實踐，2002(4)：69-74.

宋紅飛：中鐵山橋集團(tuán)有限公司， 高級工程師，河北 秦皇島，066205

常順志：中鐵山橋集團(tuán)有限公司，高級工程師，河北 秦皇島，066205

梁善國：中鐵山橋集團(tuán)有限公司，工程師，河北 秦皇島，066205

魏云祥：中鐵山橋集團(tuán)有限公司，教授級高工，河北 秦皇島，066205

李硯秋：中鐵山橋集團(tuán)有限公司，高級工程師， 河北 秦皇島，066205

責(zé)任編輯楊環(huán)

U44；TU206

A

1672-061X（2014）02-0060-03