BIM技術在橋梁鋼結構制造和施工中的應用

■ 杜伸云 方繼

BIM技術在橋梁鋼結構制造和施工中的應用

■ 杜伸云 方繼

鋼結構是建筑業(yè)中科技含量最高的成分，具有制造業(yè)的特征，率先進入了工廠化、機械化、自動化、裝配化、信息化，是建筑業(yè)轉型升級的樣板，對改造傳統(tǒng)行業(yè)有著標桿的作用。以濟南黃河公鐵兩用橋為例，介紹BIM技術在鋼結構制造和施工中應用的獨特優(yōu)勢。

BIM；橋梁；鋼結構；制造；施工

1 BIM模型創(chuàng)建及深化設計

目前，各橋梁設計單位提交的圖紙主要是二維圖紙，鋼結構BIM模型的建模就是將原二維設計圖紙三維模型化，并在建模過程中復核設計、優(yōu)化設計，其本質就是在電腦中“預拼裝”，實現(xiàn)“可視化”［1-2］。

首先是定義零構件的主要屬性，主要包含零構件編號前綴、名稱、截面型材、材質、等級（顏色）等主要屬性；其次是構件單元劃分，將組成構件的各零件按主、次順序“焊接”形成構件，最終形成整體模型。以濟南黃河公鐵兩用橋鋼為例，其鋼結構BIM模型見圖1。在BIM設計中，加工詳圖（零件圖、構件圖、布置圖等）都是基于三維模型生成，圖紙中的零件編號、材質信息、數(shù)量信息與建模過程中錄入的信息一致［3］。

1.1 弦桿模型創(chuàng)建

弦桿建模過程中，考慮工廠加工制造的要求（螺栓孔位以設計理論尺寸為準，方便加工制造），同時考慮模型起拱導致的栓孔錯位，因此采用單側栓、孔分開創(chuàng)建的方式建模（見圖2）。圖2中弦桿節(jié)點螺栓處理的方法創(chuàng)新，解決了桿件與拼接板栓孔錯位的難題。由于建模過程中拼接板另一側栓孔之間沒有關聯(lián)，通過模型就能準確地測量該側桿件起拱引起的偏差值，為優(yōu)化設計提供重要的參考數(shù)據(jù)。

圖1 濟南黃河公鐵兩用橋鋼結構BIM模型

1.2 橋面板塊建模

橋面板塊建模過程中考慮各單元件（縱梁單元、橫梁單元、頂板單元）的出圖，同時考慮整體橋面板塊的出圖。建模過程中采用輔助構件（只包含橋面板塊的編號信息，規(guī)格為：1 mm×1 mm×1 mm的“符號構件”）的方法創(chuàng)新，將各單元件以子構件的形式附在輔助構件上，解決了縱梁、橫梁、頂板單元件圖及整體拼裝圖與模型的對應關系（見圖3）。1.3 設計溝通

圖2 弦桿建模節(jié)點螺栓處理

圖3 橋面板塊模型

建模過程中，通過模型校核很容易發(fā)現(xiàn)設計圖紙的問題，建模過程也就是復核設計的過程。通過可視化的三維模型與設計溝通，直觀明了地展示設計問題（見圖4），提高了與設計溝通效率，保證了問題溝通的準確性。

圖4 深化設計問題溝通

1.4 圖紙管理

通過BIM模型準確獲得深化設計圖紙，通過圖紙工具進行零件尺寸標注及注釋說明得到精確的深化設計圖紙。

圖紙與模型關聯(lián)，并隨模型變動而自動更新（見圖5）。模型變動后，圖紙產(chǎn)生變更提示，通過“選擇對象”查看該桿件的三維模型，通過“更新”得到模型對應的最新圖紙。這種基于模型直觀的改圖方式，相比傳統(tǒng)的手工改圖，有效地避免了圖紙上的人為錯誤。

圖5 圖紙與模型關聯(lián)更新

2 BIM在工廠制造中的應用

BIM在工廠制造的應用，主要是從模型中提取的材料、零件的數(shù)控文件、圖紙等信息，并在工廠制造材料采購、構件加工等環(huán)節(jié)應用模型信息［4-5］。主要應用流程見圖6。 2.1 數(shù)控文件輸出

圖6 BIM應用流程

基于模型，通過“選擇過濾”設置即將排版零件的板厚、材質參數(shù)，便能快速選擇相同類型的零件并輸出數(shù)控文件（見圖7）。

圖7 基于模型輸出數(shù)控文件

2.2 數(shù)控排版套料

將數(shù)控文件批量導入兼容的專業(yè)套料軟件，按照最省料進行排版套料。國內(nèi)的套料軟件SmartNest軟件、國外的有意大利Ficep的設備（含配套的軟件）與BIM模型有很好的兼容（見圖8）。

圖8 SmartNest與Ficep套料軟件界面

通過應用可知，國外的軟件與數(shù)控機床配套銷售，軟件一般不兼容其他硬件，自動化程度高、加工質量和效率高，同時價格也較高；國內(nèi)的軟件為單獨銷售，兼容性強（可輸出火焰切割、等離子切割等數(shù)控程序）、使用方便、價格相對便宜。

2.3 套料結果輸出

通過套料排版后，零件擁擠地排列在“虛擬鋼板”上，輸出對應得加工程序及排版圖紙用于車間數(shù)控切割。相比傳統(tǒng)的人工繪圖和編程，基于模型數(shù)據(jù)的自動套料輸出數(shù)控程序和排版圖（見圖9）大大提高了工作效率、減少了錯誤。

圖9 SmartNest與Ficep軟件套料結果輸出

通過對比可知，輸出圖紙上都能顯示鋼板規(guī)格、材質、板厚、質量、編號及自動計算材料利用率等主要信息。國內(nèi)的SmartNest軟件更直觀，且有4種圖紙模板樣式供選擇，符合國人習慣容易操作；國外軟件的參數(shù)更全面、更專業(yè)，對操作者的要求較高。

2.4 加工過程中應用

工廠加工主要是利用數(shù)控程序導入數(shù)控切割機進行鋼板切割，工人通過模型及圖紙將切割后的零件拼焊成構件的過程。BIM的應用主要是技術交底可視化以使工人快速理解加工內(nèi)容、復雜構件拼裝順序可視化模擬以使工人快速了解構件拼焊順序（見圖10）。

圖10 基于模型進行技術交底、數(shù)控切割及焊接順序模擬

3 BIM在現(xiàn)場施工中的應用

BIM技術在施工現(xiàn)場應用主要是施工信息與BIM模型動態(tài)關聯(lián)、集成，并隨施工過程更新及輔助項目施工管理。目前，項目施工管理的BIM平臺主要有清華的4D-BIM系統(tǒng)、Vicooffice，廣聯(lián)達BIM-5D及魯班BIM平臺等，現(xiàn)主要介紹清華4D-BIM系統(tǒng)在項目中的應用［6］。

3.1 進度管理

進度管理的重點是4D施工模型創(chuàng)建，利用Project創(chuàng)建WBS及進度計劃并導入4D-BIM平臺，之后整合多個BIM軟件模型數(shù)據(jù)，進行4D模型關聯(lián)，并集成各種施工信息，從而實現(xiàn)施工模型創(chuàng)建（見圖11）。

圖11 施工模型創(chuàng)建過程

模型創(chuàng)建之后，通過BIM平臺進行施工模擬及進度分析，直觀展示頂推施工工藝與施工過程，并將結果輸出為報表，便于發(fā)現(xiàn)進度計劃的問題（見圖12）。

圖12 施工進度模擬與實際施工對比及分析報表輸出

3.2 施工工況管理

工況管理主要是施工過程中工況信息的錄入、查詢、分析及管理，以及關鍵工況對應的重點桿件應力的監(jiān)控（見圖13），并可通過4D-BIM平臺實現(xiàn)信息共享及公司遠程管控。

圖13 工況信息查詢及桿件受力曲線圖

3.3 安全監(jiān)控管理

通過結構計算確定關鍵監(jiān)控點的布置位置，實際施工過程中按此布置應變片，同時BIM模型中也在對應位置設置數(shù)據(jù)點，并將實測數(shù)據(jù)錄入監(jiān)控點。通過該點可以查詢實際監(jiān)控值與理論計算值（見圖14），可視化的信息模型提高了查詢的效率及增強了信息的準確度。

圖14 安全監(jiān)控信息查詢

3.4 過程質量信息集成

施工過程中的質量文件（文檔、圖片），可通過4D-BIM系統(tǒng)與模型關聯(lián)（見圖15），方便信息查詢及文件管理。

圖15 螺栓施工過程記錄查詢

4 結束語

目前，國內(nèi)的BIM應用仍處在應用探索階段。BIM理論需要與實際現(xiàn)場施工結合，了解現(xiàn)場的實際需求，并在應用中解決實際問題。使BIM應用落地，才能真正發(fā)揮BIM的價值［7］。通過本次應用探索，為BIM技術在鋼結構橋梁的工廠加工和現(xiàn)場施工提供參考。相信通過進一步應用探索，一定能更好地發(fā)揮BIM技術的優(yōu)勢，使之成為推動行業(yè)發(fā)展的新動力。

［1］ 曹毅. BIM標準的現(xiàn)狀及其發(fā)展［J］. 科技創(chuàng)新與應用，2013（29）：256.

［2］ 劉獻偉，高洪剛，王續(xù)勝. 施工領域BIM應用價值和實施思路［J］. 施工技術，2012，41（22）：84-86.

［3］ 彭鵬. 基于詳圖描述和建筑性能分析的BIM設計流程研究［D］. 武漢：華中科技大學，2010.

［4］ 王珺. BIM理念及BIM軟件在建設項目中的應用研究［D］. 成都：西南交通大學，2011.

［5］ 周春波. BIM技術在建筑施工中的應用研究［J］.青島理工大學學報，2013，34（1）：51-54.

［6］ 洪磊. BIM技術在橋梁工程中的應用研究［D］. 成都：西南交通大學，2012.

［7］ 劉延宏. EBS在鐵路工程建設管理中的應用探討［J］. 中國鐵路，2015（7）：62-65.

杜伸云：中國中鐵四局集團有限公司管理研究院，工程師，安徽 合肥，230023
方 繼：中國中鐵四局集團鋼結構有限公司，教授級高級工程師，安徽 合肥，230023

責任編輯 苑曉蒙

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1672-061X（2016）03-0071-04