基于BIM的潮白河大橋4D施工模擬

劉 飛

(北京路橋瑞通養(yǎng)護中心有限公司，北京 101300)

目前，通過BIM軟件，建筑圖紙已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)100%出圖。但從長遠看，BIM的應(yīng)用價值不應(yīng)該僅僅體現(xiàn)在設(shè)計階段，更應(yīng)該在建設(shè)項目全壽命周期中體現(xiàn)其價值。施工階段作為承上啟下的階段，充當著將設(shè)計意圖付諸實施，轉(zhuǎn)化為建筑成品的重要作用，因此，在施工階段應(yīng)用BIM蘊藏著極大的價值。

在國外，BIM技術(shù)在施工中的應(yīng)用研究開展較早。Nour[1]在IFC(Industry Foundation Classes)標準的基礎(chǔ)上開發(fā)了動態(tài)建筑信息模型數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫的建立為項目的不同參與方提供了交流以及獲取信息的平臺；Golparvar等[2]研發(fā)了基于BIM技術(shù)的建筑集成平臺，并在實際工程項目中實現(xiàn)了應(yīng)用；Porwal和Hewage[3]提出了基于IFC標準的施工進度計劃的概念，實現(xiàn)了工程項目的施工過程4D模擬。然而，我國對于BIM技術(shù)在項目施工中的應(yīng)用研究起步較晚，前期主要集中在清華大學的BIM研究組，張建平等[4-6]通過建立4D施工資源信息模型，開發(fā)了4D施工資源管理平臺，實現(xiàn)了施工階段對材料、機械等施工資源的動態(tài)管理，并通過在BIM模型中集成工程量信息，實現(xiàn)了對成本的實時監(jiān)控。馬也犁[7]以某非對稱外傾拱橋為對象，建立了參數(shù)化BIM模型，重點對碰撞檢測、4D施工模擬和施工進度管理等進行研究，探索了BIM技術(shù)在拱橋施工中的應(yīng)用。

本文將BIM技術(shù)應(yīng)用到潮白河大橋的施工過程中，采用核心建模軟件Revit建立包含完整工程信息的全橋BIM模型，然后導入Navisworks中進行4D施工模擬。

1 工程概況

潮白河大橋為徐尹路上的一座大跨徑斜拉橋，跨徑組合為(165+165)m，采用獨塔雙索面的結(jié)構(gòu)形式，塔、墩、梁三者固結(jié)。圖1為潮白河大橋的橋型總體布置圖。

主梁采用預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，截面形式為邊主梁，截面頂全寬27.5 m，截面端部高2.3 m，中間高2.5 m，頂板厚0.32 m，設(shè)雙向1.5%橫坡，標準節(jié)段長度為8 m；主塔高102.12 m，采用倒Y形橋塔，由塔座、上塔柱、中塔柱、下塔柱、上橫梁、中橫梁、下橫梁組成，其中下橫梁與主梁固結(jié)，上塔柱為斜拉索錨固區(qū)，在上塔柱內(nèi)壁設(shè)置錨固齒塊進行拉索錨固；斜拉索采用扇形索面，橋塔兩側(cè)均布置19對空間索，主梁上的錨固間距為8 m，在上塔柱布索區(qū)，將錨固點布設(shè)在塔內(nèi)壁的中心處；承臺采用矩形截面，承臺上設(shè)置3.0 m高的塔座；基礎(chǔ)采用48根直徑為1.8 m的鉆孔樁組成群樁基礎(chǔ)，按矩形布排。

2 BIM模型的建立

2.1 建模流程

由于潮白河大橋為對稱結(jié)構(gòu)，考慮國內(nèi)外各BIM建模軟件的優(yōu)缺點及適用條件，最終選擇采用Autodesk Revit軟件，依據(jù)IFC標準進行潮白河大橋的核心建模工作。Revit軟件最大的優(yōu)點就是建模自由度高，可以根據(jù)需要建立各種復雜截面的構(gòu)件模型。

首先，利用Revit軟件中“族”的概念，把斜拉橋的每一個結(jié)構(gòu)構(gòu)件看作是一個構(gòu)件族。依次建立樁基礎(chǔ)、承臺、塔座、塔柱、橫梁、主梁、拉索等參數(shù)化構(gòu)件族。然后將這些構(gòu)件族載入項目中心文件中，根據(jù)各構(gòu)件的空間位置及邏輯關(guān)系，更改其標高、平面坐標等參數(shù)，并添加相關(guān)屬性信息，最終形成結(jié)構(gòu)的整體模型，即核心BIM模型。圖2為利用Revit平臺進行潮白河大橋BIM建模的整體流程。

2.2 核心構(gòu)件族庫的建立

根據(jù)潮白河大橋的設(shè)計信息，采用Revit軟件繪制構(gòu)件輪廓，然后通過拉伸、融合等工具生成三維模型，并按照IFC標準定義構(gòu)件特性參數(shù)形成參數(shù)化構(gòu)件族庫。本斜拉橋中自建的參數(shù)化構(gòu)件族庫包含群樁基礎(chǔ)、承臺與塔座、塔柱、橫梁、主梁、斜拉索等族庫，可通過更改參數(shù)信息生成任意尺寸的構(gòu)件。各構(gòu)件族庫為BIM模型的最小單位，本斜拉橋中自建的核心構(gòu)件族庫見圖3。

在Revit中，按照施工圖創(chuàng)建項目的控制標高和軸網(wǎng)，然后在相應(yīng)平面視圖中依次載入各構(gòu)件族庫，并通過拼組形成模型組件，添加材料、施工工藝等各種工程信息，形成包含完整工程信息的BIM模型。具體過程如下：

1)群樁承臺。

采用摩擦樁群樁基礎(chǔ)，左右支墩各布置24根直徑1.8 m的鉆孔樁，每根樁樁長95.0 m。承臺為分離式矩形承臺，單個承臺尺寸為28.0 m×16.5 m×4.0 m。塔座高3.0 m，根部平面尺寸為15.8 m(順橋向)×10.1 m(橫橋向)。根據(jù)設(shè)計信息建立各構(gòu)件參數(shù)化族庫，再將樁基、承臺與塔座按照空間位置關(guān)系進行拼組，形成群樁承臺組件，見圖4，即可方便查看樁徑、樁長、承臺與塔座尺寸等工程信息。

2)主塔。

主塔采用倒Y形混凝土索塔，由上、中、下塔柱及上、中、下橫梁組成，承臺以上塔高102.12 m，兩上塔柱橫橋向凈距10 m。塔柱及橫梁均采用空心矩形截面。上、中塔柱順橋向全寬6.8 m，橫橋向全寬4.0 m，下塔柱順橋向全寬由6.8 m向根部過渡到8.8 m，橫橋向?qū)挾葷u變?yōu)?.2 m。上橫梁截面尺寸為5.8 m×3.0 m，中橫梁尺寸6.4 m×4.0 m。將上、中、下塔柱及上、中、下橫梁的構(gòu)件模型按空間位置關(guān)系進行拼組，得到主塔模型，見圖5。

3)主梁與拉索。

主梁截面頂全寬27.5 m，截面端部高2.3 m，中心高2.5 m；主梁頂板厚0.32 m，設(shè)雙向1.5%橫坡。節(jié)段長度為8 m，邊肋寬度為3 m。主梁包括0號～21號梁段，其中2號～19號梁段為標準梁段，20號梁段為合龍段，21號梁段為支點處梁段，均采用C55混凝土。本文對拉索模型進行了簡化，通過更改拉索的平面坐標及長度參數(shù)就能實現(xiàn)全橋76根斜拉索模型的建立。建成后的主梁及拉索模型見圖6。

2.3 BIM核心模型

當群樁承臺、主塔、主梁與拉索等族模型全部建立完成后，再將它們載入Revit同一項目文件中，根據(jù)各構(gòu)件之間的空間位置關(guān)系，調(diào)整軸網(wǎng)及標高，最終形成了潮白河大橋的全橋BIM模型，見圖7。

3 施工過程模擬

3.1 總體施工方案模擬

本斜拉橋按照自下而上、先中間后兩邊的施工順序，首先施工樁基承臺、塔柱、橫梁，再采用支架法施工0號塊和1號塊，然后分節(jié)段懸臂澆筑各主梁梁段，最后施工合龍段，完成橋面鋪裝。

將本文建立的BIM核心模型導入Navisworks中進行分析處理，利用TimeLiner功能將模型構(gòu)件與時間維度相關(guān)聯(lián)，形成4D模型，從而進行施工過程模擬。本文用關(guān)鍵幀展示施工模擬過程，圖8為斜拉橋總體施工方案的4D施工模擬。

對于樁基礎(chǔ)，首先施工鉆孔平臺，然后采用旋挖鉆機鉆孔施工。由于承臺埋深較大且此處地下水豐富，承臺采用鋼板樁支護施工。主塔塔柱分節(jié)段施工，共分為17個階段，采用液壓爬模施工，混凝土采用高壓混凝土輸送泵傳送。上、中、下橫梁均采用支架法施工。主塔墩布置兩臺6015型自升式高塔吊和一臺施工電梯配合施工。主梁Z0,Z1,Z21號梁段采用支架現(xiàn)澆施工，Z2～Z19 號梁段采用4前支點掛籃對稱懸臂施工，Z20為合龍段，采用支架法施工。Z0和Z1號梁段施工完成后安裝前支點掛籃，進行1號拉索掛設(shè)施工，錨固端設(shè)在主梁上，張拉端設(shè)在塔柱內(nèi)。此后，利用掛籃懸臂澆筑后續(xù)梁段，對稱張拉斜拉索，直至合龍。

3.2 關(guān)鍵施工工序模擬

針對特殊施工工序的專項方案進行模擬和分析，清晰地把握施工過程中關(guān)鍵工序的施工難點和要點，從而提高施工質(zhì)量和效率，確保施工專項方案的安全性，指導施工現(xiàn)場科學施工。

主塔施工完成后進行Z0,Z1號塊支架的搭設(shè)，采用支架法澆筑施工。支架采用便于組裝和拆卸的鋼管和型鋼，其上鋪設(shè)貝雷梁在支架搭設(shè)完成后，先對主梁范圍內(nèi)的下橫梁及塔柱進行鑿毛處理，并檢查預埋構(gòu)件，以確保塔、梁固結(jié)質(zhì)量，然后鋪設(shè)方木、安裝模板、綁扎鋼筋，最后進行混凝土澆筑。

施工工藝流程如下：鋼管立柱施工→吊裝工字鋼→安裝貝雷梁→鋪設(shè)方木→立模、綁鋼筋→混凝土澆筑。圖9為Z0,Z1號塊支架法施工模擬。

3.3 可視化施工進度管理

將潮白河大橋全橋模型導入Navisworks軟件中，借助TimeLiner功能，按照施工組織設(shè)計中的施工進度計劃，將模型信息與計劃時間相關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)4D施工進度管理，還可自動生成施工進度甘特圖。通過4D模擬，能夠形象直觀地了解施工進度情況，對施工進度進行有效管控。

4 結(jié)語

本文采用BIM核心建模軟件Revit，對潮白河大橋進行參數(shù)化建模，建立了IFC標準下的斜拉橋核心構(gòu)件族庫，然后載入同一項目文件中，根據(jù)各構(gòu)件的平面坐標及空間位置關(guān)系進行拼組，建立了包含完整工程信息的潮白河大橋BIM模型。

將BIM模型導入Navisworks軟件中進行分析，通過TimeLiner功能使模型構(gòu)件與時間維度相關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)了斜拉橋施工過程的4D模擬。根據(jù)施工組織設(shè)計，具體完成了潮白河大橋總體施工方案的模擬、主梁0號塊與1號塊的支架法現(xiàn)澆施工模擬，使施工過程與施工進度變得可視化。

[1] Nour M.A dynamic open access construction product data platform[J].Automation in Construction,2010(19):407-418.

[2] Golparvar F M,Savarese S,Pena M F.Automated model-based recognition of progress using daily construction photographs and IFC-based 4D models[C].Construction Research Congress,2010：51-60.

[3] Porwal A,Hewage K N.Building information modeling partnering framework for public construction projects[J].Automation in Construction,2013(31):204-214.

[4] 張建平,曹 銘,張 洋.基于IFC標準和工程信息模型的建筑施工4D管理系統(tǒng)[J].工程力學,2005,22(S1):220-227.

[5] 張建平,李 丁,林佳瑞,等.BIM在工程施工中的應(yīng)用[J].施工技術(shù),2012,41(371):10-17.

[6] 張建平,范 喆,王陽利,等.基于4D-BIM的施工資源動態(tài)管理與成本實時監(jiān)控[J].施工技術(shù),2011,40(4):37-40.

[7] 馬也犁.BIM技術(shù)在非對稱外傾拱橋施工中的應(yīng)用研究[D].成都:西南交通大學,2016.