BIM技術(shù)在大節(jié)段鋼桁梁拼裝中的應(yīng)用

陳 濤 王欽國(guó)

(1.中鐵大橋局集團(tuán)有限公司 武漢 430050; 2.江蘇中鐵山橋重工有限公司 如皋 226532)

建筑信息模型(building information modeling，BIM)[1-2]是利用數(shù)字模型對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)過(guò)程模擬的手段，具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性等特點(diǎn)。對(duì)于鋼桁梁制造而言，應(yīng)用BIM技術(shù)，可以提高工程項(xiàng)目管理水平和生產(chǎn)效率。文中以滬通長(zhǎng)江大橋主航道橋大節(jié)段鋼桁梁廠內(nèi)預(yù)拼為例，探討B(tài)IM技術(shù)在大節(jié)段鋼桁梁拼裝中的應(yīng)用。

滬通長(zhǎng)江大橋主航道橋鋼桁梁采用新型的箱桁組合結(jié)構(gòu)，結(jié)合天興洲長(zhǎng)江大橋整節(jié)段[3]和銅陵長(zhǎng)江大橋全焊接桁片[4]的技術(shù)特點(diǎn)，以21節(jié)間全焊節(jié)段作為1個(gè)設(shè)計(jì)單元，采用兩節(jié)間大節(jié)段[5]鋼桁梁整體制造、運(yùn)輸、架設(shè)施工工藝。制造的過(guò)程中，將BIM技術(shù)與智能化的加工設(shè)備相結(jié)合，提高工廠化、機(jī)械化的程度,保證了鋼桁梁加工質(zhì)量和精度。

1 工程概況

滬通長(zhǎng)江大橋?yàn)槭澜缟献畲罂缍裙F兩用斜拉橋，是國(guó)家沿海鐵路大通道和長(zhǎng)三角地區(qū)快速軌道交通網(wǎng)的重要組成部分。主航道橋孔跨布置為142 m+462 m+1 092 m+462 m+142 m=2 300 m，橋式立面布置見(jiàn)圖1。

圖1 滬通長(zhǎng)江大橋主航道橋式布置(單位：m)

主梁制造無(wú)應(yīng)力跨度布置為140 m+462.217 m+1 092.480 m+462.217 m+140 m，全長(zhǎng)2 296.914 m，采用3片主桁結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)段主梁邊桁桁高為16.0 m，中桁桁高16.308 m，桁寬2×17.5 m，桁式采用“N”形桁，節(jié)間距分為14，14.006，14.007，14.008 m 4種。

2 施工特點(diǎn)及難點(diǎn)

滬通長(zhǎng)江大橋主航道橋鋼桁梁結(jié)構(gòu)新穎，構(gòu)件繁多，共劃分為95個(gè)節(jié)段。標(biāo)準(zhǔn)梁段以2個(gè)節(jié)間為1個(gè)整體全焊制造節(jié)段；主墩墩頂7個(gè)節(jié)間、輔助墩頂?shù)?個(gè)節(jié)間均采用單節(jié)間全焊整體制造；邊支點(diǎn)處的 1.5 個(gè)節(jié)間為1個(gè)整體全焊制造節(jié)段。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段劃分見(jiàn)圖2。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段劃分示意圖

鋼桁梁拼裝具有如下特點(diǎn)及難點(diǎn)。

1) 整體節(jié)段內(nèi)部構(gòu)件之間均采用焊接，焊接質(zhì)量要求高。

2) 大節(jié)段鋼桁梁最大質(zhì)量達(dá)到1 720 t。廠內(nèi)進(jìn)行節(jié)段預(yù)拼，對(duì)施工場(chǎng)地、吊裝設(shè)備等要求高。

3) 采用兩節(jié)間全焊結(jié)構(gòu)，鋼桁梁整節(jié)段剛度大，節(jié)段對(duì)接過(guò)程中對(duì)接口調(diào)整困難，節(jié)段制造精度要求高。

除此之外，鋼桁梁制造過(guò)程中，桿件、橋面板等構(gòu)件分別在不同的工廠生產(chǎn)，制造水平、質(zhì)量進(jìn)度控制等差異大。對(duì)于整節(jié)段制造的鋼桁梁而言，各構(gòu)件的加工質(zhì)量，直接影響最終的拼裝精度。

3 BIM技術(shù)的應(yīng)用

通過(guò)研究鋼梁焊縫管理、虛擬預(yù)拼裝等BIM技術(shù)，結(jié)合傳統(tǒng)的制造工藝，探索數(shù)據(jù)共享及分析，改善工廠協(xié)作模式，實(shí)現(xiàn)異地協(xié)同管理[6]，不僅對(duì)鋼梁制造的全過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤，同時(shí)也使不同工廠生產(chǎn)出來(lái)構(gòu)件在質(zhì)量、精度等方面達(dá)到均衡，保證了加工水平。

3.1 焊縫管理

鋼桁梁焊接作業(yè)前，根據(jù)焊接工藝試驗(yàn)確定各部位焊縫的焊接參數(shù)。傳統(tǒng)的焊接過(guò)程存在以下問(wèn)題：①焊接參數(shù)由人工設(shè)定，若現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人監(jiān)管，焊接工藝的執(zhí)行存在風(fēng)險(xiǎn)；②焊接工藝、焊縫檢驗(yàn)等信息均采用人工記錄，數(shù)據(jù)的采集和分析往往不夠及時(shí)，質(zhì)量、進(jìn)度的追溯性較差。

滬通長(zhǎng)江大橋鋼桁梁制造過(guò)程中，利用BIM管理平臺(tái)[7]，對(duì)焊接參數(shù)和過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，在智能終端實(shí)時(shí)監(jiān)控焊接過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和分析，提高焊接管理流程效率，保證了焊接質(zhì)量的追溯,使焊接過(guò)程實(shí)現(xiàn)了可視化、數(shù)字化、智能化。數(shù)據(jù)管理主要通過(guò)BIM管理系統(tǒng)中的焊接管理模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)基于客戶端/服務(wù)器(C/S)結(jié)構(gòu)開發(fā)，并集成在滬通長(zhǎng)江大橋BIM管理系統(tǒng)平臺(tái)上。數(shù)據(jù)管理流程示意見(jiàn)圖3。

圖3 焊接數(shù)據(jù)管理流程示意圖

焊接的過(guò)程中，焊接參數(shù)統(tǒng)一管理，所有的焊縫數(shù)據(jù)及影像資料真實(shí)、準(zhǔn)確記錄并實(shí)時(shí)自動(dòng)上傳到服務(wù)器。工廠管理人員焊接前在施焊部位附近張貼二維碼，其中包含工藝目錄卡、焊縫編號(hào)、對(duì)應(yīng)的焊接參數(shù)等信息，焊工通過(guò)手機(jī)掃碼，可將相關(guān)焊縫工藝參數(shù)自動(dòng)從服務(wù)器下載至焊機(jī)。作業(yè)的過(guò)程中，焊工僅可在規(guī)范要求范圍內(nèi)微調(diào)，且施焊時(shí)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控并記錄焊機(jī)的電流、電壓等參數(shù)，焊接作業(yè)完成后，自動(dòng)報(bào)驗(yàn)，并通知相關(guān)人員進(jìn)入下一步工序。管理人員可在后臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控整個(gè)焊接過(guò)程，實(shí)時(shí)追蹤焊接電壓、電流等參數(shù)，確保與焊接工藝試驗(yàn)保持一致。若設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將故障代碼推送到設(shè)備管理人員的客戶端并預(yù)警，通知監(jiān)管人員及時(shí)督促焊工整改。整個(gè)焊接過(guò)程完畢后，自動(dòng)生成包含設(shè)計(jì)、焊工、檢驗(yàn)等全部信息的報(bào)告，實(shí)現(xiàn)焊縫質(zhì)量追溯。

在數(shù)據(jù)分析方面，系統(tǒng)根據(jù)收集來(lái)的數(shù)據(jù)，自動(dòng)推算作業(yè)時(shí)間、焊絲消耗、氣體消耗、電能消耗等，方便管理焊接進(jìn)度、焊材備料等。所有采集的焊縫數(shù)據(jù)與BIM模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，管理人員可直觀了解每一條焊縫的焊接過(guò)程、質(zhì)量情況、進(jìn)度情況等。滬通長(zhǎng)江大橋BIM管理系統(tǒng)平臺(tái)中焊縫管理界面見(jiàn)圖4。

圖4 BIM管理平臺(tái)焊縫管理示意圖

3.2 節(jié)段虛擬預(yù)拼裝

滬通長(zhǎng)江大橋主航道橋鋼桁梁采用大節(jié)段整體制造、架設(shè)。鋼桁梁出廠前，要在廠內(nèi)進(jìn)行整體預(yù)拼，確保在現(xiàn)場(chǎng)能夠順利架設(shè)。通過(guò)研究BIM技術(shù)結(jié)合激光掃描設(shè)備[8-9]，采集鋼桁梁數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化模擬，探索虛擬預(yù)拼拼裝，提高預(yù)拼精度和施工效率。

主航道橋鋼桁梁桿件及板單元在車間內(nèi)制造完成后，首先在總拼場(chǎng)地進(jìn)行部件總拼，然后再進(jìn)行整體節(jié)段拼裝。整節(jié)段拼裝采用多節(jié)段連續(xù)匹配拼裝方案，按照桁片及橋面板塊拼裝→整節(jié)段拼裝的總體順序進(jìn)行。為確保整節(jié)段間連接，桁片及橋面板塊拼裝采用多節(jié)段連續(xù)匹配拼裝方案。

在整體拼裝前，工廠采用激光跟蹤儀及SA測(cè)量激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)，模擬節(jié)段拼裝過(guò)程，預(yù)先判定各個(gè)塊體間誤差對(duì)整體節(jié)段總拼效果的影響?？偲赐瓿珊?，采集大節(jié)段鋼桁梁拼接口數(shù)據(jù)，通過(guò)模擬、分析，優(yōu)化焊接對(duì)接工藝，保證節(jié)段間拼裝精度及成橋線型滿足要求。具體實(shí)施步驟如下。

1) 測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)量。在邊桁、中桁，上下層橋面板塊連接部位(橫梁及橫梁接頭板、橫聯(lián)接頭板等)布置測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖5)，利用激光跟蹤儀分別測(cè)量關(guān)鍵連接點(diǎn)的坐標(biāo)，注意不同連接部位需要單獨(dú)分組測(cè)量，且不同塊體的共同連接部位的測(cè)點(diǎn)布置數(shù)量及測(cè)量順序需要一致，以便后續(xù)進(jìn)行虛擬拼裝。

圖5 塊體測(cè)點(diǎn)布置圖

2) 節(jié)段虛擬組拼。通過(guò)幾個(gè)鋼梁組拼輪次的數(shù)據(jù)，分析焊接預(yù)留、焊接順序等對(duì)節(jié)段組拼精度的影響規(guī)律，然后在計(jì)算機(jī)設(shè)備上進(jìn)行模擬，尋找合適的焊接預(yù)留量及焊接順序，確保節(jié)段組拼精度滿足要求。實(shí)施過(guò)程中，首先對(duì)不同部位連接點(diǎn)測(cè)得的坐標(biāo)進(jìn)行處理(預(yù)加焊接間隙)，然后對(duì)不同塊體進(jìn)行虛擬拼裝，如中桁與下層鐵路橋面虛擬拼裝，將依序測(cè)量好的中桁下弦桿橫梁接頭板的坐標(biāo)組與下層橋面橫梁端頭的坐標(biāo)組進(jìn)行最佳擬合，即可以完成中桁與下層橋面的虛擬預(yù)拼裝(見(jiàn)圖6)，其他部位的虛擬預(yù)拼裝與此類似。

圖6 節(jié)段虛擬拼裝過(guò)程示意圖

節(jié)段各塊體虛擬拼裝完成后，便可通過(guò)測(cè)量虛擬模型得到大節(jié)段的各個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果，包括節(jié)段長(zhǎng)度、寬度、高度、垂直度、對(duì)角線差等,節(jié)段虛擬尺寸檢測(cè)示意見(jiàn)圖7。

圖7 節(jié)段虛擬尺寸檢測(cè)示意

在板塊測(cè)量時(shí)，同時(shí)測(cè)量環(huán)境溫度及桿件溫度，在軟件虛擬拼裝過(guò)程中對(duì)每個(gè)板塊設(shè)置不同的溫度補(bǔ)償，以保證所有板塊在統(tǒng)一誤差條件下進(jìn)行虛擬拼裝，盡可能降低測(cè)量誤差對(duì)虛擬拼裝效果的影響。

3) 節(jié)段對(duì)接虛擬拼裝。節(jié)段內(nèi)組拼完成后，進(jìn)行節(jié)段間的虛擬拼裝。為保證節(jié)段間的連接精度，整節(jié)段拼裝基本都采用多節(jié)段連續(xù)匹配拼裝與焊接的方案，在上一輪節(jié)段拼裝完成后留下一段作為下一輪的母段參與拼裝，從而保證了相鄰節(jié)段之間的順利連接。

組拼的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)節(jié)段環(huán)口的關(guān)鍵性數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，指導(dǎo)下一節(jié)段組裝時(shí)的公差控制。節(jié)段對(duì)接環(huán)口數(shù)據(jù)上傳至統(tǒng)一的BIM管理平臺(tái)后(見(jiàn)圖8)，管理人員根據(jù)已有節(jié)段的數(shù)據(jù)指導(dǎo)下一節(jié)段的拼裝，調(diào)整對(duì)接環(huán)口的公差，以保證鋼桁梁相鄰節(jié)段間的順利對(duì)接。

圖8 節(jié)段間虛擬拼裝示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)探索BIM技術(shù)在焊接管理、虛擬拼裝中的應(yīng)用，將BIM技術(shù)融入到鋼桁梁制造的過(guò)程管理之中，充分發(fā)揮了BIM技術(shù)在可視化、協(xié)調(diào)性等方面的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提高了鋼桁梁制造信息化、智能化的程度，輔助管理人員進(jìn)行決策，從而提高鋼桁梁制造、安裝精度，為鋼橋建造智能化提供新思路。