基于BIM技術(shù)的下承式大跨度尼爾森體系簡支拱橋施工

張宏博 王祥國 張文東 袁本哲 崔 健

(中建鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司路橋公司， 青島 266000)

Building Information Molding(建筑信息模型)簡稱BIM，是建立在三維數(shù)字技術(shù)基礎(chǔ)之上，集成了建筑工程項(xiàng)目各種有關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型[1]。BIM技術(shù)的核心是虛擬“設(shè)計(jì)與建造”，依據(jù)圖紙等相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)工程可視化性的設(shè)計(jì)與施工，是對(duì)項(xiàng)目工程設(shè)施實(shí)體與功能特性的數(shù)字化闡述[2]，支撐起建筑行業(yè)的第二次“科技革命”。2015年，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見》，在其發(fā)展目標(biāo)中明確提出“到2020年末，以下新立項(xiàng)項(xiàng)目勘察設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營維護(hù)中，集成應(yīng)用BIM的項(xiàng)目比率達(dá)到90%。”；2017年5月，《建筑信息模型施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》發(fā)布，中國建筑業(yè)有了可參考的BIM標(biāo)準(zhǔn)；2018年后，越來越多關(guān)于BIM的推進(jìn)政策陸續(xù)推出，BIM技術(shù)逐步向全國各城市推廣開來，實(shí)現(xiàn)在全國范圍內(nèi)的普及應(yīng)用。

目前，BIM技術(shù)運(yùn)用于房建項(xiàng)目的成功案例非常多，如貴州建工軍區(qū)總醫(yī)院、北京奧體中心、天津大禮堂、南京福特廠等。在路橋行業(yè)中，伴隨著高速鐵路和現(xiàn)代路橋工程的快速發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜[3]，異形結(jié)構(gòu)越來越多，對(duì)建造工藝要求也越來越嚴(yán)謹(jǐn)，施工進(jìn)度要求越來越緊。為推進(jìn)路橋工程緊跟時(shí)代技術(shù)發(fā)展的步伐，近些年BIM技術(shù)也逐漸開始應(yīng)用于橋梁工程。本文依據(jù)濰萊鐵路大跨度簡支拱橋施工，結(jié)合BIM技術(shù)在施工管理中的應(yīng)用，研究高速鐵路144 m下承式尼爾森體系簡支拱橋的綜合施工。在實(shí)施過程中，逐步完成BIM族庫的建立以及過程資料的收集、整理，總結(jié)出基于BIM技術(shù)的大跨度簡支拱橋施工的BIM團(tuán)隊(duì)建設(shè)、建模流程、建模關(guān)鍵控制點(diǎn)、優(yōu)化設(shè)計(jì)變更方案、施工管理可視化方法等技術(shù)。通過基于BIM技術(shù)的大跨度簡支拱橋施工實(shí)踐，驗(yàn)證了BIM技術(shù)在拱橋施工中運(yùn)用的可行性，為類似工程提供參考依據(jù)。

1 工程概況

1.1 鐵路工程概況

濰坊至萊西高速鐵路(簡稱“維萊高速鐵路”)為雙線無砟軌道鐵路，線間距5.0 m，設(shè)計(jì)時(shí)速350 km，西起規(guī)劃終點(diǎn)濟(jì)青高速鐵路濰坊北站，往東接入青榮城際鐵路萊西北站，線路位于膠東半島腹地，是山東省“三縱三橫”快速鐵路網(wǎng)的重要組成部分。

1.2 簡支拱橋工程概況

濰萊高速鐵路在里程DK 58+128.49處，以下承式鋼管混凝土簡支拱的形式跨榮濰高速公路，與高速公路斜交149.42°。下承式簡支拱橋梁全長148 m，是濰萊高速鐵路全線的控制性工程之一。

2 大跨度簡支拱橋設(shè)計(jì)

簡支拱橋結(jié)構(gòu)為剛性系梁剛性拱，采用尼爾森吊桿體系，先施工梁體，后施工拱肋，系梁采用滿布支架施工，鋼管拱肋在系梁上拼裝合龍。梁端采用實(shí)心矩型截面，高3.0 m，兩端實(shí)心段各長8.5 m；系梁橫截面為單箱三室截面，高3.0 m，中間段長126 m，兩端過渡段各長2.5 m。

簡支拱橋計(jì)算跨度144 m，拱肋矢跨比為1∶5，拱肋在橫橋向內(nèi)傾8°呈提籃式，立面投影矢高(28.8×cos 8°)m，呈二次拋物線形式，拱肋面內(nèi)方程Y=[4×28.8×(144x-4x2)]/1442；拱肋截面是等截面的啞鈴型形狀，截面高4.0 m，鋼管直徑1.3 m，由20 mm的鋼板卷制而成。在圓形鋼管內(nèi)設(shè)置加勁箍，拱肋的兩鋼管之間用20 mm的厚腹板連接，并在腹板中焊接拉桿，拱肋中灌注C55自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土；拱肋中間用外徑1.5m的圓形鋼管布置1道一字撐，用外徑0.9 m的圓形鋼管布置6道斜撐(K撐)，斜撐鋼管內(nèi)均不填充混凝土，拱肋采用Q345qE鋼材。32對(duì)吊桿組成拱橋尼爾森體系，在拱肋端設(shè)置吊桿張拉裝置；在吊桿內(nèi)安放磁通量傳感器，監(jiān)測施工過程中和施工后期吊桿的應(yīng)力狀態(tài)。

3 簡支拱橋施工技術(shù)重難點(diǎn)

3.1 施工環(huán)境復(fù)雜

拱橋正下方為榮濰高速公路，日常車流量較大。受施工環(huán)境的限制，拱橋支架體系布置情況復(fù)雜，施工難度較大。傳統(tǒng)的技術(shù)交底難以直觀地指導(dǎo)工人現(xiàn)場施工，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，增加成本投入。

3.2 拱架結(jié)構(gòu)復(fù)雜

(1)拱架形式復(fù)雜

上部結(jié)構(gòu)拱架整體為二次拋物線形式，荷載集中程度隨著簡支拱橋軸線高度的變化而變化，拱橋的曲線變化形式較復(fù)雜[4]，且橋梁中部分受力構(gòu)件為異型構(gòu)件。

(2)放樣定位難度大

拱橋縱梁長度148 m，測量放樣定位難度大。

(3)拱橋剛度要求大

簡支拱橋以承受壓力為主，產(chǎn)生較大的水平推力；拱肋內(nèi)澆筑C55自密實(shí)補(bǔ)償性收縮混凝土，拱橋自重非常大，增大了橋梁下部結(jié)構(gòu)的工程量，穩(wěn)定性問題比較突出，對(duì)地基基礎(chǔ)條件要求較高，施工難度較大。

3.3 鋼筋密度大

系梁和拱腳等鋼筋節(jié)點(diǎn)處鋼筋密度較大，且系梁處與波紋管交織通過，極容易發(fā)生碰撞[5]，施工過程中出現(xiàn)問題較多，造成嚴(yán)重的工程返工，項(xiàng)目成本增加較大。

3.4 工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)多

目前，施工企業(yè)現(xiàn)場管理的不精細(xì)，造成大量的工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)不及時(shí)、不完善、不準(zhǔn)確，現(xiàn)場管理缺少有力的數(shù)據(jù)計(jì)量支撐，造成項(xiàng)目資源、物流以及儲(chǔ)存環(huán)節(jié)的嚴(yán)重浪費(fèi)。

4 基于BIM技術(shù)的簡支拱橋施工

4.1 組建BIM團(tuán)隊(duì)

基于BIM技術(shù)的大跨度簡支拱橋施工中，有大量的工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理繁瑣費(fèi)時(shí)，因此組建了BIM實(shí)施小組。根據(jù)BIM應(yīng)用和實(shí)施等工作內(nèi)容的不同，對(duì)小組成員進(jìn)行明確分工；根據(jù)專業(yè)技術(shù)特點(diǎn)，確定人員的工作側(cè)重方面。健全建模工作制度，確定BIM各項(xiàng)工作的主要負(fù)責(zé)人和實(shí)施人員，所有人員協(xié)調(diào)工作。項(xiàng)目實(shí)施階段BIM人員組織架構(gòu)如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目實(shí)施階段BIM人員組織架構(gòu)圖

4.2 基于BIM技術(shù)的大跨度簡支拱橋施工建模流程和關(guān)鍵控制點(diǎn)

分析BIM建模輔助工程施工管理實(shí)施階段及建模流程[6]，發(fā)現(xiàn)BIM技術(shù)在大跨度簡支拱橋施工運(yùn)用中，存在模型創(chuàng)建精度不精確、項(xiàng)目拆分原則不規(guī)范、項(xiàng)目樣板不完善等常見問題。為加強(qiáng)BIM技術(shù)建模的可視化性、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性以及可出圖性，本文提出基于BIM技術(shù)的大跨度簡支拱橋施工建模流程和關(guān)鍵控制點(diǎn)[7-8]：(1)檢查模型創(chuàng)建精度是否合格；(2)檢查項(xiàng)目拆分原則是否合格；(3)檢查項(xiàng)目樣板是否合格；(4)檢查BIM 工具規(guī)劃是否合格；(5)檢查階段性成果是否合格；(6)檢查合模是否合格；(7)檢查視頻制作是否合格。 基于BIM技術(shù)的大跨度簡支拱橋施工管理運(yùn)用關(guān)鍵控制點(diǎn)如圖2所示。

圖2 基于BIM技術(shù)的大跨度簡支拱橋施工建模流程關(guān)鍵控制點(diǎn)框圖

4.3 基于BIM技術(shù)創(chuàng)建的簡支拱橋核心構(gòu)件模型

應(yīng)用BIM技術(shù)創(chuàng)建三維模型，建立健全結(jié)構(gòu)詳細(xì)的屬性信息，將其與施工進(jìn)度結(jié)合，進(jìn)行4D施工可視化模擬，使用多媒體的形式進(jìn)行交底[9]，讓參與工程的所有人員實(shí)質(zhì)性地認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)的組成、功能以及作用。大跨度簡支拱橋基于BIM技術(shù)創(chuàng)建的核心結(jié)構(gòu)模型，如圖3所示。

4.4 基于BIM技術(shù)解決簡支拱橋施工重難點(diǎn)

4.4.1基于BIM技術(shù)的施工可視化

拱橋正下方為榮濰高速公路，施工環(huán)境較為復(fù)雜，運(yùn)用BIM技術(shù)模擬簡支拱與榮濰高速的相對(duì)位置關(guān)系，并將施工流程細(xì)化，再配合二維碼技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，制作二維碼貼在現(xiàn)場。針對(duì)簡支拱橋施工組織復(fù)雜的問題，運(yùn)用BIM的可視化，預(yù)先對(duì)場地各功能區(qū)進(jìn)行布置，整體漫游，為場地布置提供合理方案。一方面進(jìn)行三維可視化技術(shù)交底，便于現(xiàn)場隨時(shí)隨地查閱施工作業(yè)交底；另一方面進(jìn)行方案模擬，為后期施工方案的編制及報(bào)審工作提供依據(jù)，提高各參與方的協(xié)同性，進(jìn)而提高施工效率。

4.4.2基于BIM技術(shù)的方案優(yōu)化

針對(duì)簡支拱拱架形式復(fù)雜、放樣定位難度大、拱橋剛度要求大等難題，運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行可視化編程建模，對(duì)模型進(jìn)行預(yù)拼裝，完美解決了二次拋物線定位問題，提高了拱肋建模精度和拱肋拼裝方案的可行性；采用Dynamo編程建模，輔助Revit對(duì)模型進(jìn)行預(yù)拼裝，可保證模型的精準(zhǔn)度，可提供精度達(dá)LOD500層級(jí)的竣工模型。

圖3 基于BIM技術(shù)創(chuàng)建的核心結(jié)構(gòu)模型圖

4.4.3基于BIM技術(shù)的設(shè)計(jì)變更優(yōu)化

運(yùn)用BIM技術(shù)模擬施工過程，指導(dǎo)簡支拱橋上下部結(jié)構(gòu)施工，通過BIM模型對(duì)結(jié)構(gòu)物進(jìn)行360°全方位觀察，對(duì)模型校核比對(duì)，快速獲取構(gòu)件信息，提前預(yù)估存在問題，并提出《設(shè)計(jì)深化建議書》，交由設(shè)計(jì)單位調(diào)整，可在工程施工前排除障礙，針對(duì)性地提出解決難題的方案，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案等，為后續(xù)設(shè)計(jì)變更的工程量提供支撐，也確保了施工進(jìn)度和質(zhì)量。

4.4.4基于BIM技術(shù)的施工隱患排除(碰撞問題)

簡支拱橋具有工況復(fù)雜、機(jī)構(gòu)內(nèi)部易出現(xiàn)碰撞、橋梁主要受力構(gòu)件為異型構(gòu)件等特點(diǎn)，基于BIM技術(shù)創(chuàng)建的鋼筋模型在三維可視化、碰撞檢查、深化設(shè)計(jì)等方面的應(yīng)用[10]，可進(jìn)行各類鋼筋用量統(tǒng)計(jì)、碰撞試驗(yàn)校驗(yàn)、深化復(fù)雜節(jié)點(diǎn)等研究。在項(xiàng)目施工前期，按照施工圖紙對(duì)系梁鋼筋、波紋管及拱腳鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)建模和碰撞檢查，及早發(fā)現(xiàn)碰撞點(diǎn)，并事先針對(duì)性地提出解決方案，減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失，可有效提高綁扎鋼筋的效率和質(zhì)量，保證施工順利高效開展。

4.4.5基于BIM技術(shù)的數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)化管理

簡支拱橋工程量較多且比較復(fù)雜，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)難度大。運(yùn)用BIM技術(shù)創(chuàng)建的工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，查看工程量“明細(xì)表”，可隨時(shí)快速準(zhǔn)確地查看工程消耗量等數(shù)據(jù)信息[10]，了解工程運(yùn)營狀況，有效地做出維度方面的調(diào)整，為工程施工制定精確的人、材、機(jī)實(shí)施計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)資源消耗控制調(diào)整，進(jìn)而有效地實(shí)現(xiàn)工程成本風(fēng)險(xiǎn)管控。如拱橋中存在大量異型構(gòu)件，分類別、分部位、分工況進(jìn)行工程量統(tǒng)計(jì)，可為施工及結(jié)算提供可靠數(shù)據(jù)支持。

4.4.6基于BIM技術(shù)的安全環(huán)境管理

建立以BIM模型為基礎(chǔ)的危險(xiǎn)源識(shí)別體系，根據(jù)項(xiàng)目搭建的BIM模型，將危險(xiǎn)源標(biāo)注在BIM模型中，注明各危險(xiǎn)源的防護(hù)要求、樣式，確保危險(xiǎn)源檢查全覆蓋、不遺漏。如檢查過程中發(fā)現(xiàn)無防護(hù)、防護(hù)不到位、無警示標(biāo)語等安全隱患問題，可隨時(shí)拍照，記錄檢查情況，并將其在模型上進(jìn)行標(biāo)識(shí)，及時(shí)督促相關(guān)責(zé)任人整改，整改完成后取消標(biāo)識(shí)，排除安全隱患；針對(duì)工程施工中產(chǎn)生的廢物、廢水、廢氣等環(huán)境污染物，可運(yùn)用BIM技術(shù)結(jié)合實(shí)際情況分析工區(qū)附近環(huán)境，針對(duì)性地制定相應(yīng)環(huán)保措施，建立基于BIM模型的環(huán)保信息平臺(tái)，統(tǒng)一有序管理。制作各類安全環(huán)保標(biāo)識(shí)標(biāo)牌族文件，將標(biāo)識(shí)標(biāo)牌導(dǎo)入Infraworks軟件，應(yīng)用于施工場地布置，形成制作標(biāo)準(zhǔn)，生成安全標(biāo)示標(biāo)牌布設(shè)的漫游視頻，進(jìn)行簡單明了的安全環(huán)保可視化交底，實(shí)現(xiàn)環(huán)保綠色施工。

5 結(jié)語

(1) 本文結(jié)合下承式大跨度尼爾森體系簡支拱橋施工，基于BIM技術(shù)的精細(xì)化施工管理，組建了BIM實(shí)施小組，提出了實(shí)施階段BIM人員組織架構(gòu)；在深入研究下承式大跨度尼爾森體系簡支拱橋設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，明確了下承式大跨度尼爾森體系簡支拱橋放樣定位難度大、鋼筋密度大、工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)多、拱架形式及施工環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)；深入研究了簡支拱橋施工工藝，細(xì)化施工工序，精細(xì)化建模操作，形成了基于BIM技術(shù)的下承式大跨度尼爾森體系簡支拱橋建模流程，并提出建模流程關(guān)鍵性控制點(diǎn)。提高了BIM技術(shù)于簡支拱橋建模的效率和精細(xì)度，深化了BIM技術(shù)運(yùn)用的可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性以及可出圖性特點(diǎn)，展示了基于BIM技術(shù)創(chuàng)建的簡支拱橋核心構(gòu)件模型，更為直觀地給所有施工人員展示了各工序及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的模擬施工場景，有效減少了設(shè)計(jì)變更與返工，提高了施工效率，降低工程成本。

(2) 基于BIM技術(shù)的可視化性和模擬性，運(yùn)用BIM技術(shù)模擬簡支拱與榮濰高速公路的場地位置及整體漫游，借此分析施工組織，事前編制合理的施工方案；基于BIM技術(shù)的優(yōu)化性，結(jié)合Dynamo編程建模，輔助Revit對(duì)拱橋進(jìn)行預(yù)拼裝，解決了二次拋物線定位問題，提高了拱肋拼裝方案的可行性；基于BIM技術(shù)的協(xié)調(diào)性和可出圖性，選用Autodesk公司旗下產(chǎn)品作為全過程BIM應(yīng)用軟件，配合Revit使用，避免了軟件接口不統(tǒng)一難題，實(shí)現(xiàn)了軟件間信息轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了建模、碰撞檢測、設(shè)計(jì)深化、出圖以及整體效果展示等運(yùn)用，節(jié)約了項(xiàng)目資源，提高了工程質(zhì)量。

(3) 本項(xiàng)目基于BIM工程智慧管理在工程施工管理中應(yīng)用的可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性等優(yōu)勢，大大節(jié)省了管柱支架、工字鋼等周轉(zhuǎn)材料；通過三維反饋設(shè)計(jì)，優(yōu)化鋼筋、鋼絞線設(shè)計(jì)，精確鋼筋翻樣，有效降低材料成本；通過綜合施工技術(shù)研究，有效降低了交通管理費(fèi)用，減少了勞動(dòng)力投入，提高了產(chǎn)品一次質(zhì)量合格率，為項(xiàng)目大大地節(jié)約成本。本項(xiàng)目基于BIM技術(shù)的下承式大跨度尼爾森體系簡支拱橋的成功施工，可為類似工程的施工提供參考依據(jù)。