BIM虛擬施工技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁中的應(yīng)用研究

王占飛， 馮 瑾， 梁 偉， 張 強， 孫寶蕓

(沈陽建筑大學 交通工程學院 沈陽市 110168)

裝配式橋梁由于鋼結(jié)構(gòu)施工方便、抗震性能良好，愈發(fā)成為工程設(shè)計人員的首選方案之一[1]，但另一方面，也存在著制約其發(fā)展的因素。首先，裝配式構(gòu)件多數(shù)采用工廠預(yù)制的方式獲得，對預(yù)制精度要求較高；其次，在裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁的施工過程中，墩與基礎(chǔ)的連接尤為復雜，設(shè)計人員需要與施工人員進行細致地技術(shù)交底，以保證現(xiàn)場施工人員對工程有更明確的判斷和把握[2-3]。

基于此，通過建立Revit+Fuzor模式將BIM虛擬施工技術(shù)引用到裝配式橋梁施工中，創(chuàng)建出適用于橋梁結(jié)構(gòu)的可視化施工模擬體系，并以實際工程為例歸納總結(jié)模擬過程。在施工之前，該體系可實現(xiàn)關(guān)鍵施工技術(shù)的預(yù)先演示、碰撞檢測、機具部署與吊裝模擬，進而預(yù)先發(fā)現(xiàn)并減少施工過程中可能出現(xiàn)的問題，消除施工隱患、提高施工精度、優(yōu)化施工方案，最終提高施工效率。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁

對于裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁的研究最為關(guān)鍵的是橋墩與基礎(chǔ)的連接形式[4]。既要求其具有良好的承載能力和穩(wěn)定性以抵抗上部荷載的作用，又要保證現(xiàn)場拼裝施工的可操控性與精度。因此，對于裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁的施工，主要通過工廠預(yù)制鋼構(gòu)件，再運輸至施工現(xiàn)場采用機械設(shè)備進行拼裝。這種施工方式打破了傳統(tǒng)粗獷的現(xiàn)澆式施工的局限，是未來橋梁的重要建造方式之一[5]。其中橋墩的連接形式與拼裝步驟作為現(xiàn)場施工過程中的重點與難點，成為我們主要研究對象，我們需要考慮如何在橋梁結(jié)構(gòu)復雜的施工環(huán)境中使現(xiàn)場拼裝作業(yè)有效進行。

1.2 基于BIM的虛擬施工技術(shù)

BIM以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，擁有強大的三維建模能力，具有可視化、協(xié)同交互、信息集成等特點[3]。利用BIM技術(shù)創(chuàng)建結(jié)構(gòu)的三維模型，能夠?qū)崿F(xiàn)信息的關(guān)聯(lián)和實時更新。而虛擬施工技術(shù)是在虛擬環(huán)境的基礎(chǔ)上，對施工過程進行可視化模擬，通過計算機協(xié)同工作，在不耗費實際資源的情況下，預(yù)先對施工過程進行模擬和檢驗。

目前，BIM虛擬施工技術(shù)在建筑工程中具有一定的應(yīng)用，然而在橋梁工程中的應(yīng)用較少。

2 虛擬施工技術(shù)框架

2.1 技術(shù)手段

BIM虛擬施工技術(shù)主要依托于BIM平臺相關(guān)軟件進行，在本文中，將不再采用固有的Revit+Navisworks模式，而是提出Revit+Fuzor模式進行橋梁的施工模擬,如圖1所示。在設(shè)計階段，借助Revit三維建模軟件，創(chuàng)建工程所需的參數(shù)化模型，并基于該模型對施工過程進行分析模擬，同時Revit具有強大的交互能力，尤其與Fuzor軟件可實現(xiàn)完美的實時交互，可以集成控制以實現(xiàn)信息交流。在施工階段，借助Revit創(chuàng)建如臨時支架等輔助設(shè)施的三維模型，并結(jié)合Fuzor軟件自帶的施工機械模型根據(jù)施工方案對場景進行布置，實現(xiàn)施工過程模擬。

2.2 技術(shù)路線

對于虛擬施工技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁中的應(yīng)用，我們主要從施工方法的可行性、資源成本的合理性和方案的優(yōu)化幾個方面著手，為此，我們需要做如下工作：

(1)利用Revit建模軟件建立鋼結(jié)構(gòu)橋梁、輔助設(shè)施的三維模型。

(2)將模型載入到Fuzor施工模擬軟件，分別在橋梁設(shè)計、施工、運維階段進行模擬、檢測。模擬施工環(huán)境與關(guān)鍵施工工藝，檢測工程故障。

(3)在模擬過程中如發(fā)現(xiàn)施工工序不當、構(gòu)件碰撞等情況，軟件將自動發(fā)出提示，技術(shù)人員可直觀地發(fā)現(xiàn)問題并進行更改。

(4)進行多方案可視化對比，確定最優(yōu)施工方案，如圖2所示。

采用Revit+Fuzor模式進行橋梁的施工模擬的具體流程如圖3所示。

3 具體實例

3.1 工程概況

某4跨連續(xù)梁橋，如圖4、圖5所示，跨度40m, 上部采用工字型鋼板主梁，全橋?qū)挾?2.0m，梁高2200mm，主梁之間的間距2500mm。下部采用獨柱式鋼橋墩，各構(gòu)件采用工廠預(yù)制現(xiàn)場吊裝的形式進行施工，橋墩高度12.2m，蓋梁長12m；墩身截面為箱型截面，寬度為1.8m，并設(shè)有縱向加勁肋，加勁肋的尺寸為220×28；承臺寬度8.5m，厚度2.2m；基礎(chǔ)形式為群樁基礎(chǔ)，樁基直徑為1.2m，墩身與承臺基礎(chǔ)的連接采用錨桿連接。本文將著重歸納總結(jié)鋼橋墩拼裝等復雜施工工藝的虛擬施工的實現(xiàn)過程。

3.2 虛擬施工技術(shù)體系

3.2.1參數(shù)化模型建立

模型的建立是指導施工的前提[6]，利用Revit建模軟件創(chuàng)建橋墩和輔助設(shè)施的參數(shù)化模型，將橋墩模型與設(shè)施模型集成，導入到實際地形，用于指導工程實際。

對于本橋的建模，最為關(guān)鍵的是對橋墩與基礎(chǔ)連接處的處理。本工程的下部結(jié)構(gòu)鋼橋墩與混凝土承臺擬采用帶有鋼錨桿加強板連接方式，這種連接方式需要在工廠預(yù)制留有錨桿孔的橋墩外環(huán)板、預(yù)埋在基礎(chǔ)中的加強板和固定于板上的錨桿，對預(yù)制精度要求較高，所以必須做到準確建模。由于僅利用Revit軟件進行參數(shù)化建模過程已有眾多學者進行研究[7-8]，故本文不再贅述，創(chuàng)建完成的橋墩模型如圖6、圖7所示：

3.2.2虛擬施工

Fuzor施工模擬軟件是隨著BIM技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種基于Revit的插件，F(xiàn)uzor不僅能與Revit完美實現(xiàn)雙向互通，而且擁有與Navisworks相同的碰撞檢測功能，同時又能夠以動畫的方式實現(xiàn)對施工工程的模擬與檢測。通過建立Revit+Fuzor模式進行可視化虛擬施工模擬，能很好地彌補傳統(tǒng)虛擬施工模擬方法的局限。

首先在施工組織設(shè)計階段，在Revit中點擊“Launch Fuzor”將創(chuàng)建完成的模型載入到Fuzor軟件中，利用其三維可視化技術(shù)將模型進行虛擬檢測。如在Fuzor中探查設(shè)計圖紙是否出現(xiàn)漏、錯、碰等問題，如圖8所示，若發(fā)現(xiàn)問題可進行實時更改并雙向同步，深化設(shè)計的整體布局。

其次在現(xiàn)場施工階段，F(xiàn)uzor可實現(xiàn)一模多用，具體應(yīng)用有如下幾個方面：

(1)技術(shù)交底。在完成對模型的檢查后，需對施工方進行技術(shù)交底，需按照施工工序添加時間信息并制定構(gòu)件運動關(guān)系，進而根據(jù)施工進度計劃進行技術(shù)交底，讓施工方更加清晰施工流程與設(shè)計意圖。

(2)三維場布。在實際施工進行之前，根據(jù)施工場地與施工情況進行科學合理的場地模擬布置，有利于施工順利進行。

(3)復雜工藝指導施工。對于施工過程中的復雜工藝，易導致施工人員理解不清晰，便可利用虛擬動畫進行預(yù)先學習，了解其施工工藝。本工程下部結(jié)構(gòu)的橋墩與基礎(chǔ)的連接作為復雜技術(shù)，其施工方式為將鋼橋墩的外環(huán)板與澆筑于混凝土承臺中的帶有鋼錨桿的加強板連接。為準確地指導施工，讓施工人員充分理解，可將其施工工藝進行動畫模擬，其具體模擬結(jié)果如圖9所示。

(4)路徑模擬。利用直觀的三維動畫對進場的構(gòu)件進行路徑模擬，可以有效地避免施工中的安全隱患。在橋梁裝配式施工中，大型構(gòu)件的進場與吊裝對施工路徑要求較高，尤其需要確定吊車工作范圍，驗證吊車的行進和轉(zhuǎn)動是否與現(xiàn)場環(huán)境、已裝配好的橋梁構(gòu)件、支架等發(fā)生碰撞，如圖10所示。

(5)施工組織優(yōu)化。多方案的可視化對比，可以確定高效可行的最優(yōu)施工方案。技術(shù)人員從施工角度進行多次可視化模擬，同時應(yīng)用軟件的統(tǒng)計功能，統(tǒng)計出工程用量，計算工程成本。最后可通過比較施工可行性、施工成本，確定最優(yōu)方案，實現(xiàn)節(jié)約施工成本和時間的目標。

最后在運維階段，可通過傳感器等監(jiān)測裝置將橋梁運維信息反饋到Fuzor的可視化模型中，一旦出現(xiàn)故障，其中的故障信息可以反饋到軟件中并發(fā)出警報，工作人員可以準確定位并及時解決出現(xiàn)的問題。

4 結(jié)論

(1)裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁由于其構(gòu)件工廠預(yù)制現(xiàn)場吊裝的施工方式，減少現(xiàn)場濕作業(yè)，滿足綠色施工的理念；基于BIM的虛擬施工技術(shù)具有可視化、協(xié)同交互、信息集成等特點，可以在現(xiàn)場施工前預(yù)先對施工過程進行預(yù)演，提高施工效率，故將二者集成應(yīng)用到實際工程中，給橋梁事業(yè)的發(fā)展注入了新的動力。

(2)提出采用Revit+Fuzor模式建立適用于橋梁結(jié)構(gòu)的可視化施工模擬體系的一般方法。包括Revit建模，F(xiàn)uzor可視化分析，碰撞、故障檢測，優(yōu)化調(diào)整等步驟。

(3)Revit+Fuzor模式可貫穿于橋梁的全生命周期，實現(xiàn)設(shè)計、施工、運維階段的信息共享。尤其在橋梁施工階段，F(xiàn)uzor軟件在技術(shù)交底、三維場布、復雜工藝指導施工、進場模擬方面實現(xiàn)了全面覆蓋，有效地保證了施工安全，節(jié)約了施工成本。

(4)以某實際工程為例，詳細說明了將BIM虛擬施工技術(shù)應(yīng)用到裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁的施工中，能夠有效減少現(xiàn)場施工隱患。通過橋墩構(gòu)件的精準參數(shù)化建模，既滿足了預(yù)制構(gòu)件的精度要求，又實現(xiàn)了裝配式鋼橋墩施工關(guān)鍵技術(shù)的模擬和優(yōu)化，確保施工質(zhì)量，提高施工效率。