BIM在跨路現(xiàn)澆箱梁施工管理中的應(yīng)用研究

王雪穎， 張?zhí)鞂殻?李慶文

(1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，城市地下空間北京重點實驗室， 北京 100083； 2.中建三局 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司， 武漢 430073)

隨著信息技術(shù)快速發(fā)展及“普適性”、“高效益”特點，尤其是“5G”時代的來臨，以BIM為代表的建筑信息技術(shù)越來越受國內(nèi)外的關(guān)注[1]。自1975年BIM概念提出至今，國內(nèi)外學(xué)者對房屋建筑領(lǐng)域從理論、實踐、軟件開發(fā)等方面進行了大量關(guān)于BIM的研究[2-5]，據(jù)統(tǒng)計，我國建筑信息化率為0.1%，盡管經(jīng)過了近些年快速發(fā)展，總體還不到發(fā)達國家的10%[6]，相比于房屋建筑，橋梁結(jié)構(gòu)異型、施工過程特殊、裝備多、里程長等特點，橋梁工程施工信息化普及速度較慢，信息化率更是微乎其微，部分集中在工程量核算、施工模擬、理論方法等方面[7-11]。橋梁施工管理傳統(tǒng)模式一般根據(jù)二維CAD圖紙，憑借空間想象和施工經(jīng)驗進行相關(guān)計算和管理，容易出現(xiàn)人為主觀錯誤。BIM技術(shù)具有可視化、協(xié)同化等特點，合理運用BIM技術(shù)進行計量、“直播式”動態(tài)施工模擬等有利于準(zhǔn)確高效施工管理，減少失誤和返工、提高橋梁施工信息化管理。

跨城市主干道現(xiàn)澆箱梁是聯(lián)通城市道路的重要部位，其安全、高效的完成澆筑施工關(guān)乎行車路人的生命安全以及施工線路的順利貫通，加強對跨城市主干道現(xiàn)澆箱梁現(xiàn)場施工管理至關(guān)重要。經(jīng)對比，本文引入Autodesk revit系列軟件對該跨城市主干道現(xiàn)澆梁建模分析，有效指導(dǎo)了施工作業(yè)，并根據(jù)施工實踐經(jīng)驗建立了施工管理實施框架。

1 工程概況

該聯(lián)現(xiàn)澆梁跨某城市主干道，為一聯(lián)5跨連續(xù)現(xiàn)澆箱梁，橋跨布置(2×30+40+30+29 m)，與城市主干道斜向相交28°，周圍有支路交匯。橋面寬度為20 m，梁高2.4 m，箱梁頂寬20 m，底寬13.038 m，采用單箱三室斷面，頂板厚度25 cm，底板厚度25 cm，跨中腹板厚50 cm，梁端腹板厚100 cm，中橫梁寬200 cm，端橫梁寬150 cm。邊腹板為魚腹式斜腹板，上下倒角分別為R50 cm和R25 cm，主線橋翼緣板懸臂長度2.75 m，厚度為22～50 cm，本文只針對該聯(lián)第三跨(40 m)跨路現(xiàn)澆梁進行研究，現(xiàn)澆梁施工效果圖如圖1。

圖1 現(xiàn)澆梁BIM模型圖

2 BIM工程實踐

2.1 3D模型的構(gòu)建

傳統(tǒng)橋梁施工管理模式一般是管理人員先全面了解橋梁結(jié)構(gòu)的二維圖紙，通過大腦想象和工程經(jīng)驗對工程進行全面熟悉，進而對施工進行指導(dǎo)。前期看圖耗費了大量的時間，如果工程量較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，管理人員的出錯概率也可能會增大，導(dǎo)致施工常處于事后管理的被動狀態(tài)。BIM技術(shù)以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了建筑工程項目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，通過n維模型對工程項目設(shè)施實體與功能特性進行數(shù)字化表達[12]，在施工過程中能過達到高效準(zhǔn)確、實時動態(tài)的管理效果。以設(shè)計院最終確定的CAD圖紙為基礎(chǔ)，用Autodesk revit系列軟件構(gòu)建了該跨城市主干道的整體模型，該模型LOD為300，包括灌注樁基、跨路門洞搭設(shè)方式、魚腹板式現(xiàn)澆箱梁等構(gòu)件參數(shù)，方便施工過程檢查和指導(dǎo)，具體模型如圖1和2所示。

圖2 橋梁構(gòu)件族

2.2 施工前布控檢查

施工前利用該BIM模型將主干道與周圍支路進行交叉碰撞模擬，確定了該跨路門架適宜的架設(shè)位置以適應(yīng)車輛人員通行，同時也優(yōu)化了混凝土泵車澆筑的可行線路，以達到對澆筑面全覆蓋、多個澆筑點同步施工，泵車澆筑模擬如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場混凝土澆筑施工模擬

跨路現(xiàn)澆梁凈空大小關(guān)系著橋下道路行車安全，規(guī)范規(guī)定城市主干道橋梁凈空不得小于5 m[13]。該跨路現(xiàn)澆梁單幅采用3排每排6根經(jīng)檢測合格的鋼管柱支撐加貝雷片、工字鋼進行門洞支架搭設(shè)施工，由于地面標(biāo)高不一，貝雷片和工字鋼高度固定，通過現(xiàn)場設(shè)計鋼管柱的長度保證橋面標(biāo)高的準(zhǔn)確，鋼管柱長度精確化設(shè)計尤為重要，否則需要臨時更改施工方案、嚴(yán)重時可能會拆除重搭?；谝陨辖⒌腂IM模型，確定鋼管柱位置后，即可測量鋼管柱高度，檢驗出有一排6根鋼管柱出現(xiàn)計算錯誤，見表1。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)由于橋梁橫坡變坡計算時錯誤，最終更正。實際架設(shè)過程中沒有出現(xiàn)較大調(diào)整，鋼管柱長度合理，經(jīng)測量橋梁標(biāo)高符合設(shè)計要求。

表1 鋼管柱高度一覽表(部分)

2.3 工程計量

BIM技術(shù)常見的應(yīng)用之一就是以明細(xì)表的方式展現(xiàn)模型中各種統(tǒng)計數(shù)據(jù)信息，包括鋼筋明細(xì)表、混凝土明細(xì)表等。這正是工程造價的核心內(nèi)容——工程計量。隨著模型的調(diào)整，明細(xì)表數(shù)據(jù)自動調(diào)整，也能導(dǎo)出.txt文件再導(dǎo)入Excel軟件或其他軟件中作深入統(tǒng)計分析，降低了人工統(tǒng)計失誤并節(jié)約了大量整合時間，縮短工期[14]?，F(xiàn)澆梁中鋼筋和混凝土材料作為主要材料，是成本控制的關(guān)鍵因素，對該跨路現(xiàn)澆梁鋼筋、混凝土數(shù)量進行部分統(tǒng)計，通過與圖紙復(fù)核，發(fā)現(xiàn)部分?jǐn)?shù)量錯誤，見表2。通過實踐說明BIM模型能夠很好的幫助造價管理人員進行計量分析，快捷、準(zhǔn)確，有利于成本管控。

表2 主材復(fù)核數(shù)量統(tǒng)計表(部分)

基于進度管理中的“香蕉曲線”[15]，以進度為橫坐標(biāo)、累計完成量為縱坐標(biāo)，結(jié)合BIM三維模型，得到了施工進度管理曲線，如圖4。該圖實曲線表示按照施工進度計劃得到的材料BIM統(tǒng)計累計數(shù)量，虛曲線表示實際施工過程中累計完成的材料數(shù)量。一般情況下，虛曲線在實曲線之上的部分表示材料用量超過統(tǒng)計數(shù)量，從BIM三維模型中能簡單明了對應(yīng)到實際施工部位。若實際用量超量較大，施工成本必然超額，此時需現(xiàn)場管理人員檢查是否按要求施工，如橋梁底板施工是否未控制好間歇時間造成厚度過大，混凝土超方，橫梁鋼筋是否綁扎錯誤等。若實際用量相比BIM統(tǒng)計量相差不大，由于實際施工必要的工藝性損耗和廢料，則屬于正常范圍。根據(jù)此曲線能過反應(yīng)現(xiàn)場材料用量情況，也能追溯施工過程中的不規(guī)范操作，有利于指導(dǎo)現(xiàn)場施工管理。

圖4 施工進度管理曲線

2.4 施工安全監(jiān)測

現(xiàn)澆梁跨度較大、自重大、作業(yè)高度較高，在現(xiàn)澆梁施工過程中一般采用滿堂支架施工作業(yè)，而支架坍塌事故也是層出不窮，對支架的安全管理十分重要。該現(xiàn)澆梁施工過程中配備測量人員進行支架的沉降監(jiān)測，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時掌握施工過程支架的安全狀況。將監(jiān)測數(shù)據(jù)與BIM模型相結(jié)合，讓施工管理人員更好的掌握橋梁施工最新的安全信息，直觀的發(fā)現(xiàn)沉降突變情況，經(jīng)數(shù)據(jù)管理并根據(jù)沉降紅線，便可以快速有效的指導(dǎo)下一階段的施工作業(yè)，避免由于安全信息數(shù)據(jù)管理不敏感、分析不及時，導(dǎo)致危險因素累積，甚至導(dǎo)致事故發(fā)生[10]。如圖5是該現(xiàn)澆箱梁的沉降觀測，在監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)沉降點3-3有較大“突變”，相關(guān)管理人員提高警惕，及時進行口頭安全通知并加大該處沉降監(jiān)測頻率，繼續(xù)觀察，以后監(jiān)測數(shù)據(jù)沒有突變較為正常，直至施工結(jié)束。此次安全監(jiān)測加強了管理人員以及施工隊伍的安全意識，第一時間發(fā)現(xiàn)了存在突變的位置，有利于現(xiàn)場安全管理。

圖5 實時安全監(jiān)測

3 施工動態(tài)管理實施框架

橋梁施工工藝復(fù)雜，工期較長，面臨著市場變動、征拆變更、天氣變化、不可抗力等眾多不確定性因素，為了保障現(xiàn)澆梁施工能夠在合理彈性范圍內(nèi)完成節(jié)點目標(biāo)，動態(tài)管理顯得十分有必要。如圖6，根據(jù)本工程施工經(jīng)驗總結(jié)，構(gòu)建了現(xiàn)澆橋梁施工動態(tài)管理框架[5,11,16-18]。該框架呈現(xiàn)“施工前準(zhǔn)備—實時動態(tài)調(diào)整—決策與預(yù)判”循環(huán)結(jié)構(gòu)。核心是4D/5D BIM模型,通過BIM施工模擬將施工前期設(shè)計、場地、交通、征拆、施工方案合理性等逐一檢查，統(tǒng)籌人員配置、材料供應(yīng)鏈、機械設(shè)備情況、規(guī)范以及周圍施工環(huán)境、天氣等，糾偏和優(yōu)化施工組織設(shè)計中的作業(yè)指導(dǎo)，達到安全、進度、質(zhì)量和成本的管控。與此同時，在施工過程中，管理人員結(jié)合“人、料、機、法、環(huán)”進行決策和下一施工階段的預(yù)判，根據(jù)變動而動態(tài)調(diào)整，完成本階段施工，進入下一循環(huán)。

圖6 施工動態(tài)管理框架

4 結(jié)論

1)通過構(gòu)建現(xiàn)澆梁構(gòu)件族，在二維CAD圖紙基礎(chǔ)上建立了跨路現(xiàn)澆箱梁BIM三維模型，利用BIM模型對現(xiàn)澆梁施工前進行了場地、鋼管柱凈高、主材計量等模擬測算，校核圖紙中主材數(shù)量錯誤、優(yōu)化了施工設(shè)計方案，實踐證明精細(xì)度300能夠滿足指導(dǎo)施工管理的要求。

2)基于進度管理中的香蕉曲線，結(jié)合BIM三維模型，繪制出了施工進度管理曲線，該曲線可以明確參照三維實體模型，很直觀地得出目前階段的施工進度和工程計量的情況；同時將施工過程中有關(guān)安全的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)等結(jié)合該三維模型，能快速的發(fā)現(xiàn)施工過程中安全隱患，增強管理人員對安全的敏感性，在一定程度上有利于避免安全事故的發(fā)生。

3)根據(jù)BIM在該工程中的實踐應(yīng)用，提出了現(xiàn)澆橋梁工程施工動態(tài)管理框架，為施工現(xiàn)場管理人員提供了基于BIM技術(shù)的建筑信息化管理思路。