BIM技術(shù)在56 m簡支箱梁支架現(xiàn)澆施工中的應(yīng)用研究

藺鵬臻，韓旺和，劉應(yīng)龍

(1.蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學 甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室)

BIM(Building Information Modeling)作為建設(shè)項目的數(shù)字化表達，是建筑行業(yè)的大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)+，是一種共享資源。BIM是集成建筑各專業(yè)、各參與單位、全生命周期各階段，以信息模型為中心，形成多維關(guān)系進行有效協(xié)調(diào)管理的一種理念?，F(xiàn)今，中國BIM技術(shù)在工民建專業(yè)中的應(yīng)用處于一個迅速發(fā)展的階段，應(yīng)用技術(shù)已相對成熟。張魯?shù)妊芯苛嘶诮ㄖ畔⒔５难b配式輕型木結(jié)構(gòu)設(shè)計建造方法；王巧雯等研究了基于BIM建筑多專業(yè)協(xié)同設(shè)計流程；Shah RK等研究了BIM可視化挖填方進度管理；魏晨康等研究了基于施工總承包管理的BIM協(xié)同信息管理平臺；謝俊等以Allplan為例研究了BIM技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計中的應(yīng)用；董耀文等對樂清灣大橋基于Revit軟件的橋梁BIM模型參數(shù)化設(shè)計進行了初探。但是，BIM技術(shù)在橋梁專業(yè)中的應(yīng)用僅處于初級階段，橋梁BIM應(yīng)用的一系列技術(shù)問題還在初步探索中。

可見BIM技術(shù)在建筑業(yè)的應(yīng)用相比橋梁工程更加廣泛和成熟。橋梁工程因其構(gòu)件繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且隨著經(jīng)濟增長，中國高速鐵路建設(shè)也在迅速發(fā)展，大型橋梁、新型橋梁不斷出現(xiàn)，大跨度簡支箱梁橋在高速鐵路中的應(yīng)用日益增多，如32、40 m大跨度簡支箱梁已經(jīng)應(yīng)用在高速鐵路橋梁中。使橋梁工程從方案階段、設(shè)計階段、施工階段及運維階段采用傳統(tǒng)方式實施存在一定困難。橋梁施工由于其結(jié)構(gòu)、工序復(fù)雜、施工場地不固定，機械、材料的流動性等不利因素，使施工組織較為復(fù)雜，管理難度增大。

大跨度簡支箱梁存在箱梁截面大、梁體重量大、安全風險高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點，同時需要滿足環(huán)境及經(jīng)濟方面的要求，使得箱梁施工難度進一步增大。因此，采用BIM技術(shù)對橋梁施工項目給予支持，對項目提供精準的技術(shù)支撐和高效的管理系統(tǒng)，是目前亟待解決的問題。

1 大跨度簡支箱梁支架現(xiàn)澆施工特點

大跨度簡支箱梁因體量大、安全風險高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點，傳統(tǒng)施工技術(shù)已不能滿足要求，需要對大跨度簡支箱梁支架現(xiàn)澆的施工特點具體分析，做出相應(yīng)的BIM應(yīng)用方案。

1.1 梁體重量大，安全風險高

大跨度混凝土簡支箱梁因跨度增大導(dǎo)致梁高、截面面積、梁體重量相應(yīng)增大。如56 m混凝土箱梁標準段截面面積為12.8 m2，整跨重量為2 470 t，采用支架現(xiàn)澆施工過程中，支架已承受超過3 000 t的荷載，導(dǎo)致作業(yè)平臺承受荷載重量大，增加了施工安全風險，對下部支架搭設(shè)和拆除有嚴格的施工要求。

1.2 構(gòu)件繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工程量統(tǒng)計難度大

大跨度箱梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，鋼筋排布繁多，預(yù)應(yīng)力管道分布交錯。在標準段鋼筋和預(yù)應(yīng)力管道空間縱橫交錯，在漸變段和端部處鋼筋和預(yù)應(yīng)力管道的空間位置更加復(fù)雜，已不能僅依靠二維圖紙表達，同時造價工程師進行工程量統(tǒng)計的準確率和效率會降低。

1.3 工程質(zhì)量、工期、經(jīng)濟效益要求高

在高速鐵路中，列車時速一般為250 km/h以上，有的甚至達到了350 km/h，導(dǎo)致對高架橋施工質(zhì)量有很高的精度要求，同時為滿足建設(shè)單位工期要求及設(shè)計圖紙問題變更帶來的工期延誤及經(jīng)濟損失，工期也是施工中考慮的重要因素。如何進行精準、高效、高質(zhì)量的簡支箱梁支架現(xiàn)澆施工，保證工程不出現(xiàn)因誤差過大導(dǎo)致的返工及經(jīng)濟損失，并且滿足施工要求都是目前亟待解決的問題。

1.4 施工場地具有多樣性

橋梁工程施工是空間線形施工，隨著項目施工的進行，施工場地也隨著橋梁的走向不斷變化，有可能跨越河流、山谷、淤泥地帶、凍土地帶等。施工場地作為橋梁施工的空間條件，場地的空間因素、環(huán)境因素對施工影響非常關(guān)鍵，要根據(jù)每個工程相應(yīng)的施工場地空間做出不同的施工方案，合理規(guī)劃利用施工工作面、機械站位及行車路線，進行有序的施工。

2 BIM技術(shù)在大跨度簡支箱梁支架現(xiàn)澆施工中的應(yīng)用研究

將BIM技術(shù)應(yīng)用于工程中，主要包括信息模型的建立、信息的集成和信息模型的應(yīng)用3個階段。結(jié)合大跨度簡支箱梁支架現(xiàn)澆施工特點，給出基于BIM技術(shù)在大跨度簡支箱梁支架現(xiàn)澆施工應(yīng)用方案見圖1，其BIM應(yīng)用方案分為技術(shù)方面和管理方面兩個類型。

圖1 基于BIM在大跨度簡支箱梁支架現(xiàn)澆施工應(yīng)用方案

在建立三維信息模型之前要收集二維圖紙，確定建模標準及建模精度，統(tǒng)一建模坐標，按照后期 BIM應(yīng)用點確定創(chuàng)建三維模型的類型及精度，避免模型不能達到使用要求或建模精度過高造成無效工作量。參考美國建筑師學會定義的BIM模型精度等級，將BIM模型精度劃分為5個等級，分別為LOD100～LOD500，如表1所示，應(yīng)按照相應(yīng)的應(yīng)用階段創(chuàng)建足夠精度的三維模型。

表1 LOD模型精度劃分

2.1 基于BIM技術(shù)優(yōu)化設(shè)計

三維信息模型是BIM技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，如果模型錯誤則會導(dǎo)致對施工方案的誤導(dǎo)，造成重大損失。同時，二維圖紙是構(gòu)建三維模型和施工的依據(jù)，但二維CAD圖紙會存在一定量的錯誤或誤差，且大跨度箱梁設(shè)計比較復(fù)雜，為了滿足結(jié)構(gòu)的需要，需涉及大量的構(gòu)造鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼束，難免會在設(shè)計中出現(xiàn)錯誤或不足?；贐IM優(yōu)化設(shè)計就是對二維施工圖紙審查，主要有兩個方面：① 嚴格對照工程項目進行建模，即對項目進行一次虛擬建造，會使一部分圖紙問題依靠建模師的經(jīng)驗浮現(xiàn)出來；② 利用BIM三維可視化技術(shù)，依靠軟件進行模型三維碰撞檢查，依據(jù)檢查結(jié)果對鋼筋重新進行合理的空間優(yōu)化，完成工程深化設(shè)計，減少返工和經(jīng)濟損失的可能性，并且使優(yōu)化后的三維模型能夠應(yīng)用到后期的BIM方案實施中。

2.2 基于BIM技術(shù)工程量統(tǒng)計

與BIM技術(shù)相比，根據(jù)二維CAD圖紙依靠造價工程師統(tǒng)計工程量的準確率和效率相對較低。BIM是一個富含工程信息的數(shù)據(jù)庫，三維模型中儲存了構(gòu)件的長度、面積、體積幾何信息，對二維圖紙深化設(shè)計建模后可由計算機自動進行統(tǒng)計計算。同時模型要隨著圖紙變更及時更新，保證工程量統(tǒng)計實時準確。

可利用Revit明細表功能，按照族類型、名稱、材料屬性等方式統(tǒng)計工程量。箱梁漸變段鋼筋排布隨著截面變化，鋼筋長度也隨著截面變化，二維圖紙不能表示出每一根鋼筋，用于計算橋梁工程量的工作量大。但利用模型提取工程量高效、準確、可靠。結(jié)合深化設(shè)計，基于BIM工程量提取流程如圖2所示。

圖2 基于BIM工程量提取流程

2.3 基于BIM技術(shù)三維技術(shù)交底

缺乏經(jīng)驗的工人不能夠理解圖紙的設(shè)計意圖，隨著經(jīng)濟迅速發(fā)展，一些新型復(fù)雜結(jié)構(gòu)被廣泛使用，即使經(jīng)驗豐富的工人同樣不能理解圖紙設(shè)計意圖及施工工藝。利用BIM可視化，不僅有力彌補了施工人員對設(shè)計圖紙的理解能力，架設(shè)工人與設(shè)計師之間的橋梁，同時對復(fù)雜工藝進行模擬設(shè)計，利用設(shè)備給工人展示復(fù)雜結(jié)構(gòu)構(gòu)造和施工流程及工藝，在一定程度上提高了施工效率，避免了施工錯誤造成的返工。

三維技術(shù)交底應(yīng)用分兩個層次：① 復(fù)雜結(jié)構(gòu)構(gòu)造三維360°展示，對復(fù)雜構(gòu)件及節(jié)點進行三維建模，利用模型查看軟件或手持端設(shè)備，使工人可以任意角度查看模型，并且進行尺寸測量及對輸入的材料信息、施工工藝信息進行查看；② 對施工工藝進行設(shè)計，對相關(guān)構(gòu)件受力變形及工程量進行計算，考慮安全性和經(jīng)濟效益，利用BIM技術(shù)進行工藝模擬，使用手持端設(shè)備，使工人可以隨時學習和了解施工工藝，基于BIM技術(shù)施工工藝模擬應(yīng)用流程如圖3所示。

圖3 基于BIM技術(shù)施工工藝模擬應(yīng)用流程

2.4 基于BIM技術(shù)三維場地分析

三維場地分析可以節(jié)約場地資源，有效利用施工空間，使各施工工作面互不影響，有序、高效地進行施工作業(yè)。集成建筑物模型和周邊環(huán)境模型，使項目人員直觀獲得施工空間信息，方便規(guī)劃施工場地、交通路線組織及施工工作面利用。

對施工現(xiàn)場三維布置進行建立及優(yōu)化，可以彌補二維場地布置不夠形象直觀的缺點，并且有效展示施工現(xiàn)場各施工區(qū)域和大型臨建、機械設(shè)備的布置效果，輔助管理人員對布設(shè)方案和后續(xù)施工影響進行論證。對場地進行精細化管理，提高場地利用率，減少施工中對農(nóng)田的占用，樹木青苗、電力通訊管線的破壞，無論對環(huán)保還是經(jīng)濟都有益處。

2.5 基于BIM技術(shù)施工進度管理

在橋梁工程規(guī)模不斷增大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度不斷提高的同時，對橋梁工程施工管理也有了更高的要求。將空間信息三維模型與時間信息施工進度計劃關(guān)聯(lián)，形成3D+Time的4D模型，也可以將帶有造價信息的4D模型+Time形成5D模型，不僅可以進行基于時間維度的4D施工模擬，還可以按照計劃時間天、周、月、年提取相應(yīng)的施工計劃工程量需求及資金需求。

施工進度管理，一方面可以輔助項目人員利用4D模型合理制定施工計劃，優(yōu)化資源配置；另一方面可以利用4D模型精確控制施工進度，將計劃進度與現(xiàn)場時間進度進行對比，方便實時調(diào)整，做好應(yīng)對方案，從而達到節(jié)約成本，縮短工期的目的。

2.6 基于BIM技術(shù)施工安全管理

安全問題是項目施工的重中之重?；贐IM技術(shù)施工安全管理有兩個方面：① 利用三維模型可視化直觀地捕捉到施工中存在的安全隱患，稱為可視化安全信息，如高空作業(yè)時，哪些位置存在安全隱患，從而在模型上標記，交給安全管理人員采取相應(yīng)的措施，提高管理效率；② 對于隱形的安全隱患，利用相關(guān)有限元軟件計算分析，找出受力危險點，稱為分析后安全信息，如對模板支架進行受力計算，找出危險部位，在模型中標記說明，進行加固整改，或者調(diào)整支架方案。基于BIM技術(shù)施工安全管理應(yīng)用流程如圖4所示。

圖4 基于BIM技術(shù)施工安全管理流程

3 工程應(yīng)用

3.1 項目概況

新建銀西鐵路銀吳客專，全線長13.8 km，起點位于銀川市河東機場，向西跨黃河至銀川南部。其中56 m現(xiàn)澆簡支箱梁13孔，為17#～30#墩，梁體采用單箱、單室等高度預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡支箱梁，梁頂寬12.2 m，底寬6.7 m，高5.1 m。

3.2 BIM應(yīng)用

56 m箱梁三維BIM模型，其組成的各個構(gòu)件都具有相應(yīng)的工程參數(shù)，可以使用各種參數(shù)來驅(qū)動三維模型。

該項目優(yōu)化設(shè)計主要有兩方面：

(1)建模過程中發(fā)現(xiàn)圖紙問題、修改圖紙問題；

(2)應(yīng)用碰撞檢測進行空間優(yōu)化設(shè)計。

在深化設(shè)計應(yīng)用中，進行Revit箱梁建模時發(fā)現(xiàn)圖紙錯誤問題21處，統(tǒng)一整理交付設(shè)計院變更后進行施工。如圖5所示，為齒塊位置圖與預(yù)應(yīng)力鋼筋位置不對應(yīng)問題。

圖5 齒塊位置圖與預(yù)應(yīng)力鋼筋位置圖對比(單位：cm)

該箱梁構(gòu)造鋼筋和預(yù)應(yīng)力管道在設(shè)計中極易出現(xiàn)沖突問題，常遇到漸變段鋼筋與預(yù)應(yīng)力管道空間位置碰撞，因此首先基于搭建的模型進行碰撞模擬檢測，用來分析設(shè)計中存在的缺陷，提前對圖紙中的設(shè)計錯誤進行修正。根據(jù)項目的特點，碰撞檢測主要為構(gòu)造鋼筋和預(yù)應(yīng)力管道間的檢測。檢測流程為：在Navisworks軟件中導(dǎo)入鋼筋及預(yù)應(yīng)力箱梁模型，設(shè)定鋼筋與預(yù)應(yīng)力管道之間的干涉間距，通過Navisworks軟件會自動生成鋼筋與預(yù)應(yīng)力管道沖突的位置。在碰撞檢查完成后，系統(tǒng)可自動顯示有碰撞沖突的構(gòu)件或?qū)ο蟛⑸膳鲎矝_突報告。

N8號鋼筋與N1號預(yù)應(yīng)力管道碰撞檢測報告顯示：N1號管道與N8號鋼筋發(fā)生碰撞共23處，發(fā)生區(qū)域為梁體漸變段，此區(qū)域鋼筋呈不規(guī)則排布，是設(shè)計考慮不周全所致。

同樣，N7號預(yù)應(yīng)力管道與N9號鋼筋發(fā)生碰撞，此類碰撞在現(xiàn)實中不可能發(fā)生，如圖6所示為原設(shè)計N9號鋼筋與變更后N9號鋼筋對比。

圖6 原設(shè)計N9號鋼筋與變更后N9號鋼筋對比

56 m箱梁變截面段，其形狀不規(guī)則，導(dǎo)致內(nèi)模板的工程量計算難度很大。通過 Revit 軟件對各箱梁進行體量建模，直接查詢其內(nèi)模板的表面積，其一孔梁內(nèi)模面積為901.6 m2。

利用已經(jīng)建立的箱梁鋼筋模型，直接導(dǎo)出鋼筋、鋼絞線，塑料波紋管信息明細表。在明細表中，包含數(shù)量、直徑、長度、體積及制造商等信息，數(shù)據(jù)準確可靠。表2為主要材料工程量統(tǒng)計對比，得出BIM工程量較設(shè)計工程量更接近實際工程量。項目成本部門可以將各類明細表作為編制施工預(yù)算和工程竣工結(jié)算的依據(jù)，有利于控制工程投資和施工成本。

表2 主要材料工程量統(tǒng)計對比

利用Navisworks軟件審閱功能，結(jié)合其特性查看，對箱梁進行三維交底，箱梁三維模型交底內(nèi)容主要包括：① 箱梁結(jié)構(gòu)尺寸、截面變化規(guī)律與細節(jié)特征；② 鋼筋的形狀、間距、直徑、型號、數(shù)量；③ 預(yù)應(yīng)力管道的線形、相對位置、變化規(guī)律、直徑、數(shù)量。

利用Navisworks軟件動畫功能，對箱梁施工工藝和施工流程進行三維交底，圖7為應(yīng)用Navisworks軟件Animator場景動畫模塊對側(cè)?？v移進行模擬(正在縱移中的側(cè)模)。

圖7 側(cè)?？v移

箱梁橫跨黃河西岸農(nóng)田區(qū)域，22#～27#墩段南北分別與鋼梁預(yù)拼場和項目部生活區(qū)相臨，其他區(qū)域均為農(nóng)田，施工現(xiàn)場有臨時支架、材料及其施工機械存在，尤其對于支架拼裝、材料吊裝過程中是否能順利吊裝及其吊車與構(gòu)造設(shè)施是否會發(fā)生碰撞無法通過人腦想象和二維設(shè)計進行判斷，需要借助 BIM 模型進行吊裝過程仿真預(yù)演來進行檢查，以確定吊車站位。根據(jù)材料所處位置與材料目標位置，調(diào)整吊車臂長、仰角、站位等參數(shù)。圖8為正在模擬已經(jīng)完成參數(shù)設(shè)置的吊車吊裝貝雷梁。

圖8 貝雷梁吊裝

該項目原設(shè)計施工方案為節(jié)段拼裝，由于對工期和成本的嚴格控制，提出支架現(xiàn)澆施工方案，應(yīng)用BIM技術(shù)對兩種方案進行比選。

采用Office Project分別根據(jù)兩種施工方案的施工工序及每道工序所用的時間做好56 m箱梁整體施工進度計劃(圖9)，將進度計劃文件導(dǎo)入已經(jīng)保存的NWF文件中，把橋梁三維模型與進度計劃有效集成在一起，利用“TimeLiner”工具添加四維進度，對兩種方案分別進行橋梁施工進度模擬(圖10)及施工工序優(yōu)化，比較工期和所需物資工程量。比選結(jié)果顯示：在工期方面，節(jié)段拼裝工期為611 d，支架現(xiàn)澆工期為286 d，工期縮短275 d，工期效益明顯；在成本方面，節(jié)段拼裝成本為1 866萬元，支架現(xiàn)澆成本為955萬元，成本節(jié)約911萬元，成本效益明顯。

圖9 Project進度計劃

圖10 施工進度模擬圖

最終采用施工方式為支架現(xiàn)澆，現(xiàn)澆支架采用墩梁體系，下部結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)、鋼管樁立柱，上部結(jié)構(gòu)采用剛度大、跨越能力強的新型組合式桁梁，側(cè)模高空自動縱移，支架的轉(zhuǎn)運采用整孔分組整體拆除、轉(zhuǎn)運、安裝。投入3跨支架及底模、1套外模、1套內(nèi)模。箱梁施工從17#向30#墩逐孔施工。具體施工工序為：進行2孔支架架設(shè)，并在貝雷梁上預(yù)壓，完成后鋪設(shè)2孔箱梁底模及進行第1孔側(cè)模、內(nèi)模安裝和鋼筋綁扎，然后進行混凝土澆筑，同時進行第2孔鋼筋的綁扎，待第一孔混凝土強度達到拆模強度拆除側(cè)模，前移側(cè)模至下一孔并安裝內(nèi)膜，澆筑后，混凝土達到張拉強度方可進行張拉、壓漿，拆除底模及支架，依次循環(huán)施工。

同時將現(xiàn)場實際進度情況錄入Timeliner，在實際進度超前或者滯后計劃進度時，使模型顯示不同的顏色，通過播放功能，項目人員直觀了解到哪部分工序滯后，采取措施及時補救，使施工按照計劃有序進行。

在這個過程中，通過生動、直觀的過程模擬，施工人員可以有效分析施工工序是否合理。通過這種可視化施工仿真模擬，對施工進度進行直觀把控，驗證工期安排合理與否，進而對工序和工期進行優(yōu)化。通過不斷模擬和優(yōu)化施工方案，可以及時發(fā)現(xiàn)可能隱藏在橋梁施工中的問題，及時進行相應(yīng)的調(diào)整。

4 結(jié)論

通過對56 m混凝土簡支箱梁支架現(xiàn)澆施工進行BIM應(yīng)用，得出以下結(jié)論：

(1)為56 m混凝土箱梁及支架體系建模提供了借鑒，并提供了參數(shù)化族庫。利用三維模型對箱梁進行深化設(shè)計，減少了圖紙錯誤率，避免了返工。

(2)結(jié)合大跨度混凝土箱梁施工特點及難點，給出基于BIM在大跨度簡支箱梁支架現(xiàn)澆施工應(yīng)用方案。

(3)應(yīng)用BIM技術(shù)進行工程量提取、三維技術(shù)交底、三維場地分析、施工進度管理、施工安全管理，在一定程度上減少材料浪費，提高管理效率，優(yōu)化施工空間，保證安全施工，從而節(jié)約工期，提高經(jīng)濟效益，為大跨度混凝土箱梁支架現(xiàn)澆施工提供了借鑒。

可以看到BIM技術(shù)在施工中的應(yīng)用是可行有效的，但是也存在一定的局限性。后續(xù)研究可以向BIM技術(shù)協(xié)助智慧建造的方向發(fā)展，為中國發(fā)展綠色、現(xiàn)代化的建筑產(chǎn)業(yè)提供支持。