基于BIM 城市橋梁工程設(shè)計(jì)與施工優(yōu)化研究

孫艷

（江蘇中設(shè)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 無錫 214000）

網(wǎng)絡(luò)以及通信技術(shù)的發(fā)達(dá)使得越來越多的高新技術(shù)出現(xiàn)在人們的視野，高新技術(shù)的出現(xiàn)使得各個(gè)領(lǐng)域都開始出現(xiàn)了翻天覆地的變化。其中BIM 技術(shù)就是眾多新興技術(shù)中的一種，目前BIM 技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到了建筑領(lǐng)域，并且也取得了很好的效果。城市橋梁作為建筑領(lǐng)域的一項(xiàng)基本建筑工程，也將BIM 技術(shù)充分的結(jié)合到了橋梁的施工與設(shè)計(jì)過程當(dāng)中。

1 BIM 的含義

BIM 的中文全稱是建筑信息模型，是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來為整個(gè)建筑領(lǐng)域提供服務(wù)的管理理念。BIM 從準(zhǔn)確意義上來說并不是一種技術(shù)或者是一種模型，它其實(shí)是一種可以進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的管理理念，該種管理理念將設(shè)計(jì)、管理等因素統(tǒng)一的包含在內(nèi)，對(duì)各個(gè)因素之間進(jìn)行協(xié)調(diào)，最終設(shè)計(jì)最科學(xué)合理的方案。

2 實(shí)際工程項(xiàng)目中的BIM 技術(shù)運(yùn)用

在無錫地區(qū)，近年來BIM 發(fā)展及運(yùn)用一直位于全國領(lǐng)先位置，對(duì)于城市快速路、快速通道、主干道這類的項(xiàng)目均進(jìn)行全線建模分析。目前常用的BIM 模型標(biāo)準(zhǔn)有Revit、Civil3D、CAD。

在無錫快速路工程中，建模分析了全線工程的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)合理性，其中高架橋的承臺(tái)標(biāo)高設(shè)置，高架橋全橋工程量核查工作，隧道施工工序的合理性都通過模擬建模得到校核、修正并優(yōu)化。

圖1

另外，在設(shè)計(jì)中得到充分運(yùn)用的南通某城市段航道整治工程中，城市橋梁設(shè)計(jì)作為項(xiàng)目試點(diǎn)，進(jìn)行了系統(tǒng)的全生命周期的BIM 運(yùn)用。

以該項(xiàng)目一座變截面預(yù)應(yīng)力混凝土懸澆連續(xù)箱梁建模為例。本橋共建立混凝土組合段箱梁模板4 種、立柱模板5種、承臺(tái)模板3 種、橋臺(tái)模板1 種、護(hù)欄模板1 種。BIM 模型共包含5 聯(lián)混凝土組合箱梁等寬段、1 聯(lián)變高懸澆梁、立柱（不含橋臺(tái)）68 根、承臺(tái)12 個(gè)、樁基150 余根，以及全線防撞護(hù)欄、橋面鋪裝及支座系統(tǒng)。

圖2 總體模型

圖3 主橋組合箱梁模型

在前期設(shè)計(jì)過程中，全橋縱向結(jié)構(gòu)計(jì)算共設(shè)置節(jié)點(diǎn)126個(gè)，單元117 個(gè)，邊界條件數(shù)量8 個(gè)，模擬施工階段狀況41個(gè)。根據(jù)計(jì)算模擬，本橋按照全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)構(gòu)件各階段各效應(yīng)組合下應(yīng)力、抗力驗(yàn)算均滿足規(guī)范要求。

圖4

a.正截面抗彎承載能力驗(yàn)算：

圖5

b.斜截面抗剪承載能力驗(yàn)算：

圖6

c. 持久狀態(tài)下正截面混凝土法向拉、壓應(yīng)力驗(yàn)算σkc＋σpt= 15.69MPa ≤0.5fck= 16.20MPa ，σcp= 15.71MPa ≤0.6fck= 19.44MPa，均滿足規(guī)范要求。

另外，橋梁橫向端橫梁計(jì)算中，采用midas 2019 進(jìn)行PSC 構(gòu)件計(jì)算分析。取懸澆梁中支點(diǎn)截面，建立工字型截面分析計(jì)算模型。模型共計(jì)15 個(gè)節(jié)點(diǎn)，14 個(gè)單元。

圖7

將縱向計(jì)算端支點(diǎn)處的縱向支點(diǎn)力，按照橫向支座恒載均勻分布縱向力，活載按橫向分布偏載最不利車道分布支座力，對(duì)端橫梁構(gòu)件加載計(jì)算。通過計(jì)算，端橫梁在各階段各效應(yīng)組合下應(yīng)力、抗力驗(yàn)算均滿足規(guī)范要求。

圖8 正截面抗彎承載能力驗(yàn)算結(jié)果

圖9 斜截面混凝土的主壓應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果

σcp= 6.57MPa≤0.6fck= 19.44MPa，滿足規(guī)范要求。

按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，結(jié)構(gòu)縱向計(jì)算，橫向計(jì)算均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)鋼束布置及有效預(yù)應(yīng)力均達(dá)到規(guī)范要求。很難核查出縱向與橫向之間發(fā)生的鋼筋、鋼束之間的碰撞干擾問題，這個(gè)問題也成為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引起設(shè)計(jì)變更的一個(gè)常見問題。往往都是在施工中鋼束波紋管放樣過程中才能發(fā)現(xiàn)縱橫向鋼束或鋼筋發(fā)生干擾的問題。一旦發(fā)生這樣的問題，施工已進(jìn)入鋼束放樣階段，設(shè)計(jì)調(diào)整余地很小，鋼束索形很難進(jìn)行空間避讓，經(jīng)常不得不進(jìn)行重新布置鋼束或者割斷鋼筋等措施，很難保證施工精度和設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)性，影響結(jié)構(gòu)受力性能和使用壽命。

本項(xiàng)目通過BIM 建模在“錯(cuò)、漏、碰”核查過程中，主要就鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼束碰撞進(jìn)行核查，橫梁位置縱橫向鋼束與鋼筋骨架間碰撞核查；結(jié)合傾斜攝影技術(shù)及測量資料，新老橋下部碰撞核查以及征拆調(diào)查復(fù)核；結(jié)合物探資料，新橋與現(xiàn)狀管線碰撞核查。避免設(shè)計(jì)中空間問題，大大提高設(shè)計(jì)正確性、設(shè)計(jì)精度準(zhǔn)度，也提高了設(shè)計(jì)人員的工作效率。

圖10 端橫梁縱橫向鋼束碰撞

利用傾斜攝影技術(shù)建立實(shí)景三維模型，精度為3cm 級(jí)別,為設(shè)計(jì)方案提供真實(shí)的可視化三維環(huán)境，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量。

圖11 本項(xiàng)目橋位處成果展示

3 應(yīng)用BIM 的城市橋梁工程的設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

3.1 提升初步設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性

BIM 在設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用很好的彌補(bǔ)了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式的不足，不僅使得測量的數(shù)據(jù)變的更加準(zhǔn)確，其自動(dòng)收集以及分析數(shù)據(jù)的作用還節(jié)省了時(shí)間、金錢以及人力的耗費(fèi)，提升了設(shè)計(jì)過程的工作效率。

3.2 提升技術(shù)以及施工設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性

在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用BIM 可以及時(shí)掌握人們的需求信息，使得城市橋梁的設(shè)計(jì)更加貼合客戶的需求，避免了反復(fù)更改設(shè)計(jì)方案的情況出現(xiàn)。在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用BIM 還可以減少實(shí)際施工過程中意外情況的發(fā)生，這是因?yàn)樵谶M(jìn)行城市橋梁設(shè)計(jì)的過程中可以通過BIM 對(duì)橋梁的施工過程進(jìn)行動(dòng)畫模擬，及時(shí)的發(fā)現(xiàn)實(shí)際施工時(shí)可能出現(xiàn)的問題，并提前采取預(yù)備措施，防止意外情況在實(shí)際施工過程中出現(xiàn)。并且，建筑單位還可以根據(jù)模擬建筑動(dòng)畫及時(shí)的發(fā)現(xiàn)實(shí)際施工與設(shè)計(jì)方案中的不符合之處，及時(shí)的修改施工方案，使得施工方案更加貼合實(shí)際。

運(yùn)用BIM 技術(shù)對(duì)施工圖設(shè)計(jì)進(jìn)行校核，完善施工單位對(duì)設(shè)計(jì)文件的理解，有效的減少了因“錯(cuò)、漏、碰”導(dǎo)致的設(shè)計(jì)變更和工程浪費(fèi)。

4 應(yīng)用BIM 的城市橋梁工程的施工優(yōu)化研究

將BIM 應(yīng)用到施工過程中有利于實(shí)現(xiàn)施工工序、施工進(jìn)度以及施工管理的優(yōu)化。首先施工單位可以通過BIM 將施工方案和施工場地的實(shí)際情況進(jìn)行相結(jié)合，進(jìn)而制定出符合實(shí)際情況的施工工序。并且可通過BIM 對(duì)整個(gè)施工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。其次，通過BIM 對(duì)施工進(jìn)度進(jìn)行合理的把控，通過BIM 對(duì)施工過程進(jìn)行科學(xué)有效的管理，通過BIM 來降低施工過程的管理難度，通過BIM 對(duì)施工人員進(jìn)行合理的任務(wù)范圍分配，并且在施工過程中可以及時(shí)的調(diào)動(dòng)施工人員從事具體的工作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)施工人員的高效管理，降低在施工過程中出現(xiàn)問題的可能性。

結(jié)束語

根據(jù)以上的闡述可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)和施工環(huán)節(jié)是城市橋梁建設(shè)過程中的重要環(huán)節(jié)，在BIM 出現(xiàn)之前，這兩個(gè)環(huán)節(jié)一直采用的都是傳統(tǒng)的方式，因此橋梁的質(zhì)量和外觀都沒有得到質(zhì)地上的提升。自從BIM 開始應(yīng)用到城市橋梁設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)中，橋梁質(zhì)量開始有了明顯的提升。本文對(duì)BIM 橋梁設(shè)計(jì)以及施工環(huán)節(jié)的優(yōu)化作用進(jìn)行了詳細(xì)的分析和討論，希望得出的結(jié)果可以為城市交通建設(shè)領(lǐng)域提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)該領(lǐng)域發(fā)展空間的進(jìn)一步延伸和拓展。