BIM和Mi das 軟件在鋼箱梁施工中的組合應(yīng)用

李佶桐

（中交四公局第三工程有限公司，北京 100123）

1 工程概況

貴州江玉高速岳家寨樞紐互通E 匝道橋跨既有S30 江都高速公路、岳家寨樞紐互通E 匝道橋第2 聯(lián)上部結(jié)構(gòu)（8.5 m+10 m+9.5 m+8 m）采用1 聯(lián)鋼混組合梁，其中，鋼箱梁主材采用Q345q-C 鋼材。鋼箱梁位于11～12 號(hào)墩，全幅位于緩和曲線上，采用單箱雙室等截面連續(xù)鋼箱梁，長(zhǎng)度為36 m，總重181.6 t，順橋向布置縱向板肋，每隔1.5 m 設(shè)置1 道橫隔板，橫隔板分為實(shí)腹式橫隔板及框架式橫隔板。結(jié)構(gòu)吊裝盡可能采用大塊件，以減少現(xiàn)場(chǎng)焊縫數(shù)量，拼接縫不應(yīng)設(shè)在支點(diǎn)和跨中附近，連接方式均采用焊接形式。

2 BIM技術(shù)和Mi das 軟件介紹

BIM 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)集成化設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)等，從而給施工帶來(lái)極大的便利。

在施工階段，利用BIM 技術(shù)可以建立精確的、完整的三維可視化設(shè)計(jì)模型，尤其對(duì)本工程涉及跨既有高速公路鋼箱梁施工，由于鋼箱梁跨既有高速拼裝施工復(fù)雜、交通及施工風(fēng)險(xiǎn)較大，因此，利用BIM 技術(shù)模擬施工過(guò)程和施工現(xiàn)場(chǎng)，可以降低施工風(fēng)險(xiǎn)和成本。

邁達(dá)斯（Midas）有限元分析軟件，主要用于地下結(jié)構(gòu)、工業(yè)結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)，特別是橋梁結(jié)構(gòu)Midas 軟件中，基本涵蓋了國(guó)內(nèi)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，目前在各大高速公路、鐵路等工程建設(shè)中被廣泛采用。本工程鋼箱梁臨時(shí)支撐的搭設(shè)、使用、拆除過(guò)程中，利用Midas 軟件對(duì)臨時(shí)支撐進(jìn)行受力分析驗(yàn)算，相比于傳統(tǒng)手算，其分析完畢即可查看結(jié)果，將一堆枯燥的數(shù)字通過(guò)軟件的運(yùn)算轉(zhuǎn)化成生動(dòng)的云圖，更直觀明了[1]。

3 BIM技術(shù)在鋼箱梁施工中的運(yùn)用

在岳家寨樞紐互通E 匝道橋跨江都高速項(xiàng)目中，BIM 技術(shù)建模主要解決的是本工程在施工過(guò)程中鋼箱梁的分段架設(shè)及交通導(dǎo)改之間的問(wèn)題。針對(duì)此，BIM 技術(shù)可提供更清楚的三維展示。E 匝道橋鋼箱梁上跨江都高速公路，交角87.8°，本工程位于半徑為70 m 的圓曲線上，縱斷面位于半徑為1 800 m 的豎曲線上。

鑒于E 匝道橋鋼箱梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中豎曲線及平曲線設(shè)計(jì)較大，結(jié)構(gòu)構(gòu)造比較復(fù)雜，利用傳統(tǒng)的二維施工圖對(duì)鋼箱梁進(jìn)行加工和拼裝會(huì)產(chǎn)生偏差，最終會(huì)使鋼箱梁的整體線形無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)施工圖具有線條復(fù)雜、空間關(guān)系表達(dá)不清晰、不易發(fā)現(xiàn)問(wèn)題等缺點(diǎn)。

對(duì)此，使用BIM 技術(shù)可獲得三維可視化圖形，其采用三維立體建模代替二維平面成像，具有道路關(guān)系清晰、展示一目了然、可以快速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)。因此，采用BIM 技術(shù)可有效幫助工程進(jìn)行合理的施工組織和設(shè)計(jì)，減少道路交通和安全方面的影響，優(yōu)化施工工期。

另外，BIM 技術(shù)將施工場(chǎng)地布置和橋梁模型組合放入施工模擬軟件內(nèi)，利用軟件模擬整個(gè)鋼箱梁拼裝施工過(guò)程。通過(guò)利用更加直觀、立體的三維動(dòng)畫模擬，找出鋼箱梁拼裝過(guò)程中有可能出現(xiàn)的難點(diǎn)和危險(xiǎn)點(diǎn)，并針對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化，從而形成能夠用以指導(dǎo)鋼箱梁施工的可實(shí)施性方案，確保鋼箱梁安裝過(guò)程的順利和施工質(zhì)量，提高實(shí)際安裝效率和精準(zhǔn)度。

BIM 技術(shù)在提取鋼箱梁各零件的信息并優(yōu)化后，可以對(duì)鋼箱梁的零件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，從而確定各組件的規(guī)格和數(shù)目清單，并根據(jù)清單使用自動(dòng)化智能排版技術(shù)完成自動(dòng)排版、檢查調(diào)整，最終獲得下料圖。不僅如此，BIM 技術(shù)還能在利用原料進(jìn)行數(shù)字化精準(zhǔn)切割下料后，對(duì)照模型和下料編號(hào)進(jìn)行依次組合，依次按照正確的焊接順序完成構(gòu)件的焊接，并進(jìn)行檢查校正。

完成上述步驟后，就可以根據(jù)模擬預(yù)安裝進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施性拼裝，鋼箱梁吊裝到位后先進(jìn)行初步定位，再通過(guò)微調(diào)設(shè)備完成精準(zhǔn)定位，最后進(jìn)行焊接。

4 Mi das 軟件在臨時(shí)支撐計(jì)算中的運(yùn)用

本工程E 匝道橋鋼箱梁中間臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)由橫梁（分配梁）及立柱組成：

1）分配梁采用熱軋H 型鋼HM300 mm×300 mm×10 mm×15 mm 制作，立柱采用φ450 mm×10 mm 鋼管，中間橫、斜撐采用角鋼P(yáng)180×10 連接成整體；

2）用φ450 mm×10 mm 的鋼管組成2×3m 井字型支架；

3）材料均為Q235B；

4）抗拉、抗壓、抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為215 N/mm2；

5）抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為125 N/mm2。

4.1 岳家寨E匝道第4 聯(lián)鋼箱梁分段劃分

依照設(shè)計(jì)圖紙的要求，綜合考慮鋼箱梁（結(jié)構(gòu)節(jié)段劃分見圖1）分段廠內(nèi)制造、運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)安裝等因素的影響，確定以下分段原則：

圖1 鋼箱梁結(jié)構(gòu)節(jié)段劃分

1）盡可能減少現(xiàn)場(chǎng)焊縫數(shù)量，分段劃分主要采用橫向和縱向劃分方式。

2）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定分段質(zhì)量和長(zhǎng)度，最大限度地減少現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量，采用大構(gòu)件、大跨度吊裝。

3）鋼箱梁為單箱雙室，分段寬度控制在4.8 m 內(nèi)，長(zhǎng)度以中分帶臨時(shí)支撐為基準(zhǔn)劃分。

4.2 岳家寨E匝道第2 聯(lián)鋼箱梁分段參數(shù)

岳家寨E 匝道第2 聯(lián)鋼箱梁分段參數(shù)見表1。

表1 E匝道第2 聯(lián)鋼箱梁分段參數(shù)表

4.3 有限元模型的建立

采用Midas 軟件對(duì)施工過(guò)程中的臨時(shí)支撐體系進(jìn)行強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性分析，其中的要點(diǎn)如下：

1）定義單位體系。kN（應(yīng)力），m（長(zhǎng)度）。

2）確定結(jié)構(gòu)類型。Midas 軟件是為分析三維空間結(jié)構(gòu)而開發(fā)的。

3）建立結(jié)構(gòu)模型。建立節(jié)點(diǎn)和單元，節(jié)點(diǎn)一般建在支撐部位、集中荷載、2 個(gè)單元的連接處、邊界條件等部位，節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)定義為三維空間坐標(biāo)，單元均采用一般梁?jiǎn)卧?/p>

4）定義材料和截面特性。包含臨時(shí)支撐所用的材料和截面材料。

5）定義荷載和荷載組合。包括移動(dòng)荷載、恒荷載、風(fēng)荷載等。

6）定義邊界條件。根據(jù)實(shí)際情況將約束臺(tái)架柱底3 個(gè)方向的平動(dòng)自由度定義為：X 向平行于紙面水平向右為正：Y 向平行于紙面水平向上為正；Z 向垂直于紙面向外為正。

7）定義施工階段。根據(jù)各工況，激活和鈍化結(jié)構(gòu)組、邊界組和荷載組。

8）運(yùn)行結(jié)構(gòu)分析。

5 BIM技術(shù)、Mi das 軟件與傳統(tǒng)手算方法的對(duì)比分析

1）運(yùn)用BIM 技術(shù)可助力工程項(xiàng)目數(shù)字化變革，即通過(guò)虛擬建模和真實(shí)地貌相輔相成，從而實(shí)現(xiàn)工程實(shí)體的數(shù)字化和環(huán)境要素的可視化。

2）BIM 技術(shù)可視化模型將傳統(tǒng)的二維線條式的鋼箱梁結(jié)構(gòu)，形成了一種三維的立體實(shí)物圖，更直觀、更真實(shí)。

3）BIM 技術(shù)能夠從根本上改變依靠符號(hào)文字形式圖紙進(jìn)行項(xiàng)目施工管理的方式，從而在建設(shè)項(xiàng)目全生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)提高工作效率和質(zhì)量、減少錯(cuò)誤和風(fēng)險(xiǎn)的目標(biāo)。

4）相對(duì)于傳統(tǒng)的手算，Midas 軟件計(jì)算精度更高，可以很好地輔助鋼箱梁施工過(guò)程的控制管理，使施工過(guò)程可借助計(jì)算結(jié)果，做到有的放矢，抓重點(diǎn)、抓關(guān)鍵，與此同時(shí)，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。

5）Midas 軟件計(jì)算過(guò)程更為細(xì)化，且計(jì)算結(jié)果能夠可視化。但傳統(tǒng)手算方法往往更注重結(jié)構(gòu)的使用功能，忽略了結(jié)構(gòu)施工過(guò)程，這為后續(xù)結(jié)構(gòu)施工埋下了較大的安全隱患。

6）Midas 軟件僅通過(guò)建立模型以及輸入各種荷載和邊界條件就可以得到各種荷載下的結(jié)構(gòu)受力計(jì)算結(jié)果，大幅度地減少了重復(fù)的計(jì)算工作，從而提高了效率。

6 結(jié)語(yǔ)

BIM 技術(shù)的出現(xiàn)引發(fā)了工程建設(shè)領(lǐng)域的第二次數(shù)字革命，不僅帶來(lái)現(xiàn)有技術(shù)的進(jìn)步與更新?lián)Q代，也將影響生產(chǎn)組織模式與管理模式的變革，這將推動(dòng)人們思維模式的轉(zhuǎn)變。施工組織就是對(duì)施工活動(dòng)實(shí)行科學(xué)管理的重要手段，通過(guò)BIM 技術(shù)，可以對(duì)施工重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行可見性模擬，提高工程的可造性。Midas 軟件以往多運(yùn)用于永久結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，而在臨時(shí)結(jié)構(gòu)計(jì)算方面運(yùn)用較少，如果施工（監(jiān)理）單位的人員熟練掌握并運(yùn)用該軟件，將使結(jié)構(gòu)計(jì)算精度大大提高，而且有利于施工過(guò)程的安全控制；同時(shí)，臨時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也將更加優(yōu)化，從而大大提高項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。