基于BIM技術(shù)的大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)控研究

劉 流

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210017)

為了解決在大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋施工當(dāng)中出現(xiàn)的安全隱患以及偏差超限問題，本文詳細(xì)闡述了大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋BIM模型建立過程進(jìn)行分析，希望能夠?yàn)闃蛄菏┕けO(jiān)控計(jì)算分析提供模型技術(shù)支持。BIM技術(shù)的使用與落實(shí)很多時(shí)候能夠更好的提升橋梁建設(shè)質(zhì)量，從而保證建設(shè)整體效果。

1 橋梁施工監(jiān)控中BIM技術(shù)研究現(xiàn)狀

公路橋梁建設(shè)屬于一項(xiàng)非常龐大與復(fù)雜的系統(tǒng)化工程，這一工程需要建設(shè)團(tuán)隊(duì)內(nèi)部可以開展多個(gè)專業(yè)的密切配合，尤其是在這一過程中需要頻繁的開展多種方式信息交互，比如說業(yè)主、設(shè)計(jì)單位、施工單位、監(jiān)管控制等等多個(gè)方面進(jìn)行溝通與協(xié)作，將設(shè)計(jì)成果轉(zhuǎn)化成為實(shí)際橋梁。大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)儆诙樟汗探Y(jié)無支座、無需轉(zhuǎn)化體系，并且較大的順橋向抗彎剛度和橫橋向抗扭剛度滿足大跨徑的受力要求，柔性橋墩或者雙臂橋墩設(shè)置有利于提高抗震性能，減少墩頂負(fù)彎距峰值的作用。除此之外，橋梁工程尤其是一些比較特殊的大跨徑橋梁，自身技術(shù)較為復(fù)雜，因此更需要在規(guī)劃與設(shè)計(jì)的過程中保存海量的數(shù)據(jù)和信息，方便建設(shè)人員隨時(shí)查詢，從而保證建設(shè)質(zhì)量與建設(shè)效果。圖1為大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的實(shí)際示意圖。

圖1 大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的實(shí)際示意圖

國外學(xué)者在研究的過程中意識(shí)到了BIM技術(shù)在橋梁工程建設(shè)當(dāng)中的作用與效果，先后制定了不同的推廣政策與相關(guān)推廣方式，并且也成立了對(duì)應(yīng)的協(xié)會(huì)和組織，主要目的就是未來在橋梁工程建設(shè)當(dāng)中制定出完善標(biāo)準(zhǔn)與相關(guān)規(guī)程。在橋梁施工的過程中，針對(duì)于橋梁工程也設(shè)定了對(duì)應(yīng)的軟件平臺(tái)，同時(shí)在一些實(shí)際橋梁工程當(dāng)中BIM技術(shù)的使用相當(dāng)成功[1，2]。

大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋采用了懸臂澆筑的施工方法，施工周期較長，并且每段梁體都需要經(jīng)歷掛籃立模、澆筑混凝土、拆模、張拉預(yù)應(yīng)力、掛籃移動(dòng)等等循環(huán)步驟，直到橋梁合龍，梁體懸臂澆筑階段處于懸臂靜定結(jié)構(gòu)，雖然受力形式較為簡單，但是施工階段結(jié)構(gòu)所受荷載較為多變，隨著梁體逐漸加長，梁段撓度增大，怎么保證施工安全、懸臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度滿足要求，以及成橋后橋梁受力合理、應(yīng)力、應(yīng)變滿足規(guī)范要求，這些施工階段質(zhì)量將會(huì)關(guān)系到成橋之后運(yùn)營階段橋梁混凝土開裂以及下?lián)铣潭?，也就是說施工過程中必須要保證施工質(zhì)量，尤其是需要控制施工監(jiān)測(cè)量，保證橋梁順利合龍，保證橋梁應(yīng)力、線形符合設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)與要求。

2 大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋BIM模型

橋梁信息模型的建立屬于橋梁全生命周期的關(guān)鍵基礎(chǔ)，同時(shí)也是開展橋梁施工監(jiān)控信息化、可視化的關(guān)鍵基礎(chǔ)，通過BIM類型建模軟件構(gòu)建大跨徑連續(xù)鋼橋的三維基礎(chǔ)模型，可以將BIM技術(shù)與橋梁施工監(jiān)控有限元計(jì)算模型結(jié)合，為橋梁施工監(jiān)控信息管理平臺(tái)奠定基礎(chǔ)，為橋梁施工監(jiān)控投標(biāo)、技術(shù)較低、成橋荷載實(shí)驗(yàn)提供三維信息模型。公路橋梁建設(shè)屬于一項(xiàng)復(fù)雜龐大的系統(tǒng)工程，在這一工作開展的過程中需要建設(shè)團(tuán)隊(duì)內(nèi)部的多專業(yè)之間的密切配合，頻發(fā)的進(jìn)行多種形式的信息交互，這需要業(yè)主、設(shè)計(jì)單位、施工單位、監(jiān)理等等多個(gè)建設(shè)參與方進(jìn)行的溝通與寫作，共同將設(shè)計(jì)成果實(shí)現(xiàn)為公路橋梁實(shí)體。除此之外，橋梁工程，尤其是較長的橋梁工程自身技術(shù)復(fù)雜，需要在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、制造、管養(yǎng)、監(jiān)測(cè)、加固、拆除等等方面的海量信息進(jìn)行保存與查詢。國外學(xué)者在這一過程中已經(jīng)意識(shí)到了BIM技術(shù)在橋梁工程當(dāng)中應(yīng)用的必要性和緊迫性，并且在這一過程中先后制定了推廣政策、成立了對(duì)應(yīng)的協(xié)會(huì)，制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程。橋梁施工的過程中，針對(duì)于橋梁施工監(jiān)測(cè)開發(fā)了對(duì)應(yīng)的軟件平臺(tái)，并且在一些橋梁工程設(shè)計(jì)當(dāng)中引用了BIM技術(shù)。圖2為使用BIM技術(shù)來對(duì)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的修復(fù)與應(yīng)用。

圖2 BIM技術(shù)對(duì)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的修復(fù)與應(yīng)用

在對(duì)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋建模的過程中，需要根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合相關(guān)技術(shù)來建立滿足BIM技術(shù)要求的BIM技術(shù)模型。BIM模型建立之后，不同階段的BIM模型可以滿足對(duì)應(yīng)階段的項(xiàng)目管理整體需求，具體來說需要滿足八點(diǎn)原則。第一，需要根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際特點(diǎn)，歸納對(duì)應(yīng)的通用參數(shù)，從而更好的提升建模整體效率。第二，橋梁結(jié)構(gòu)命名需要在很多時(shí)候具有一定的邏輯，保證條理處于清晰的狀態(tài)。第三，橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)建材質(zhì)與皮膚需要保證統(tǒng)一，使用針對(duì)性的貼圖。第四，橋梁構(gòu)件需要根據(jù)不同階段來區(qū)分建模的詳細(xì)程度，針對(duì)于本文來說，橋梁施工階段模型需要達(dá)到計(jì)算分析的相關(guān)精確度。第五，模型建模的過程內(nèi)閣中可以使用不同建模階段來分析模型，同時(shí)還可以根據(jù)不同的建模進(jìn)度來對(duì)模型進(jìn)行深化或者輕量化。第六，在實(shí)際建模的過程中需要根據(jù)模型制作出更加標(biāo)準(zhǔn)化的建模分享方式，保證所有的參與者都能夠共享模型信息。第七點(diǎn)則是，構(gòu)建需要通過制作標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)不同階段不同工程師的實(shí)際需求，具體來說就是可以利用同一個(gè)原則來修改對(duì)應(yīng)的模型。第八，建模需要保證邏輯順序，首先開展主體部分，隨后搭建附屬部分，也就是首先在整體上明確相關(guān)位置的主體內(nèi)容，隨后在主體結(jié)構(gòu)上填充對(duì)應(yīng)的構(gòu)件[3，4]。

而當(dāng)下實(shí)際情況是，目前面向公路橋梁行業(yè)的結(jié)構(gòu)物參數(shù)化設(shè)計(jì)，各BIM軟件廠商尚且沒有成熟的產(chǎn)品，很多都是用戶直接使用制造行業(yè)或者建筑行業(yè)的軟件來開展橋梁建模和隧道建模，這些主要是通過軟件的參數(shù)化功能交互來創(chuàng)建出結(jié)構(gòu)物整體模型，但是這些軟件依舊存在很多的問題，比如：

第一，這些軟件不符合工程設(shè)計(jì)的實(shí)際習(xí)慣，僅僅是滿足了三維幾何建模的相關(guān)要求。第二，建模并不針對(duì)于實(shí)際情況的三維線路，定位方式也是使用坐標(biāo)而非工程當(dāng)中的樁號(hào)和高程，這不符合工程設(shè)計(jì)的實(shí)際習(xí)慣，一旦發(fā)生線路變更，那么將會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物難以做出對(duì)應(yīng)調(diào)整。第三，通過這種方式的建模很多時(shí)候都屬于輕量化建模，模型的體量受到了限制。第四，復(fù)雜的參數(shù)約束不僅僅導(dǎo)致建模過程較為麻煩，同時(shí)處理效率較低，這很多時(shí)候?qū)е乱恍?fù)雜建筑物難以使用這種方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。第五，由于沒有給予線路模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此很多時(shí)候無法獲得線路資料，設(shè)計(jì)精度受到了嚴(yán)重的限制。第六，由于橋梁幾何計(jì)算以及出圖需要針對(duì)于路線信息進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此這類軟件很多時(shí)候難以滿足實(shí)際出圖需求。針對(duì)于這一問題，未來需要進(jìn)一步開發(fā)相關(guān)軟件，逐步實(shí)現(xiàn)橋梁參數(shù)化設(shè)計(jì)。

3 大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)控分析

施工控制計(jì)算很多時(shí)候需要包括設(shè)計(jì)符合性計(jì)算、施工控制初期方針計(jì)算、跟蹤方針計(jì)算。設(shè)計(jì)符合性計(jì)算愮根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙來提供對(duì)應(yīng)的施工工序和結(jié)構(gòu)池遜，同時(shí)設(shè)計(jì)圖紙和設(shè)計(jì)規(guī)范給出的餐料參數(shù)需要得到計(jì)算與分析，同時(shí)與設(shè)計(jì)方校對(duì)參數(shù)取值、便捷條件、計(jì)算結(jié)果。施工控制初期仿真計(jì)算需要根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)確定的施工程序來開展，從而獲取各個(gè)施工階段以及成橋狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)受力和相關(guān)變形情況，從而更好的控制計(jì)算目標(biāo)數(shù)據(jù)。跟蹤方針計(jì)算需要根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析、反饋控制等等得到的更新和參考數(shù)值以及相關(guān)施工流程進(jìn)行分析，進(jìn)行工程的總體計(jì)算，主要是為了得到后續(xù)施工各個(gè)階段以及成橋的結(jié)構(gòu)受力和變形等控制計(jì)算目標(biāo)數(shù)據(jù)。為了優(yōu)先的溝通設(shè)計(jì)單位、施工監(jiān)控咨詢單位、施工單位關(guān)于橋梁施工監(jiān)控計(jì)算模型，避免發(fā)生重復(fù)建模的情況，同時(shí)也能夠成功的遠(yuǎn)離信息孤島，讓大家實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的共享。針對(duì)于BIM技術(shù)，通過參數(shù)化的方式建模來生成的三維模型，還可以將BIM模型導(dǎo)入分析軟件開展分析計(jì)算，實(shí)現(xiàn)高效的施工監(jiān)控分析計(jì)算工作[5，6]。圖3為BIM模型與施工監(jiān)控方針計(jì)算結(jié)合流程。

圖3 BIM模型與施工監(jiān)控方針計(jì)算結(jié)合流程

對(duì)于大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)控工作來說，在這一工作當(dāng)中需要注重對(duì)于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與分析，通過已經(jīng)建立的BIM模型進(jìn)行仿真分析，同時(shí)還需要注意利用橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別機(jī)理和云端數(shù)據(jù)庫來及時(shí)的更新結(jié)構(gòu)自身狀態(tài)和力學(xué)性能信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)施工階段和成橋后安全評(píng)估和預(yù)警。通過這一方式，能夠擁有施工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)瀏覽、統(tǒng)計(jì)分析、監(jiān)控報(bào)表、監(jiān)控預(yù)警等等功能，讓參與建設(shè)各方掌握實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，同時(shí)監(jiān)控人員還可以通過平臺(tái)自動(dòng)生成橋梁施工監(jiān)測(cè)應(yīng)力測(cè)試記錄表、標(biāo)高測(cè)量記錄表、幾何測(cè)量記錄表、溫度測(cè)試記錄表、立模指令表等等。在大跨徑橋梁施工監(jiān)控的過程中經(jīng)常會(huì)遇到實(shí)際橋梁線形與理性線形、實(shí)際預(yù)應(yīng)力與設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力、實(shí)際應(yīng)力與理論應(yīng)力不相符的情況，這些情況在所難免，因此對(duì)于施工監(jiān)控管理人員也提出了更高的分析決策要求，需要做出理性的分析，才能夠盡量避免誤差的存在。

在橋梁建模總體原則當(dāng)中，主要分為八個(gè)步驟：首先是根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行分析，歸納對(duì)應(yīng)的參數(shù)，提高建模的整體效率。其次則是需要針對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行命名，在這一過程中需要保證橋梁條理更加清晰。再次則是需要保證橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)建的材質(zhì)與皮膚需要統(tǒng)一，針對(duì)性的完成貼圖。第四額則是需要保證橋梁構(gòu)件則是需要根據(jù)不同階段來區(qū)別建模的詳細(xì)程度，針對(duì)于本文的橋梁施工階段模型達(dá)到計(jì)算的分析精度。第五，模型建模的過程中可以通過不同的建模階段來共享模型，根據(jù)不同的模型精度來深化或者輕量化模型。第六則是需要根據(jù)模型制作標(biāo)準(zhǔn)化，讓所有參與人員都可以共享模型信息。

目前來說面對(duì)公路橋梁行業(yè)的結(jié)構(gòu)物參數(shù)化設(shè)計(jì)，各BIM軟件廠商還沒有成熟的產(chǎn)品，有些用戶直接使用制造業(yè)或者建筑業(yè)的軟件來進(jìn)行橋梁建模和隧道建模，目前主要利用這些軟件的參數(shù)化功能來交互的創(chuàng)建結(jié)構(gòu)物模型，但是由于這些軟件主要是面對(duì)制造業(yè)和建筑業(yè)來開發(fā)，使用他們來進(jìn)行結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)存在很多的問題，比如說不符合工程設(shè)計(jì)習(xí)慣，只滿足了三維幾何建模的要求；建模不是基于實(shí)際的三維線路，定位方式采用坐標(biāo)而不是樁號(hào)高程，不符合設(shè)計(jì)習(xí)慣，線路發(fā)生變更，那么結(jié)構(gòu)物難以做出調(diào)整；模型體量受到限制和影響；復(fù)雜的參數(shù)約束不僅僅導(dǎo)致建模過程較為麻煩，同時(shí)處理效率較低，導(dǎo)致其無法真正解決復(fù)雜的結(jié)構(gòu)物；由于沒有基于線路模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，這導(dǎo)致無法準(zhǔn)確的獲取線路資料，設(shè)計(jì)精度受到了一定的限制和影響；由于橋梁幾何計(jì)算及出土必須要針對(duì)于路線信息來開展，這類軟件很多時(shí)候難以滿足實(shí)際生產(chǎn)過程中的詳細(xì)設(shè)計(jì)出圖要求。

因此，針對(duì)于這些問題，未來需要進(jìn)一步開發(fā)對(duì)應(yīng)的軟件，逐漸實(shí)現(xiàn)橋梁的參數(shù)化設(shè)計(jì)工作，而想要解決橋梁參數(shù)設(shè)計(jì)問題，重點(diǎn)在于以下幾個(gè)工作方面。參數(shù)化要求需要實(shí)現(xiàn)全橋構(gòu)件的關(guān)聯(lián)化，同時(shí)在這一過程中還需要實(shí)現(xiàn)橋梁與線路的關(guān)聯(lián)化，這樣才能夠保證設(shè)計(jì)變更的快速完成，方便開展多個(gè)方案的對(duì)比與篩選，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)橋梁幾何模型的以及結(jié)構(gòu)的分析模型一體化，保證橋梁構(gòu)造模型實(shí)現(xiàn)完全關(guān)聯(lián)。這樣一來將會(huì)大大的簡化整體結(jié)構(gòu)分析建模過程，同時(shí)也能夠避免數(shù)據(jù)傳遞的錯(cuò)誤，輕松完成方案的變更以及多個(gè)方案的比較，同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)三維模型與二維圖紙之間的關(guān)聯(lián)，三維設(shè)計(jì)完成之后可以自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的二維圖紙，并且在三維模型發(fā)生變更的情況下，隨時(shí)更新對(duì)應(yīng)的二維圖紙。

4 結(jié)束語

根據(jù)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)控項(xiàng)目的實(shí)際要求可以看出，在未來使用BIM技術(shù)進(jìn)行建模的過程中，需要根據(jù)橋梁實(shí)際情況以及BIM技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)來做出一定的權(quán)衡，保證整體監(jiān)控水平。國內(nèi)外針對(duì)于BIM技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)開展多年，但是針對(duì)于施工階段中質(zhì)量監(jiān)測(cè)管控軟件平臺(tái)的研發(fā)依舊處于初步階段，未來想要更加系統(tǒng)的開展BIM技術(shù)在大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)控當(dāng)中的使用，就需要針對(duì)于質(zhì)量監(jiān)測(cè)管控平臺(tái)進(jìn)行研究與加強(qiáng)。