BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)橋梁中的應(yīng)用研究

李晨亮

（山西建筑工程集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000）

BIM技術(shù)在國內(nèi)工程領(lǐng)域獲得了較快的發(fā)展速度，有關(guān)其理論以及工程應(yīng)用點(diǎn)的研究逐步增多，并且也變得越來越清晰和明確。在最初的發(fā)展階段，BIM技術(shù)主要被應(yīng)用至房屋建筑領(lǐng)域，隨著其進(jìn)一步發(fā)展其在橋梁、道路以及隧道工程中的應(yīng)用頻率逐漸提高。鋼架構(gòu)橋梁主要具有組成部件工業(yè)化、裝配化以及數(shù)字化等優(yōu)勢，因此在橋梁工程中得到廣泛應(yīng)用。但是，鋼結(jié)構(gòu)橋梁同樣存在的較多的施工難度，比如空間位置關(guān)系比較復(fù)雜以及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜等。面對大型、特大型橋梁項(xiàng)目迅速增多的發(fā)展背景，傳統(tǒng)的CAD土質(zhì)已經(jīng)難以滿足施工進(jìn)度以及施工成本管理需要，因此應(yīng)當(dāng)積極探索鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)過程規(guī)劃、設(shè)計、施工、運(yùn)營維護(hù)等階段有效應(yīng)用BIM技術(shù)的途徑以及應(yīng)用要點(diǎn)，以此來提升橋梁工程的工業(yè)化、信息化以及智能化程度。

1 鋼結(jié)構(gòu)橋梁項(xiàng)目現(xiàn)狀

鋼結(jié)構(gòu)在我國橋梁工程中的應(yīng)用范圍變得越來越廣泛，在AutoCAD等技術(shù)手段的支撐作用下，鋼結(jié)構(gòu)承包商、制造商以及專門的鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計公司對鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計水平不斷提升。并且，從整體情況來看，鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)的制作水平以及施工單位的現(xiàn)場管理水平相較于以前也有了大幅度的提升。但是，縱觀鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)項(xiàng)目，依舊存在不容忽視的問題。

1）首先，現(xiàn)階段建筑設(shè)計環(huán)節(jié)和結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)依舊處于相互獨(dú)立的狀態(tài)，增大了節(jié)點(diǎn)碰撞以及構(gòu)件缺失等問題的發(fā)生概率，會嚴(yán)重降低整體的設(shè)計質(zhì)量?，F(xiàn)階段，國內(nèi)基本上都由鋼結(jié)構(gòu)承包商以及制造商等承擔(dān)鋼結(jié)構(gòu)深化工作，其需要對尺寸精度以及正確性負(fù)責(zé)。因此，鋼結(jié)構(gòu)承包商以及制造商需要對設(shè)計意圖進(jìn)行反復(fù)核對，同時還需要繪制相關(guān)圖紙對尺寸、截面以及材質(zhì)等進(jìn)行清晰的反映，會產(chǎn)生巨大的工作量，如果發(fā)生設(shè)計變更或者調(diào)整施工工藝的情況，設(shè)計人員需要對大量的原設(shè)計圖紙進(jìn)行核對，不僅工作效率比較低下還容易產(chǎn)生一系列的遺漏問題。如果鋼結(jié)構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，難以應(yīng)用AutoCAD明確表達(dá)部分空間異形零構(gòu)件。

2）鋼結(jié)構(gòu)橋梁零構(gòu)件在進(jìn)行制作加工時，需要反復(fù)裝配和阻焊，難以調(diào)整焊接扭曲變形問題，應(yīng)當(dāng)控制鋼結(jié)構(gòu)截面焊接誤差不超過3mm。大部分鋼結(jié)構(gòu)橋梁工程工期較緊，加工制造工期和工地安裝施工具有緊密聯(lián)系，但是鋼結(jié)構(gòu)加工廠的產(chǎn)能處于固定狀態(tài)，因此必須要對焊接及裝配施工順序進(jìn)行合理安排。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件拼裝包括多個施工步驟，運(yùn)用分段吊裝的方法雖然簡便易行以及有效避免了大參數(shù)起重設(shè)備。但是，在進(jìn)行分段吊裝時需要應(yīng)用數(shù)量較多的拼裝胎架，具有較高的拼裝場地要求。大量的高空作業(yè)也明顯增加了安全保障的難度，滋生了大量的安全措施費(fèi)用。再加上節(jié)段制作工藝相對來說比較復(fù)雜，都降低了預(yù)制拼裝效率。

3）除了上述問題外，鋼結(jié)構(gòu)橋梁加工制造和安裝信息管理方式相對來說比較落后，依舊以二維圖紙等文本資料進(jìn)行信息傳遞的方式為主。在制作和拼裝零構(gòu)件時，也會存在較多的溝通障礙，導(dǎo)致返工重做以及安裝等問題發(fā)生概率明顯增大，對鋼結(jié)構(gòu)橋梁的進(jìn)一步發(fā)展產(chǎn)生明顯的制約影響。比如，在對零構(gòu)件材料清單進(jìn)行統(tǒng)計的過程，相關(guān)人員需要依據(jù)零件編號對零件的規(guī)格、數(shù)量以及重量等進(jìn)行一一計算，這一過程會耗費(fèi)較長的工期，同時也頻繁發(fā)生錯、漏、多等問題，在發(fā)生設(shè)計變更之后還需要對變更部分的設(shè)計材料清單進(jìn)行重新計算，嚴(yán)重影響了整體工作效率。鋼結(jié)構(gòu)橋梁項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，并且結(jié)構(gòu)形式也越來越傾向于空間異形復(fù)雜結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重增大了施工安裝管理工作的難度。另一方面，工程各方基本上會大批次運(yùn)輸零構(gòu)件至施工現(xiàn)場，依舊采取人工錄入信息的方式，同樣存在效率低下、容易發(fā)生錯誤等問題。除此之外，在進(jìn)行現(xiàn)場安裝時，鋼結(jié)構(gòu)零構(gòu)件經(jīng)常會和其他構(gòu)件產(chǎn)生碰撞，會增大管理混亂以及工期延誤等問題發(fā)生概率。

2 鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)應(yīng)用BIM技術(shù)的必要性

BIM技術(shù)主要具有可視化、參數(shù)化、協(xié)同性、模擬性、優(yōu)化性、一體化性、可出圖性以及信息完備性等特點(diǎn)，常用的BIM軟件包括美國Autodesk公司的Revit、Civil 3D、Navisworks軟件，被廣泛應(yīng)用至建筑、道路、橋梁以及隧道工程當(dāng)中，在國內(nèi)具有較高的市場占有率。

將BIM技術(shù)應(yīng)用至鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)當(dāng)中，可以為節(jié)點(diǎn)精細(xì)設(shè)計提供助力，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計質(zhì)量的整體提升。如果鋼結(jié)構(gòu)橋梁連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計存在不合理之處，將會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)處于應(yīng)力集中的狀態(tài)，在應(yīng)力逐漸積累以及時間推移作用下，會產(chǎn)生明顯的可變荷載影響，不被重視的小病害嚴(yán)重程度逐漸提高，相應(yīng)的疲勞應(yīng)力也會越來越大，當(dāng)達(dá)到臨界值之后可能會爆發(fā)嚴(yán)重的安全事故。BIM技術(shù)自身編劇被參數(shù)化節(jié)點(diǎn)庫，并且還可以進(jìn)行自定義的批量操作，有助于設(shè)計效率的進(jìn)一步提高，充分運(yùn)用其可視化節(jié)點(diǎn)設(shè)計優(yōu)勢，可以有效消除設(shè)計過程的視角死角以及操作死角等，為焊接施工提供便利。利用BIM技術(shù)建立細(xì)節(jié)化模型，將其有效應(yīng)用至設(shè)計階段、加工制造階段以及施工安裝階段，可以實(shí)現(xiàn)人力、物力以及財力的全面節(jié)省。

利用具有較高精準(zhǔn)性的鋼結(jié)構(gòu)橋梁BIM信息化模型，設(shè)計人員可以對工程量進(jìn)行快捷高效的設(shè)計，并且還可以實(shí)現(xiàn)圖紙的智能批量輸出，還有助于提前對構(gòu)件空間位置進(jìn)行碰撞檢查。進(jìn)入現(xiàn)場安裝階段之后，BIM模型及其應(yīng)用平臺還可以為工程信息的高度集成以及共享提供途徑，有助于高度集成管理模式的形成，在促進(jìn)管理水平提高的基礎(chǔ)上，使橋梁工程具有更高的項(xiàng)目收益。運(yùn)用高度集成的管理模式，可以對全工程的信息傳遞進(jìn)行有效簡化，為設(shè)計和施工協(xié)作耗能的減少提供促進(jìn)作用。

3 BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計以及施工中的實(shí)際應(yīng)用

無論是鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計還是實(shí)際施工，都可以應(yīng)用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)工程質(zhì)量的提升，鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)應(yīng)用BIM技術(shù)的框架如圖1所示。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)應(yīng)用BIM技術(shù)的框架

3.1 BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)橋梁精細(xì)化設(shè)計中的應(yīng)用

繼續(xù)沿用傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)橋梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計方式，存在明顯的浪費(fèi)人力、物力以及財力的問題，并且還會增大返工問題發(fā)生概率。以某市開發(fā)區(qū)獨(dú)塔斜拉橋工程為例，其主要采用密索體系雙索面獨(dú)塔斜拉橋，運(yùn)用傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)拉索節(jié)點(diǎn)大樣方式已經(jīng)難以符合其鋼結(jié)構(gòu)橋塔施工需求，因此必須進(jìn)行節(jié)點(diǎn)精細(xì)化設(shè)計。該工程主要是運(yùn)用BIM技術(shù)對橋塔以及鋼箱梁節(jié)點(diǎn)及細(xì)部模型進(jìn)行精細(xì)化處理，提升設(shè)計模型與實(shí)際的契合程度，為設(shè)計包含了詳細(xì)加工制作以及安裝要求的高質(zhì)量圖紙奠定良好基礎(chǔ)?；贐IM技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)橋梁精細(xì)設(shè)計及模型主要可以分為幾何信息和非幾何屬性信息，使后續(xù)建造和運(yùn)維工作能獲得可靠的數(shù)據(jù)支撐。運(yùn)用BIM技術(shù)建立鋼結(jié)構(gòu)橋梁細(xì)節(jié)模型，不僅可以應(yīng)用至設(shè)計階段，還能夠在加工制造以及施工安裝中得到有效應(yīng)用，甚至到最后的運(yùn)維管理同樣可以應(yīng)用這一細(xì)節(jié)模型。相關(guān)設(shè)計人員可以利用相應(yīng)的軟件，在選取節(jié)點(diǎn)形式以及輸入相關(guān)參數(shù)之后，便可以實(shí)現(xiàn)特定節(jié)點(diǎn)的智能生成，明顯提升節(jié)點(diǎn)設(shè)計的精準(zhǔn)度以及效率。面對曲面零件等結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的零件，可以運(yùn)用Prosteel組合型鋼功能，整合所有相關(guān)零部件為組合型鋼，通過一鍵布置命令實(shí)現(xiàn)其余相同構(gòu)件的高效布置。設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮BIM模型的可視化優(yōu)勢，對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直觀和全方位的觀察，對設(shè)計不合理之處進(jìn)行及時修正。

3.2 BIM技術(shù)在設(shè)計問題審查中的應(yīng)用

為了有效減少鋼架構(gòu)橋梁工程設(shè)計變更以及施工返工問題，應(yīng)當(dāng)利用BIM三維模型進(jìn)行碰撞分析。現(xiàn)階段，很多BIM設(shè)計軟件都自帶碰撞檢測功能，并且還可自動導(dǎo)出相應(yīng)的碰撞報告。在橋梁工程中如果進(jìn)行整體模型的碰撞檢查將會耗費(fèi)較多的人力以及時間，因此基本上都是以局部碰撞檢測為主，主要是碰撞檢測重點(diǎn)復(fù)雜結(jié)合部位，有助于碰撞檢測效率的進(jìn)一步提高?？梢詫IM模型碰撞檢測劃分為硬碰撞（構(gòu)件實(shí)體的交叉碰撞）以及軟碰撞 （構(gòu)件實(shí)體之間不存在交叉碰撞，但構(gòu)件之間的空間間距不符合施工要求）。以某項(xiàng)主橋造型獨(dú)特以及體量大的大橋項(xiàng)目為例，在三角結(jié)合區(qū)鋼筋籠設(shè)計存在嚴(yán)重的碰撞沖突問題，利用Revit軟件完成鋼筋BIM模型建立，之后將其導(dǎo)入Navisworks軟件進(jìn)行鋼筋碰撞分析，總共發(fā)現(xiàn)344處碰撞，通過分類匯總碰撞問題形成具有較高規(guī)范性的碰撞檢測報告，為后續(xù)現(xiàn)場施工提供可靠指導(dǎo)。另外，BIM模型還可以對預(yù)埋構(gòu)件定位以及缺漏問題進(jìn)行有效檢查，充分發(fā)揮其輔助定位以及查漏作用，對施工過程進(jìn)行完整的模擬，之后以現(xiàn)場測量點(diǎn)為依據(jù)精準(zhǔn)定位預(yù)埋構(gòu)件。以某大橋項(xiàng)目為例，其利用BIM技術(shù)總共檢查出4處預(yù)埋構(gòu)件發(fā)生偏位，并且檢查出遺漏了12處預(yù)埋構(gòu)件。除此之外，還可以應(yīng)用BIM技術(shù)碰撞檢測鋼結(jié)構(gòu)橋梁工程的主拱肋、副拱肋。

3.3 BIM技術(shù)在加工制造及預(yù)拼裝中的應(yīng)用

在眾多BIM軟件中Tekla Structures軟件的鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計能力最為突出，其在鋼結(jié)構(gòu)數(shù)字化生產(chǎn)過程的加工制造階段同樣具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢。以某大橋施工為例，其鋼結(jié)構(gòu)工程主要分為主梁鋼橫梁和具有復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)形式的主副拱肋系統(tǒng)，可以利用上述軟件對主跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)建，所創(chuàng)建的零件應(yīng)當(dāng)包含完整的尺寸、材質(zhì)、截面以及編號等信息。利用數(shù)控文件輸出取代人工信息錄入，促進(jìn)數(shù)據(jù)傳遞精準(zhǔn)性的進(jìn)一步提高。在完成數(shù)控文件輸出之后，發(fā)揮專業(yè)套料軟件的優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)套料的自動排版。在輸出套料結(jié)果之后，在數(shù)控切割機(jī)中倒入排版圖紙以及加工程度，以此為基礎(chǔ)完成數(shù)控切割工作，工人進(jìn)行最后的構(gòu)件焊接。以往在進(jìn)行復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)加工生產(chǎn)時，會提前在車間完成預(yù)拼裝，但是在技術(shù)限制作用下難以實(shí)現(xiàn)一次性成功。在正式進(jìn)行主跨主副拱肋系統(tǒng)施工之前，可以利用BIM技術(shù)關(guān)聯(lián)三維模型和施工方法，在提前暴露問題的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行妥善解決，為實(shí)際施工拼裝成功率提供可靠保證。在正式施工之前，還可以應(yīng)用Revit模型以及Navisworks軟件完成4D虛擬施工模擬，對主要施工機(jī)械空間位置進(jìn)行合理布置，還可以實(shí)現(xiàn)施工工序合理性以及機(jī)械位移可行性的直觀分析。

3.4 BIM技術(shù)在施工進(jìn)度模擬和質(zhì)量管控中的應(yīng)用

利用具有可視化特點(diǎn)的BIM三維模型，在添加時間參數(shù)之后可以進(jìn)行項(xiàng)目4D進(jìn)度模擬，也就是進(jìn)行虛擬建造。有效結(jié)合BIM模型以及事先編制的施工計劃，從時間維度出發(fā)，對實(shí)際進(jìn)度和計劃進(jìn)度的符合度進(jìn)行檢查，為鋼結(jié)構(gòu)橋梁施工工序的合理性以及施工進(jìn)度計劃的可行性提供保障。與其他軟件相比，Navisworks軟件在進(jìn)度模擬中具有更高的可信度，在實(shí)際操作過程應(yīng)當(dāng)先完成施工進(jìn)度計劃的編制，利用Navisworks軟件中的TimeLiner進(jìn)行BIM模型和施工進(jìn)度計劃的有效關(guān)聯(lián)，以此來模擬不同施工工序的起止過程。還可以在4D模型上進(jìn)一步添加成本參數(shù)完成5D信息模型的建立，為鋼結(jié)構(gòu)橋梁對成本進(jìn)行精細(xì)化控制提供輔助作用。在實(shí)際的施工現(xiàn)場可以應(yīng)用可視化的BIM模型使技術(shù)人員進(jìn)行及時的學(xué)習(xí)查看，為整體施工管理水平的提升提供促進(jìn)作用。不過，現(xiàn)階段鋼結(jié)構(gòu)橋梁項(xiàng)目的BIM模型會占據(jù)較大的把內(nèi)存空間，應(yīng)當(dāng)注重BIM輕量化軟件的開發(fā)和應(yīng)用，使施工人員可以利用手機(jī)等移動終端設(shè)備更加方便的瀏覽BIM模型，在提高施工過程溝通效率和質(zhì)量的基礎(chǔ)上，提升施工質(zhì)量。

3.5 BIM技術(shù)在工程量統(tǒng)計中的應(yīng)用

以往在統(tǒng)計工程量時主要通過手工對圖算量以及在算量軟件中建立模型等方式，存在工作量大、差異大以及成本投入較高等劣勢。應(yīng)用BIM三維模型進(jìn)行工程量的信息化和自動化統(tǒng)計，在進(jìn)行BIM三維模型建立時將材料信息同步輸入，并且開展參數(shù)化設(shè)計，就能夠利用BIM軟件對工程量進(jìn)行自動統(tǒng)計。面對設(shè)計方案大修改的情況，同樣可以利用參數(shù)化設(shè)計以及關(guān)聯(lián)性功能實(shí)時同步修改BIM三維模型，在這一過程也可以實(shí)現(xiàn)同步更新工程量明細(xì)表。

3.6 BIM技術(shù)、3D打印技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用及BIM協(xié)同管理平臺

3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，其主要屬于一種快速打印成型技術(shù)，利用塑料等粘合材料等進(jìn)行逐層打印，以此來完成目標(biāo)三維實(shí)體的構(gòu)造。鋼結(jié)構(gòu)橋梁項(xiàng)目在應(yīng)用BIM技術(shù)的同時，可以配合應(yīng)用3D打印技術(shù)。以某大橋項(xiàng)目為例，其主要應(yīng)用BIM三維模型以及3D打印技術(shù)打印具有直觀立體性的沙盤模型，為施工技術(shù)交底、施工機(jī)械現(xiàn)場布置等模擬演練提供巨大的輔助作用，提前暴露和解決實(shí)際施工問題，為實(shí)際的施工管理提供可靠指導(dǎo)。為了對鋼結(jié)構(gòu)橋梁項(xiàng)目施工以及后期運(yùn)維進(jìn)行良好管理，可以搭建集合了門戶、知識、項(xiàng)目、流程和協(xié)作等業(yè)務(wù)的BIM協(xié)同管理平臺。

4 結(jié)語

綜上所述，BIM技術(shù)的應(yīng)用可以明顯改善鋼結(jié)構(gòu)橋梁項(xiàng)目存在的一系列問題，為節(jié)點(diǎn)精細(xì)設(shè)計提供助力、提前對構(gòu)件空間位置進(jìn)行碰撞檢查，實(shí)現(xiàn)設(shè)計質(zhì)量、設(shè)計效率、施工質(zhì)量的提高以及施工成本的降低，為鋼結(jié)構(gòu)橋梁充分發(fā)揮自身功能提供保證。BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)橋梁中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在鋼結(jié)構(gòu)橋梁精細(xì)化設(shè)計中的應(yīng)用、在設(shè)計問題審查中的應(yīng)用、在加工制造及預(yù)拼裝中的應(yīng)用、在施工進(jìn)度模擬和質(zhì)量管控中的應(yīng)用、在工程量統(tǒng)計中的應(yīng)用，同時還可以聯(lián)合應(yīng)用BIM技術(shù)以及3D打印技術(shù)進(jìn)一步提升工程效益。