BIM技術(shù)在裝配式橋梁工程中的作用

李 莉

(山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006)

1 工程概況

某快速干道第一標(biāo)段總長(zhǎng)4.2 km左右，其所有主路均采用高架的方式，標(biāo)準(zhǔn)寬度與跨徑分別為25、30 m，為盡可能減少工程建設(shè)給附近居民、既有交通與城市環(huán)境造成的影響，絕大多數(shù)上部結(jié)構(gòu)都為預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)，包括樁基、墩柱、蓋梁和小箱梁。但由于該橋梁工程的工程數(shù)量巨大，采用傳統(tǒng)生產(chǎn)方式根本無(wú)法滿足需求，這就需要引入BIM技術(shù)為生產(chǎn)提供必要的輔助。

2 BIM技術(shù)主要特點(diǎn)

BIM主要有五大特點(diǎn)，分別為可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性與可出圖性。

1)可視化就是所謂的所見(jiàn)即所得，從建筑行業(yè)角度講，可視化這一特點(diǎn)具有巨大的作用，比如傳統(tǒng)的施工圖紙僅能采用線條的形式對(duì)各構(gòu)件信息進(jìn)行表達(dá)，其真正構(gòu)造往往需要從業(yè)人員自身去理解和想象。而在引入BIM技術(shù)后，可以提供一個(gè)全新的思路，即可視化，將抽象地采用線條表達(dá)的構(gòu)件變?yōu)槿S立體實(shí)物，使建筑業(yè)也能用到效果圖。然而，設(shè)計(jì)專業(yè)提供的效果圖并不包含除顏色、大小與位置以外的信息，使構(gòu)件之間缺乏反饋性與互動(dòng)性。但BIM具有的可視化可以使不同構(gòu)件之間實(shí)現(xiàn)良好的反饋與互動(dòng)，因全過(guò)程均為可視化，所以可視化結(jié)果除了能用效果圖進(jìn)行展示或直接生成相應(yīng)的報(bào)表外，還能使項(xiàng)目的規(guī)劃設(shè)計(jì)及建造運(yùn)營(yíng)的整個(gè)過(guò)程都處在可視化狀態(tài)之下。

2)協(xié)調(diào)對(duì)建筑專業(yè)而言是一個(gè)重要內(nèi)容，無(wú)論施工方還是業(yè)主方或設(shè)計(jì)方，無(wú)時(shí)無(wú)刻不在進(jìn)行著協(xié)調(diào)工作。如果項(xiàng)目實(shí)施時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題，需要將所有相關(guān)人員集合到一起召開(kāi)協(xié)調(diào)會(huì)，在明確問(wèn)題產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上，探討針對(duì)性的解決方法，然后根據(jù)解決方案作出相應(yīng)的變更，通過(guò)一些補(bǔ)救措施從根本上解決實(shí)際問(wèn)題。項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中，經(jīng)常由于不同專業(yè)缺乏溝通導(dǎo)致各種各樣的碰撞問(wèn)題發(fā)生。比如暖通專業(yè)在布置管道的過(guò)程中，因施工圖紙都是在自己專業(yè)圖紙上直接繪制的，所以在實(shí)際施工時(shí)可能在管線布置過(guò)程中遇到阻礙，這種碰撞問(wèn)題大多只能在發(fā)生以后才可以解決。而B(niǎo)IM由于可提供協(xié)調(diào)性服務(wù)，所以能從根本上防止此類問(wèn)題的發(fā)生，借助BIM能在項(xiàng)目建造前期針對(duì)所有專業(yè)存在的碰撞予以協(xié)調(diào)，得到協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)，同時(shí)將其提供出來(lái)。此外，BIM具有的協(xié)調(diào)功能并非單純用來(lái)解決專業(yè)碰撞的，還能解決其他方面的協(xié)調(diào)問(wèn)題，如電梯井布置和其他設(shè)計(jì)布置在凈空要求方面的協(xié)調(diào)、防火分區(qū)布置和其他設(shè)計(jì)布置之間的協(xié)調(diào)、地下排水布置和其他設(shè)計(jì)布置之間的協(xié)調(diào)。

3)BIM的模擬性并非只能對(duì)建筑物模型進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，而是能模擬所有現(xiàn)實(shí)中無(wú)法操作的事物。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用BIM技術(shù)能對(duì)設(shè)計(jì)中所有需要模擬的開(kāi)展模擬實(shí)驗(yàn)，比如對(duì)節(jié)能效果進(jìn)行模擬、對(duì)緊急疏散進(jìn)行模擬、對(duì)日照分布進(jìn)行模擬、對(duì)熱能傳導(dǎo)進(jìn)行模擬；在項(xiàng)目招投標(biāo)及施工過(guò)程中，由于BIM技術(shù)具有4D模擬功能，所以能將施組設(shè)計(jì)作為依據(jù)對(duì)實(shí)際施工進(jìn)行模擬，進(jìn)而確定最佳的施工方案為實(shí)際施工過(guò)程提供指導(dǎo)。另外，在5D模擬功能的支持下，還能對(duì)工程的施工成本予以嚴(yán)格控制；在項(xiàng)目的后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，還能對(duì)日常各類緊急情況進(jìn)行的處理過(guò)程進(jìn)行模擬，比如對(duì)地震發(fā)生時(shí)人員逃生進(jìn)行模擬和火災(zāi)發(fā)生時(shí)對(duì)人員疏散進(jìn)行模擬等。

4)優(yōu)化體現(xiàn)在從設(shè)計(jì)到運(yùn)營(yíng)的整個(gè)過(guò)程當(dāng)中，所以優(yōu)化必然與BIM之間有實(shí)質(zhì)性聯(lián)系，采用BIM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更好的優(yōu)化。優(yōu)化往往會(huì)受到以下三方面因素的影響及限制：時(shí)間、信息與復(fù)雜程度。如果信息不足或不準(zhǔn)確，則將無(wú)法得出理想的優(yōu)化成果，采用BIM模型可以提供各類真實(shí)信息，如規(guī)則信息、幾何信息與物理信息等，此外還能提供后續(xù)變化對(duì)應(yīng)的信息。另外，如果復(fù)雜程度很高，單純依靠個(gè)人能力難以掌握各類信息，需借助很多科學(xué)技術(shù)才能完成。對(duì)于現(xiàn)代建筑物，其復(fù)雜程度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人員自身能力，針對(duì)這種實(shí)際情況，采用BIM與其各類優(yōu)化工具可能使復(fù)雜項(xiàng)目?jī)?yōu)化成為可能。

5)可出圖性是指采用BIM模型除了可以繪制傳統(tǒng)圖紙(如建筑設(shè)計(jì)圖紙與構(gòu)件加工圖紙等)，還能在以上BIM各項(xiàng)特點(diǎn)的支持下提供不同專業(yè)的圖紙及其深化成果，從而使對(duì)工程項(xiàng)目的表達(dá)更為詳盡。

BIM具有的以上特點(diǎn)使其十分適用于當(dāng)下流行的裝配式橋梁，能解決很多裝配式橋梁設(shè)計(jì)建造存在的問(wèn)題，為裝配式橋梁建造參與人員提供極大的幫助，BIM在裝配式橋梁工程中具有的作用主要體現(xiàn)在以下方面。

3 BIM具體作用

建筑工業(yè)化的實(shí)行從根本上改變了以往的建筑建設(shè)方式，采用BIM作為載體，可以對(duì)三維空間技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，使工程的設(shè)計(jì)與施工真正實(shí)現(xiàn)一體化。另外，通過(guò)對(duì)BIM和不同部門自身需求之間的一一對(duì)應(yīng)，能從本質(zhì)上提高工作效率。

3.1 為圖紙會(huì)審提供幫助

在工程施工中，圖紙會(huì)審是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，要在施工開(kāi)始前審閱并糾正圖紙內(nèi)容，針對(duì)圖紙所有偏差及施工工藝與設(shè)計(jì)部門之間進(jìn)行溝通，以反饋?zhàn)约旱囊庖?jiàn)。在過(guò)去，圖紙會(huì)審?fù)枰度牒芏嗳肆M(jìn)行圖紙研究，某些復(fù)雜程度較高的工藝，其二維圖紙十分抽象，這無(wú)疑給實(shí)際工作帶來(lái)了很大困難，尤其是大型工程，由于工程節(jié)點(diǎn)跨度大、精度高，所以圖紙數(shù)量大幅增加，導(dǎo)致圖紙會(huì)審人員承擔(dān)著巨大的壓力。而在引入BIM技術(shù)以后，能使二維圖紙變成三維模型，對(duì)構(gòu)件結(jié)構(gòu)與內(nèi)部構(gòu)件信息予以直觀展現(xiàn)，并通過(guò)與各類分析軟件之間的結(jié)合，還能對(duì)更詳細(xì)的內(nèi)容予以分析，如鋼筋結(jié)構(gòu)分析、構(gòu)件工程量分析和構(gòu)件之間實(shí)際受力情況的分析，具體表現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

1)鋼筋結(jié)構(gòu)分析。對(duì)誤差進(jìn)行的控制往往貫穿整個(gè)工程建設(shè)過(guò)程，尤其是裝配式橋梁，因?yàn)樗乃袠?gòu)件均預(yù)先在預(yù)制場(chǎng)中進(jìn)行加工，然后運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)通過(guò)拼裝成型，相較于現(xiàn)澆橋梁，雖然建造速度更快，不會(huì)給既有交通造成太大影響，而且能耗水平低，但因?yàn)闃?gòu)件具有的固定性，會(huì)使施工現(xiàn)場(chǎng)基本不能進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)此，圖紙會(huì)審過(guò)程中必須做好鋼筋結(jié)構(gòu)分析，以保證現(xiàn)場(chǎng)施工得以順利完成。過(guò)去的方法為根據(jù)三視圖由人工進(jìn)行自主判斷，該方法嚴(yán)重缺乏科學(xué)性與嚴(yán)謹(jǐn)性，僅僅可以在概論的層次上闡述問(wèn)題，并且整個(gè)工程包含大量圖紙，采用這種方法根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)全部糾察。而若能借助Navisworks來(lái)分析，通過(guò)對(duì)誤差值的預(yù)設(shè)，可以將設(shè)計(jì)層面的失誤限制到毫米級(jí)，進(jìn)而為將來(lái)的技術(shù)交底工作提供良好的參考依據(jù)。

2)清單量核查。該橋梁建設(shè)需要用到大量鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度很高，要對(duì)其工程量予以復(fù)核，依靠BIM模型對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，能快速且準(zhǔn)確地完成工程量提取，降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)還能消除人員計(jì)算失誤等原因?qū)η鍐瘟拷Y(jié)果造成的影響。另外，一些支撐體系所用鋼結(jié)構(gòu)并未在圖紙中明確給出，需自行完成設(shè)計(jì)與工程量統(tǒng)計(jì)。采用傳統(tǒng)方法借助CAD進(jìn)行二維圖紙的繪制，為不同部位構(gòu)件實(shí)施標(biāo)號(hào)，再通過(guò)對(duì)標(biāo)號(hào)數(shù)量的準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)方可實(shí)現(xiàn)清單量統(tǒng)計(jì)；借助BIM技術(shù)可以直接進(jìn)行三維建模，在此基礎(chǔ)上利用軟件還能對(duì)工程量進(jìn)行自動(dòng)分析，以此大幅提高工作效率。

3)有限元分析。在實(shí)際的工程建設(shè)中，需要為蓋梁設(shè)置臨時(shí)鋼支撐，并在施工完成后將其拆除，但鋼支撐使用何種形式及其結(jié)構(gòu)受力都未能在圖紙中明確給出，為確保施工安全，必須在圖紙會(huì)審過(guò)程中確定鋼支撐結(jié)構(gòu)受力是否合理。過(guò)去的方法為通過(guò)龐雜的運(yùn)算進(jìn)行推斷，這需要不同專業(yè)之間高度配合才能完成，不僅投入大，而且周期冗長(zhǎng)，即便算出最終結(jié)果，也有可能因?yàn)槿藶槭д`而有很大的誤差。采用數(shù)學(xué)分析法可以分析真實(shí)物理系統(tǒng)，并利用Midas將混凝土的強(qiáng)度等級(jí)和立柱高度等基本信息錄入后，可直接推導(dǎo)出結(jié)構(gòu)達(dá)到平衡的條件，進(jìn)而為之后的方案制定提供可靠依據(jù)。

3.2 為施工交底提供輔助

對(duì)于裝配式橋梁，其核心在于構(gòu)件的預(yù)制與拼裝，為確保構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)拼裝施工可以順利完成，在預(yù)制加工過(guò)程中，對(duì)精度的要求往往遠(yuǎn)高于現(xiàn)澆橋梁，并且施工工藝也更加新穎，可參考借鑒的資料不多，加之缺乏專業(yè)人員，所以施工交底就顯得十分重要。過(guò)去的施工交底大多采用文字?jǐn)⑹龊投S圖形相結(jié)合的方式，但因現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)有極高的復(fù)雜性且作業(yè)人員自身專業(yè)水平往往較低，所以交底效果并不理想，人員很難理解，要想達(dá)到理想的效果，需要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間。而由于BIM技術(shù)具有可視化特點(diǎn)，加上3D打印與虛擬現(xiàn)實(shí)等一系列高新技術(shù)的加持，可以對(duì)從最初的構(gòu)件預(yù)制到現(xiàn)場(chǎng)拼裝，再到整個(gè)流程進(jìn)行模擬，并能突出顯示其中的難點(diǎn)與要點(diǎn)，幫助人員理解，降低交底難度，采用3D打印技術(shù)制得的等比例縮小模型可以幫助人員清晰地了解到橋梁具體構(gòu)造。

3.3 更好地實(shí)現(xiàn)方案優(yōu)化

BIM還能在工程的設(shè)計(jì)階段使用，通過(guò)分析實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，保證設(shè)計(jì)成果可操作性。如前所述，裝配式橋梁采用的是新型施工工藝，其規(guī)范還不夠完善，導(dǎo)致設(shè)計(jì)經(jīng)常出現(xiàn)可操作性差的問(wèn)題，進(jìn)而使返工量大幅增加，直接影響進(jìn)度。而B(niǎo)IM的應(yīng)用則能從本質(zhì)上解決因設(shè)計(jì)沖突或可操作性檢測(cè)產(chǎn)生的問(wèn)題，并能實(shí)現(xiàn)多方溝通與分析。在“設(shè)計(jì)-檢測(cè)-再設(shè)計(jì)”這一循環(huán)機(jī)制下，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除設(shè)計(jì)存在的錯(cuò)誤或忽略，起到減少返工的作用。就目前來(lái)看，BIM不僅是一個(gè)工具，而且是保證設(shè)計(jì)質(zhì)量的舉措，使設(shè)計(jì)成果有良好可操作性，確保后續(xù)施工得以順利完成。另外，采用整合設(shè)計(jì)的方法，使不同專業(yè)之間的協(xié)作從初期設(shè)計(jì)階段就開(kāi)始進(jìn)行，而且整個(gè)過(guò)程基本不需要人員的參與和管理，由中心數(shù)據(jù)庫(kù)即可實(shí)現(xiàn)，使設(shè)計(jì)過(guò)程中的溝通變得顯而易見(jiàn)。

基于BIM的設(shè)計(jì)階段方案優(yōu)化主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

1)場(chǎng)地布置優(yōu)化。在項(xiàng)目初期開(kāi)展場(chǎng)地布置的過(guò)程中，采用BIM技術(shù)進(jìn)行三維建模，然后由管理人員通過(guò)開(kāi)會(huì)審定，所有修改意見(jiàn)都可以在模型中實(shí)現(xiàn)，真正實(shí)現(xiàn)了所見(jiàn)即所得。另外，在場(chǎng)地漫游技術(shù)幫助下，使管理人員直觀感受項(xiàng)目建成后效果。不同專業(yè)之間分工合作，以相同的中心文件為核心開(kāi)展工作，使設(shè)計(jì)達(dá)到前所未有的高效性。定稿之后，可直接將三維圖紙輸出為施工圖，由現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員按圖施工。

2)模板深化設(shè)計(jì)。裝配式橋梁建設(shè)過(guò)程中，構(gòu)件預(yù)制是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，要想保證預(yù)制質(zhì)量，保證模板精度與強(qiáng)度是前提。對(duì)預(yù)制構(gòu)件的模板進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，為了使合模之后形成的模板體系有良好嚴(yán)密性，需要在模板外側(cè)按照500 mm的間隔距離安裝龍骨，相鄰兩個(gè)龍骨之間采用螺栓相連，施工中可通過(guò)調(diào)整螺栓控制模板之間縫隙的大小，以此滿足構(gòu)件預(yù)制精度要求。然而，通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)可知，因龍骨多次使用難免產(chǎn)生磨損和變形，導(dǎo)致在合模以后產(chǎn)生很大的縫隙。對(duì)此，利用BIM技術(shù)開(kāi)展結(jié)構(gòu)受力分析后，決定在龍骨的安裝位置額外增設(shè)一個(gè)鋼塊，這樣可有效增強(qiáng)龍骨耐受力。

3.4 對(duì)施工工序進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬

該工程承臺(tái)開(kāi)挖方式為放坡開(kāi)挖，通過(guò)BIM技術(shù)的應(yīng)用，能對(duì)其整個(gè)施工過(guò)程及最終的成果予以虛擬化，進(jìn)而避免由于對(duì)施工工藝的掌握不到位產(chǎn)生的邊坡塌方等問(wèn)題，在減少資源消耗的同時(shí)，降低安全風(fēng)險(xiǎn)?；贐IM的工序模擬，還能確定最佳工序與方案，使有限的時(shí)間與資源都達(dá)到最優(yōu)配置，預(yù)先發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)可能產(chǎn)生的問(wèn)題，并制定針對(duì)性的解決措施。無(wú)論方案多么復(fù)雜，只要采用三維模型的方式呈現(xiàn)，都能變得通俗易懂，幫助施工人員及管理人員掌握每一道工序。

3.5 有利于施工方案的比選

對(duì)于現(xiàn)澆橋梁，其所有構(gòu)件均在現(xiàn)場(chǎng)澆筑而成，但裝配式橋梁涉及到從預(yù)制廠到現(xiàn)場(chǎng)的流程，構(gòu)件的吊裝貫穿在整個(gè)工程建設(shè)過(guò)程當(dāng)中，對(duì)構(gòu)件吊裝過(guò)程予以優(yōu)化，選擇合適

的吊裝工具，明確吊裝步驟，對(duì)保證工程質(zhì)量、成本與進(jìn)度而言都極為重要。因該橋梁有很多匝道，所以和匝道之間銜接的部位需進(jìn)行加寬處理，若選擇固定形式的機(jī)械進(jìn)行吊裝，則在加寬段需要進(jìn)行機(jī)械的拆除，由此產(chǎn)生一部分拆除費(fèi)用，使該方案在前期初審過(guò)程中就被棄用；而采用龍門吊與履帶吊這兩套方案，并沒(méi)有太大的實(shí)質(zhì)性差距。對(duì)此，可利用BIM技術(shù)對(duì)這兩套方案進(jìn)行綜合分析，以此為最終方案的選擇提供科學(xué)的參考依據(jù)。

4 結(jié) 論

在裝配式橋梁建設(shè)過(guò)程中引入BIM技術(shù)可以從根本上解決很多項(xiàng)目生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的問(wèn)題，由于BIM技術(shù)具有可視化特點(diǎn)，所以能減少人為誤差，為工程快速、安全且高質(zhì)量的建設(shè)提供極大幫助。在虛擬現(xiàn)實(shí)和3D打印等諸多高新技術(shù)的加持下，還能解決施工交底方面的難題，降低人員對(duì)交底內(nèi)容的理解難度，使交底發(fā)揮出應(yīng)有的效果。另外，由于BIM還能實(shí)現(xiàn)施工模擬，所以可幫助工程決策人員更好地整理思路，在諸多方案之中選出最佳的方案，這對(duì)實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理有重要現(xiàn)實(shí)意義。

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