基于BIM的小半徑大橫坡橋梁施工應(yīng)用研究

農(nóng)左 周鑫

摘要：在小半徑大橫坡橋梁施工管理中，BIM模型數(shù)據(jù)與現(xiàn)場的實(shí)際施工情況交互效果較差，常常出現(xiàn)BIM信息斷鏈的問題，導(dǎo)致BIM信息技術(shù)無法高效應(yīng)用到小半徑大橫坡橋梁施工環(huán)境中。文章依托小半徑大橫坡橋梁——黃艾大橋預(yù)制箱梁架設(shè)工程，提出了基于BIM的小半徑大橫坡橋梁信息化技術(shù)體系，創(chuàng)建了BIM信息模型，建立參數(shù)化構(gòu)件族，模擬關(guān)鍵施工工序，提高箱梁架設(shè)準(zhǔn)確性，降低失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，避免了重點(diǎn)工序沖突的返工現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了BIM技術(shù)在小半徑大橫坡橋梁施工中的應(yīng)用，提高了施工品質(zhì)，保證了施工質(zhì)量，為今后小半徑大橫坡橋梁的施工提供參考。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù)；施工模擬；小半徑；大橫坡；預(yù)制橋梁

中圖分類號：U445.3A240795

0引言

在復(fù)雜結(jié)構(gòu)工程中，利用BIM技術(shù)的可視化優(yōu)勢可以加強(qiáng)施工與數(shù)據(jù)之間的協(xié)調(diào)交流，為施工工作提供數(shù)據(jù)支撐，因而BIM技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用越來越廣泛［1］。

現(xiàn)階段，BIM技術(shù)在橋梁的施工過程中具有動(dòng)態(tài)管理的特點(diǎn)，通過集成各參建方的信息數(shù)據(jù)，建立橋梁的三維模型，通過可視化處理，實(shí)現(xiàn)重難點(diǎn)結(jié)構(gòu)處的施工模擬。同時(shí)，BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等過程中均有重要的應(yīng)用。龍波等［2］以大跨徑鋼管混凝土拱橋?yàn)閼?yīng)用點(diǎn)，利用BIM模型實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的屈曲穩(wěn)定分析，改善了橋梁空間布局與成果表達(dá)信息缺失的問題；陳剛［3］以預(yù)制T梁為目標(biāo)，采用基于BIM技術(shù)的Revit軟件的三維建模鋼筋碰撞檢查優(yōu)勢，探討了鋼筋之間的干擾問題，優(yōu)化了T梁施工過程中的鋼筋安裝情況；周群等［4］以南寧市快環(huán)綜合整治項(xiàng)目（北湖立交）改造工程為實(shí)例，利用BIM技術(shù)的信息化特點(diǎn)針對裝配式市政橋梁傳統(tǒng)設(shè)計(jì)管理提出了有效方案，提高了BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)管理的應(yīng)用能力；張勝超等［5］提出了一種基于Dynamo插件的預(yù)制箱梁BIM模型參數(shù)化建模方法，實(shí)現(xiàn)了預(yù)制箱梁BIM模型的快速精準(zhǔn)建模，提升了預(yù)制箱梁曲線建模的精度。

在小半徑大橫坡橋梁施工過程中，傳統(tǒng)的二維圖紙?jiān)跇蛄赫w與細(xì)部結(jié)構(gòu)中難以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化展示，且工作量較大。同時(shí)，如橋梁建設(shè)受到環(huán)境影響產(chǎn)生圖紙變更，則需要修改大量的二維圖紙［6］，耗費(fèi)大量的人力成本，這一現(xiàn)象在跨越山溝和村道復(fù)雜環(huán)境下，特別是橋梁走線涉及池塘及農(nóng)田的情況下尤為突出。目前，預(yù)制梁這一工藝的出現(xiàn)使得橋梁上下部結(jié)構(gòu)物可以同時(shí)進(jìn)行施工，雖然能夠縮短建設(shè)工期和保證預(yù)制梁的施工質(zhì)量，但裝配式橋梁工程質(zhì)量的好壞，不僅取決于預(yù)制梁的施工，還取決于其安裝效果［7］。由于橋梁線性弧度影響，外懸臂梁與內(nèi)部梁的橫隔板常會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)位現(xiàn)象，特別是在小半徑大橫坡的橋梁工程條件下，橫隔板錯(cuò)位問題尤為突出。本文依托小半徑大橫坡橋梁——黃艾大橋預(yù)制箱梁架設(shè)工程，提出了基于BIM的小半徑大橫坡橋梁信息化技術(shù)體系，創(chuàng)建了BIM信息模型，建立參數(shù)化構(gòu)件族，模擬關(guān)鍵施工工序，提高箱梁架設(shè)準(zhǔn)確性，降低失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，避免了因重點(diǎn)工序沖突的返工現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了BIM技術(shù)在小半徑大橫坡橋梁施工的應(yīng)用，提高了施工品質(zhì)，保證了施工質(zhì)量，為今后小半徑大橫坡橋梁的施工提供參考。

1工程概況

黃艾大橋采用5×20 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，先簡支后連續(xù)，橋梁全長107.5 m，橋梁寬度為12.15 m，交角為90°。橋位平面位于R=155 m的左偏圓曲線，橋面橫坡為單向8%，橋面最橫坡大高差為97.2 cm，橋面縱坡為-2.45%。大橋預(yù)制箱梁共20片，單跨預(yù)制箱梁5片，橋梁前進(jìn)方向右高左低，從右至左每跨梁片編號為主梁1#～5#。橋墩采用矩形蓋梁柱式墩，橋臺(tái)采用樁柱式橋臺(tái)。黃艾大橋橋梁平面布置如下頁圖1所示，立面布置如下頁圖2所示。該橋工程難點(diǎn)是轉(zhuǎn)彎半徑小、橫坡大，架梁施工安全隱患多、安全風(fēng)險(xiǎn)高、難度大，亟須一種有效合理的可視化手段確保工程安全高質(zhì)量施工。在按常規(guī)設(shè)計(jì)和架設(shè)施工工藝不可能完成的情況下，通過BIM建模及施工模擬提前發(fā)現(xiàn)可能存在問題，從而優(yōu)化施工工藝，最后成功完成梁片架設(shè)。

2工程關(guān)鍵性難點(diǎn)

黃艾大橋?yàn)榭缭缴綔虾痛宓蓝O(shè)置，大小樁號兩端地形陡峭，小樁號前進(jìn)方向左側(cè)為池塘及農(nóng)田，由于造價(jià)定額限制，改移大橋位置，將大橋橫坡放小、將轉(zhuǎn)彎半徑放大的施工較為困難，因此從設(shè)計(jì)的方向去解決大橋建造問題不切實(shí)際。通過BIM技術(shù)建模，將橋梁所處的地形以及橋梁上下構(gòu)結(jié)構(gòu)物按結(jié)構(gòu)詳細(xì)尺寸進(jìn)行建模，再將建立好的模型按照坐標(biāo)位置放樣，將得到的成果模型對比設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，提前預(yù)判該橋施工過程中出現(xiàn)的問題［8］。黃艾大橋在施工過程中面臨的關(guān)鍵性難點(diǎn)如下：

（1）對有轉(zhuǎn)彎弧度的預(yù)制梁的預(yù)制施工，通常是在梁端兩側(cè)通過對端頭角度和邊梁懸臂參數(shù)的調(diào)整，從而完成對橋梁線性弧度的調(diào)整。在大曲線半徑的上構(gòu)預(yù)制及施工過程中，橋梁橫隔板錯(cuò)位較小，可忽略不計(jì)，但在小半徑大橫坡的橋梁工程條件下，橫隔板錯(cuò)位問題尤為突出。經(jīng)在模型中的測量，該橋在第三跨外懸臂梁相鄰內(nèi)部一片梁的橫隔板錯(cuò)位嚴(yán)重，達(dá)到37.2 cm（見圖3）。

（2）預(yù)制梁和現(xiàn)澆梁的橫坡正常設(shè)置為2%～4%，黃艾大橋橋面橫坡坡度達(dá)8%（見圖4）。預(yù)制的標(biāo)準(zhǔn)箱梁橫斷面坡度為2%，這需要保證上構(gòu)箱梁穩(wěn)定且不影響橋梁的受力情況下，在支座墊石處、橋面處位置調(diào)出余下6%的橫坡。

（3）箱梁架設(shè)的風(fēng)險(xiǎn)問題。由于蓋梁頂部存在著接近1 m的高差，架橋機(jī)在箱梁架設(shè)和過孔時(shí)存在較高的傾覆風(fēng)險(xiǎn)；橋梁的轉(zhuǎn)彎半徑過小，正常喂梁時(shí)梁體與架橋機(jī)存在過大的角度，梁體無法進(jìn)入架橋機(jī)，常規(guī)雙導(dǎo)梁架橋機(jī)可能無法完成所有梁片架設(shè)。

3BIM模型的建立

3.1BIM技術(shù)應(yīng)用目標(biāo)

在小半徑大橫坡的橋梁工程中，BIM技術(shù)可通過圖紙與參數(shù)值的三維呈現(xiàn)傳遞有效施工信息，信息在傳遞過程中應(yīng)注意數(shù)據(jù)之間的積累，結(jié)合現(xiàn)場的施工順序，將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、專業(yè)信息以及精細(xì)模型集成至工程對象中［9］。在小半徑大橫坡橋梁中部分橋身結(jié)構(gòu)和橋墩結(jié)構(gòu)為異型結(jié)構(gòu)，箱梁橫截面高度在縱橋方面為曲線走勢，常規(guī)的建模手段無法連續(xù)建立完整的異型橋結(jié)構(gòu)，因此需采用參數(shù)化建模手段。本研究提出了基于BIM的小半徑大橫坡橋梁信息化技術(shù)體系，主要應(yīng)用目標(biāo)體系（如圖5所示）。

3.2創(chuàng)建橋梁中心線

小半徑大橫坡黃艾大橋的橋位平面位于R=155 m的左偏圓曲線，建模初期需滿足橋梁中心線的確定，因此本研究提出了一種樁號坐標(biāo)定位中分法提取橋梁中心線。通過已知的橋墩樁號坐標(biāo)數(shù)據(jù)（如表1所示），輸入對應(yīng)的坐標(biāo)，生成連貫的坐標(biāo)體系，以橋墩號坐標(biāo)作為參考值，分別計(jì)算出對應(yīng)的中心點(diǎn)坐標(biāo)，獲取連續(xù)的中心坐標(biāo)后，以R=155 m的圓曲線連接對應(yīng)所有中心坐標(biāo)生成連續(xù)線，即可創(chuàng)建橋梁中心線，如圖6所示。

3.3創(chuàng)建參數(shù)化橋梁異型構(gòu)件

通過橋梁模型的創(chuàng)建，連續(xù)梁橋的異形結(jié)構(gòu)主要集中在箱梁與橋墩位置，考慮到能夠與施工相結(jié)合，在設(shè)計(jì)階段會(huì)涉及不同結(jié)構(gòu)的箱梁與橋墩，因此設(shè)計(jì)了參數(shù)化模型，通過改變尺寸和類型即可驅(qū)動(dòng)生成不同結(jié)構(gòu)的模型形狀，主要目的在于以參數(shù)變量的形式提高模型修改效率，進(jìn)一步提升BIM模型的建模效率與精度［10］。參數(shù)化創(chuàng)建構(gòu)件流程如下頁圖7所示。

在這一過程中，可使用剪切、拉伸與放樣三種功能在實(shí)體中挖去多余實(shí)體以創(chuàng)建橋墩不規(guī)則模型；連續(xù)箱梁模型創(chuàng)建過程中需要考慮橫縱坡的設(shè)置，可通過角度參數(shù)設(shè)計(jì)橫坡。參數(shù)化模型如下頁圖8所示。

3.4橋梁模型的創(chuàng)建

以樁號坐標(biāo)定位中分法獲取橋梁中心線，并采用參數(shù)化建模完成異型橋墩與箱梁模型的建立，通過建立不同階段的模型，提高建模效率，降低容錯(cuò)率，進(jìn)一步提升了工作效率，最終完成小半徑大橫坡黃艾大橋的三維模型創(chuàng)建，如圖9所示。

通過對大橋三維模型的建立，將設(shè)計(jì)圖紙和參數(shù)值反映至模型最終成橋狀態(tài)，查看成橋狀態(tài)的不合理之處。由于該橋轉(zhuǎn)彎半徑太小，操作空間受到極大制約，正常喂梁時(shí)梁體與架橋機(jī)存在13°夾角，梁體無法進(jìn)入架橋機(jī)，常規(guī)雙導(dǎo)梁架橋機(jī)不能完成所有梁片架設(shè)。為減少架橋機(jī)兩道承重主梁和后支腿對Ｔ梁喂梁時(shí)的位置限制，做了以下優(yōu)化改造：（1）縮短架橋機(jī)主梁長度，僅保留40 m；（2）減小橫向?qū)挾龋唬?）根據(jù)梁片角度變化調(diào)整后支腿的位置和高度；（4）充分利用優(yōu)化后的操作空間，盡量減小架橋機(jī)橫移軌道的不平行角度，降低架橋機(jī)橫移的難度和脫軌的風(fēng)險(xiǎn)。通過對架橋機(jī)改裝后的受力驗(yàn)算分析，架橋機(jī)穩(wěn)定性滿足施工要求。但架橋機(jī)過跨后無法在橫移軌道上一次完成單跨T梁架設(shè)任務(wù)，需調(diào)節(jié)后支腿的法蘭盤和橫移軌道才能完成邊梁架設(shè)。當(dāng)法蘭盤調(diào)節(jié)完成并連接后，架橋機(jī)主梁存在一定扭矩；當(dāng)后支腿作為支點(diǎn)時(shí)架橋機(jī)前支腿將產(chǎn)生較大位移，存在較大安全隱患。為消除這部分扭矩造成位移帶來的安全隱患，采取法蘭盤和橫移軌道同時(shí)調(diào)節(jié)、多次微調(diào)的方法，大大減小了前后支腿位移的差異，也減少了主橫梁因軌道不平行而產(chǎn)生的扭矩，安全地完成邊梁架設(shè)。

3.5施工工藝模擬

創(chuàng)建黃艾大橋三維模型，并針對重難點(diǎn)的復(fù)雜工藝進(jìn)行準(zhǔn)確的施工模擬后，可發(fā)現(xiàn)鋼筋空間沖突、施工步驟、結(jié)構(gòu)扭曲以及樁號定位等問題，并做出相應(yīng)的整改方案。依據(jù)BIM技術(shù)的可視化特征輔助項(xiàng)目施工，實(shí)現(xiàn)鋼筋碰撞檢查，并通過模擬施工完成項(xiàng)目施工人員的技術(shù)交底工作，加深管理人員以及施工人員對小半徑大橫坡的大橋橋梁結(jié)構(gòu)的了解，進(jìn)一步提高小半徑大橫坡橋梁施工質(zhì)量。

從預(yù)制梁制作至橋梁施工，結(jié)合工藝模擬，通過BIM技術(shù)在小半徑大橫坡大橋施工過程的應(yīng)用，可總結(jié)以下注意事項(xiàng)：（1）梁片吊裝前或喂梁前，必須做好設(shè)備的檢查工作及試吊，做好前期的工程測量放樣；（2）過孔中必須保持架橋機(jī)平穩(wěn)緩慢前行，保證前支架的穩(wěn)定與垂直狀態(tài)，前、后支腿起頂以及保險(xiǎn)跺支撐是否牢固；（3）過孔選用的配重梁均為需要架設(shè)的3#或4#中梁，過跨成功后，可以直接將配重梁“對號入座”地安裝；（4）梁片起吊前，先用鋼墊板保護(hù)T梁底角和T梁翼板角，再用鋼絲繩兜底扣住鋼墊板，確保T梁梁體不受損，鋼絲繩兜底位置應(yīng)靠近Ｔ梁兩端支座預(yù)埋鋼板；（5）架橋機(jī)前支腿和中托對應(yīng)的橫移軌道要通過枕木和水準(zhǔn)儀調(diào)平，鋼軌道兩端各3 m范圍要用槽鋼或工字鋼加固，同時(shí)要與蓋梁固結(jié)好，以防架設(shè)邊梁時(shí)架橋機(jī)在軌道上偏心，導(dǎo)致鋼軌道受剪斷裂；（6）喂梁時(shí)，當(dāng)梁體吊離運(yùn)梁車2 cm時(shí)，暫停作業(yè)，在細(xì)致觀察后，確認(rèn)一切正常方能繼續(xù)起吊；（7）落梁時(shí)，需等梁片做好臨時(shí)加固后，方可卸下吊裝鋼絲繩。

4結(jié)語

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，山區(qū)公路路網(wǎng)建設(shè)日益完善，尤其在復(fù)雜地形山區(qū)公路上，小曲線半徑大橫坡的預(yù)制梁預(yù)制安裝設(shè)計(jì)應(yīng)用日益廣泛，但其施工難度高。本文以BIM技術(shù)設(shè)計(jì)小半徑大橫坡橋梁信息化技術(shù)體系，創(chuàng)建BIM信息模型，建立參數(shù)化構(gòu)件族，模擬關(guān)鍵施工工序，提高了箱梁架設(shè)準(zhǔn)確性，降低了失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，避免了因重點(diǎn)工序沖突的返工現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了BIM技術(shù)在小半徑大橫坡橋梁施工中的應(yīng)用。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，對常規(guī)的施工進(jìn)行精準(zhǔn)把控和工藝創(chuàng)新，從源頭入手，用BIM基礎(chǔ)的建模及模型調(diào)整的方法，模擬特殊施工工藝，找出錯(cuò)位與碰撞現(xiàn)象，克服施工難點(diǎn)，安全完成架設(shè)任務(wù)，并在黃艾大橋預(yù)制箱梁工程中順利應(yīng)用，為小半徑大橫坡橋梁施工積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，可為同類工程橋梁設(shè)計(jì)施工提供借鑒。

參考文獻(xiàn)

［1］ 盧卓君.淺談BIM技術(shù)在樞紐互通中的應(yīng)用［J］.黑龍江交通科技，2022，45（11）：135-137.

［2］龍波，凌塑奇，梁若洲.基于BIM的鋼管混凝土拱橋三維設(shè)計(jì)與穩(wěn)定分析［J］.西部交通科技，2022（5）：112-115.

［3］陳剛.BIM技術(shù)在預(yù)制T梁鋼筋設(shè)計(jì)優(yōu)化中的應(yīng)用［J］.西部交通科技，2022（1）：112-114.

［4］周群，黃瑩，榮浩，等.基于BIM技術(shù)的裝配式市政橋梁設(shè)計(jì)管理研究［J］.西部交通科技，2019（6）：102-107.

［5］張勝超，郭新賀，鮑大鑫.基于Dynamo的預(yù)制箱梁BIM模型參數(shù)化建模技術(shù)［J］.土木建筑工程信息技術(shù)，2021，13（3）：107-111.

［6］汪家華.基于Revit的連續(xù)剛構(gòu)橋BIM正向設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2020.

［7］曹新穎，孟凡凡，李小冬.基于精益管理的裝配式建造過程返工風(fēng)險(xiǎn)智能識(shí)別［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023（2）：52-60.

［8］畢玉，張明閃，吳昊柱，等.橋梁混凝土節(jié)段梁鋼筋數(shù)字化制造技術(shù)研究［J］.公路，2022，67（8）：172-177.

［9］張曉光，劉沖，李樂，等.BIM技術(shù)在橋梁工程施工中的應(yīng)用［J］.科技與創(chuàng)新，2022（13）：166-168，171.

［10］ 李寶元，張靈通，陳亞飛，等.某大橋基于Revit軟件的橋梁BIM模型設(shè)計(jì)［J］.四川建材，2022，48（8）：142-143.

作者簡介：農(nóng)左（1993—），工程師，主要從事交通工程建設(shè)與BIM技術(shù)應(yīng)用管理工作。