基于數(shù)字化技術(shù)的斜拉橋上塔柱復(fù)雜鋼筋組裝優(yōu)化

熊雪飛 王鵬 張捷 楊世聰 李治翰

(1.四川川黔高速公路有限公司 四川 成都 610000；2.四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司 四川 成都 610000；3.重慶交通大學(xué) 省部共建山區(qū)橋梁及隧道工程國家重點(diǎn)實驗室，重慶 400067）

0 前言

建筑信息模型（Building Information Modeling，簡稱BIM）因具有將存儲于模型中的技術(shù)信息與項目各階段資料相對應(yīng)的特點(diǎn)，在建筑、橋梁等工程領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用與推廣[1]。相比于建筑領(lǐng)域，橋梁工程領(lǐng)域中的結(jié)構(gòu)更加異型、復(fù)雜，加之現(xiàn)有軟件對于橋梁異型結(jié)構(gòu)的族文件很少[2]，BIM應(yīng)用于復(fù)雜的橋梁工程具有一定局限性。為此，很多國內(nèi)外學(xué)者開展了研究：Young Sang Cho[3]等基于參數(shù)化BIM技術(shù)設(shè)計，探索了可設(shè)置鋼筋并且可轉(zhuǎn)化為圖紙的新型鋼筋混凝土平板建模技術(shù)；Mohit[4]等考慮梁柱接頭碰撞，建立了基于BIM技術(shù)和遺傳算法自動設(shè)計無沖突鋼筋模型；Liu[5]等基于Autodesk Revit軟件建模并二次開發(fā)軟件設(shè)置鋼筋；Mangal[6]等基于BIM研究和遺傳算法自動設(shè)計框架鋼筋的方法，自動開展鋼筋混凝土梁柱復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的鋼筋碰撞檢測；崔琨[7]基于Revit和軟件的二次開發(fā)，提出了自動生成鋼筋的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模技術(shù)，該技術(shù)能自動開展鋼筋碰撞檢測；劉師卓[8]運(yùn)用參數(shù)化BIM設(shè)計技術(shù)，構(gòu)建包含配筋及幾何信息的混凝土梁和柱配筋模型；王一鳴[9]利用Visual Studio 2016，以及Revit軟件的二次開發(fā)技術(shù)，構(gòu)建了矮T梁鋼筋模型。

已有研究極大地推動了BIM技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，但大多集中在建筑領(lǐng)域，橋梁領(lǐng)域的應(yīng)用相對簡單，對于具有結(jié)構(gòu)異型、預(yù)埋構(gòu)件多、鋼筋類型多樣、數(shù)量眾多等特點(diǎn)的橋梁索塔錨固區(qū)復(fù)雜鋼筋的數(shù)字化技術(shù)還鮮有文獻(xiàn)可見[10]。本文以山區(qū)大跨度斜拉橋赤水河大橋上塔柱為依托，分析該復(fù)雜部位鋼筋組裝特性，在二維CAD基礎(chǔ)上，基于數(shù)字化技術(shù)，二次開發(fā)“Revit+Civil3D+Dynamo”軟件建立鋼筋組裝可視化模型，并開展鋼筋與鋼筋、鋼筋與預(yù)埋件等碰撞檢測，優(yōu)化了鋼筋布局，明確了鋼筋組裝順序，減少了因?qū)D紙的理解差異而出現(xiàn)的失誤，解決了復(fù)雜環(huán)境下如何保證鋼筋施工的質(zhì)量，提高施工效率的難題，以期為同類型橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工提供參考。

1 工程概況

赤水河特大橋為雙塔雙索面組合梁斜拉橋，橋跨布置為257m+575m+257m。主梁采用雙邊“工”字型邊主梁結(jié)合橋面板的整體斷面，全寬38m（不含氣動翼板）。索塔采用收腿的 A 型造型，整體式承臺，兩側(cè)各布置23對斜拉索。索塔高約261m，由下塔柱、下橫梁、中塔柱、上橫梁、上塔柱組成，其中下塔柱高88.9m，中塔柱高85.4m，上塔柱高（含塔冠）86.7m，索塔在橋面以上高度約為158m，高跨比為0.275，如圖1所示。斜拉索塔端采用鋼錨梁的錨固方式（前兩對索采用混凝土齒塊錨固），鋼錨梁主要承受斜拉索的平衡水平力。每套鋼錨梁錨固1對斜拉索。南索塔有鋼錨梁共42套，單個塔柱包含21套，自下而上編號為3#～23#。鋼錨梁施工過程中一端固定，一端滑動，滑動端交錯設(shè)置。上塔柱混凝土施工與鋼錨梁安裝同時進(jìn)行。

圖1 赤水河大橋索塔

2 上塔柱鋼筋組裝施工難點(diǎn)分析

2.1 預(yù)埋件多，而且安裝精度要求高

上塔柱錨固區(qū)由鋼錨梁、U型預(yù)應(yīng)力筋、錨下螺旋筋、索道管、支撐構(gòu)造鋼筋的型鋼勁性骨架、構(gòu)造鋼筋等構(gòu)成，預(yù)埋件多，組裝精度要求高，構(gòu)造鋼筋類型眾多，結(jié)構(gòu)為網(wǎng)狀多層級鋼筋。

2.2 塔柱高空作業(yè)操作空間狹小，鋼筋難以正確定位

上塔柱錨固區(qū)的鋼錨梁、U型預(yù)應(yīng)力筋和索導(dǎo)管的安裝精度要求非常高，因此該復(fù)雜部位作業(yè)須先將這些預(yù)埋件安裝定位，然后再綁扎構(gòu)造鋼筋。此外，構(gòu)造鋼筋的操作空間非常有限，難以正常工作，不利于鋼筋精確安裝。因此，還須兼顧混凝土粗集料的下料通道，保證混凝土的澆筑質(zhì)量。

2.3 塔柱鋼筋類型多，工序繁瑣，鋼筋綁扎質(zhì)量難以控制

基于二維圖紙，操作人員難以正確掌握復(fù)雜鋼筋的組裝順序，再加上操作員素質(zhì)良莠不齊，偷工減料、返工等現(xiàn)象常有發(fā)生，很難按照設(shè)計要求組裝，存在較大的質(zhì)量和安全隱患。

3 上塔柱錨固區(qū)數(shù)字化模型的建立

3.1 型鋼模型搭建

現(xiàn)有的軟件對于橋梁異形結(jié)構(gòu)的族文件很少，并且鋼錨梁、U型預(yù)應(yīng)力筋、錨下螺旋筋、索道管等預(yù)埋件的定位精度要求高，需要在滿足預(yù)埋件位置的情況下調(diào)整、優(yōu)化造鋼筋的位置，此外索塔錨固區(qū)復(fù)雜鋼筋不能直接建模，必須二次開發(fā)現(xiàn)有軟件才能滿足要求。本文基于Autodesk平臺，采用“Revit+Civil 3D+Dynamo”的軟件組合方式的建模方案，這里涉及三款軟件，分別為Revit、Civil 3D和Dynamo，Revit通過其強(qiáng)大的族功能，可以定制各種橋梁族構(gòu)件，Civil 3D可以解決橋梁三維曲線問題，Dynamo用于將這些族構(gòu)件放置到設(shè)計的位置。本文建模思路如下：采用Revit概念體量法創(chuàng)建通用索塔模型，并通過12個自適應(yīng)點(diǎn)位控制鋼錨梁、預(yù)應(yīng)力筋等預(yù)埋件創(chuàng)建自適應(yīng)族；其次，為減少人為因素誤差，基于Civil 3D二次開發(fā)讀取索塔鋼錨梁、預(yù)應(yīng)力筋等預(yù)埋件軸線數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)運(yùn)算自動繪制鋼錨梁、預(yù)應(yīng)力筋等預(yù)埋件中心線；最后根據(jù)索塔鋼錨梁、預(yù)應(yīng)力筋等預(yù)埋件軸線數(shù)據(jù)三維生成型鋼勁性骨架，基于具有可視化編輯功能的Dynamo軟件，根據(jù)預(yù)設(shè)預(yù)留混凝土下料通道布置，適當(dāng)調(diào)整局部鋼筋參數(shù)，自適應(yīng)布置構(gòu)造鋼筋，在勁性骨架上生成構(gòu)造鋼筋實現(xiàn)建模[11]。建模工序如圖2所示。

圖2 復(fù)雜鋼筋數(shù)字化建模工序

3.2 數(shù)字化建模的優(yōu)點(diǎn)

本文基于數(shù)字化通過“Revit+Civil 3D+Dynamo”軟件的二次開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)復(fù)雜鋼筋三維可視化建模實現(xiàn)三維可視化交底，明確各類型鋼筋的施工順序，讓每名操作員直觀地認(rèn)知錨固區(qū)鋼筋的綁扎工藝及綁扎工序。

保證各預(yù)埋件的安裝精度，構(gòu)造鋼筋的位置根據(jù)預(yù)埋件的位置進(jìn)行局部調(diào)整及優(yōu)化；明確塔柱錨固區(qū)各組成部件的施工工序，從而避免材料浪費(fèi)和返工事件的發(fā)生；鋼筋綁扎時預(yù)留混凝土下料通道，保證混凝土的澆筑質(zhì)量；提高鋼筋綁扎效率，保證鋼筋施工質(zhì)量以及操作人員安全。

4 碰撞檢測及優(yōu)化

根據(jù)CAD平面設(shè)計圖紙中鋼錨梁、U型預(yù)應(yīng)力筋、錨下螺旋筋、索道管等信息，建立復(fù)雜部件密集鋼筋模型，并通過模型發(fā)現(xiàn)鋼筋與預(yù)埋件在空間上存在碰撞，于是，修改局部參數(shù)，調(diào)整和優(yōu)化碰撞處的構(gòu)造鋼筋間距，全面提高鋼筋施工質(zhì)量。

通過二次開發(fā)軟件實現(xiàn)鋼錨梁和索塔箍筋之間的碰撞檢測，鋼錨梁的定位必須準(zhǔn)確，發(fā)現(xiàn)有局部的索塔箍筋不能通過鋼錨梁加勁肋處孔洞，適當(dāng)調(diào)整箍筋間距，局部箍筋間距過大輔以加強(qiáng)筋，部分鋼筋與鋼錨梁沖突，不能通過調(diào)整鋼筋間距來解決時，可加設(shè)勁板，安裝時鋼。

擠壓構(gòu)造鋼筋間距，增加了混凝土粗集料的下料難度，應(yīng)在滿足規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG3362-2018）的基礎(chǔ)上，焊接固定筋與勁板，確保上塔柱混凝土施工與鋼錨梁安裝同時作業(yè)。由于此前預(yù)埋了鋼錨梁鋼板和大量的開孔板，當(dāng)水平鋼筋穿過開孔板時應(yīng)盡量遠(yuǎn)離預(yù)埋鋼板，同時適當(dāng)挪動豎向鋼筋位置，核查鋼筋與鋼板間的凈距，保證骨料能夠順利通過。

索導(dǎo)管的安裝精度直接關(guān)系到斜拉索的安裝效果，當(dāng)構(gòu)造鋼筋與斜拉索套導(dǎo)管相干擾時，可使部分構(gòu)造鋼筋繞道索導(dǎo)管，部分間距大的構(gòu)造鋼筋輔以加強(qiáng)筋補(bǔ)強(qiáng)，或者構(gòu)造鋼筋在索導(dǎo)管處截斷，應(yīng)將截斷的鋼筋牢固焊接在索導(dǎo)管上。施工放樣時，應(yīng)提前幾個施工節(jié)段預(yù)判主筋和預(yù)應(yīng)力錨頭的干擾，預(yù)先彎折部分主筋繞開錨頭，避免主筋截斷。

先鋪設(shè)U型環(huán)向預(yù)應(yīng)力管道，并且保證位置準(zhǔn)確，當(dāng)構(gòu)造鋼筋通過環(huán)向預(yù)應(yīng)力管道時，可適當(dāng)調(diào)整局部構(gòu)造鋼筋位置，優(yōu)先保證環(huán)向預(yù)應(yīng)力管道位置正確。當(dāng)錨下螺旋筋與分布筋相干擾時，適當(dāng)移動分布鋼筋或調(diào)整分布鋼筋的間距。

已安裝的鋼錨梁、U型預(yù)應(yīng)力筋、錨下螺旋筋、索道管等預(yù)埋件，需要適當(dāng)調(diào)整構(gòu)造鋼筋間距，預(yù)留出混凝土下料通道。

此外，模型內(nèi)部也存在諸多碰撞問題，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場需要和工程實際適當(dāng)調(diào)整局部參數(shù)，最終得出鋼筋模型的碰撞報告，通過碰撞報告，明確碰撞位置，優(yōu)化鋼筋綁扎工藝，并重點(diǎn)記錄下來，在三維可視化施工交底時予以強(qiáng)調(diào)。

5 結(jié)束語

在山區(qū)大跨度斜拉橋赤水河大橋上塔柱施工過程中，本文基于數(shù)字化技術(shù)，采用“Revit+Civil 3D+Dynamo”的軟件二次開發(fā)的基礎(chǔ)上建立模型，實現(xiàn)鋼筋碰撞檢測，優(yōu)化了鋼筋布局，實現(xiàn)數(shù)字化三維模型技術(shù)交底，明確了鋼筋組裝順序，減少操作人員因?qū)D紙的理解差異而出現(xiàn)的組裝失誤，避免了返工，節(jié)約了工期，解決了復(fù)雜環(huán)境下保證鋼筋施工質(zhì)量，提高了施工效率，可為今后類似橋梁復(fù)雜部件鋼筋設(shè)計、施工提供有益參考。