BIM技術(shù)在大跨度橋梁建造過程中的應(yīng)用研究

【摘要】文章基于BIM技術(shù)對(duì)跨京杭大運(yùn)河的大跨度橋梁施工進(jìn)行了系統(tǒng)研究。通過BIM三維建模技術(shù)，建立了橋梁地形模型、樁基與墩身模型、連續(xù)梁結(jié)構(gòu)模型及鋼筋模型，優(yōu)化施工過程中的進(jìn)度控制、材料整合和安全性分析。研究表明，BIM技術(shù)在橋梁施工中具有顯著的優(yōu)勢(shì)，能夠提高施工效率、保障質(zhì)量，并有效降低成本與風(fēng)險(xiǎn)，為大跨度橋梁的建設(shè)提供了新的技術(shù)思路與實(shí)踐參考。

【關(guān)鍵詞】BIM技術(shù)；大跨度橋梁；模型建立；施工信息化

【中圖分類號(hào)】TU201.4 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2024）11-0013-03

0 引言

我國(guó)作為基建大國(guó)，橋梁鐵路的建設(shè)是實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)結(jié)合、打通偏遠(yuǎn)地區(qū)與經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)聯(lián)系的紐帶。BIM是一種基于數(shù)字技術(shù)的建筑設(shè)計(jì)和管理方法，能夠?qū)蛄旱母鱾€(gè)方面集成到一個(gè)三維模型中，實(shí)現(xiàn)橋梁的全生命周期管理。BIM與橋梁結(jié)合，不僅能夠提高橋梁的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，降低橋梁的成本和風(fēng)險(xiǎn)，還能夠促進(jìn)橋梁的創(chuàng)新和優(yōu)化，增強(qiáng)橋梁的功能和美觀。本文以蘇北京杭大運(yùn)河大跨度橋梁的建設(shè)作為實(shí)例進(jìn)行分析，采用新型的建筑信息建模技術(shù)，遵循常規(guī)橋梁鐵路的建造步驟：可行性分析、中期設(shè)計(jì)、后期施工、遠(yuǎn)期維護(hù)的四個(gè)階段，在互聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)以及傳統(tǒng)的技術(shù)結(jié)合下，能夠更加有效地提高工程的質(zhì)量與速度，以期加快適應(yīng)未來的基礎(chǔ)建設(shè)工程步伐[1]。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目總體概況

邳州市境內(nèi)有一座跨越京杭大運(yùn)河的重要橋梁工程。這座特大橋位于運(yùn)河的特定區(qū)段，起自邳州市鳳彬船廠，止于汪莊東，全長(zhǎng)約1.58 km。橋梁主體結(jié)構(gòu)采用了系桿拱連續(xù)梁的設(shè)計(jì)，其中跨越運(yùn)河的主跨長(zhǎng)達(dá)168 m，兩側(cè)各有83.9 m的邊跨與之相連。

這座橋的建造采用了多種施工技術(shù)。主跨采用了懸臂澆筑法，利用掛籃逐段施工；邊跨則使用了支架現(xiàn)澆的方式。整個(gè)施工過程按照“支架法澆筑0#塊、懸臂施工主梁、邊跨現(xiàn)澆、合龍”的順序進(jìn)行，最終完成這座橫跨京杭大運(yùn)河的宏偉橋梁。該橋距離上游約50 m處就是著名的隴海鐵路跨京杭運(yùn)河特大橋，兩座大橋遙相呼應(yīng)，共同見證了這條千年運(yùn)河的現(xiàn)代化發(fā)展。

1.2 工程重難點(diǎn)

項(xiàng)目橋梁具有以下特性：①京杭大運(yùn)河為Ⅱ級(jí)通航河道，此橋?yàn)樘厥饨Y(jié)構(gòu)，不可預(yù)見性和不可控因素較多且跨度大，技術(shù)復(fù)雜，施工干擾大；②此橋是本段的控制工程，工期壓力大；③梁體為變截面連續(xù)箱梁，且位于縱坡上，線形控制難度大。鑒于此，對(duì)于跨京杭大運(yùn)河連續(xù)梁拱主跨的模型的構(gòu)建，為尋求最佳解決方案，在確保施工進(jìn)度與施工質(zhì)量以及人員安全的問題的基礎(chǔ)上，采用BIM技術(shù)進(jìn)行三維建模是勢(shì)在必行的。

2 BIM的構(gòu)建

2.1 地形模型構(gòu)建

前期工作包括地質(zhì)勘探和地形考察，匯總了關(guān)鍵地形特征，同時(shí)采用無人機(jī)航拍技術(shù)進(jìn)行高精度的數(shù)據(jù)采集，并結(jié)合點(diǎn)云技術(shù)，構(gòu)建了精確的三維地形模型。在Revit軟件中，用戶可以根據(jù)實(shí)際的地理數(shù)據(jù)或自定義的參數(shù)，生成和編輯地形模型，以模擬和分析地形的特征和影響。例如，可以在Revit軟件中進(jìn)行道路的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，考慮道路的位置、方向、坡度、曲率、交叉口等因素，以及道路對(duì)地形和環(huán)境的適應(yīng)性和影響。此外，通過地形模型的精細(xì)化建模和分析，設(shè)計(jì)人員可以直觀地評(píng)估項(xiàng)目施工的可行性，優(yōu)化項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案[2]。連續(xù)梁所處原始地形初步架橋模型如圖1所示。

2.2 樁基與墩身模型的構(gòu)建

在前期數(shù)據(jù)采集的條件下，基于詳細(xì)的施工圖紙對(duì)樁基、承臺(tái)、橋墩身進(jìn)行三維BIM技術(shù)的結(jié)構(gòu)建模。為了實(shí)現(xiàn)“一次創(chuàng)建，多次使用”的設(shè)計(jì)思路，需要充分利用BIM的共享功能，確保各個(gè)專業(yè)之間的協(xié)同和數(shù)據(jù)的共享。通過這樣的協(xié)同設(shè)計(jì)，提高了模型構(gòu)建的效率和精確性，減少了設(shè)計(jì)和施工過程中的返工和錯(cuò)誤，同時(shí)提高了數(shù)據(jù)的集成程度。

2.2.1 樁基、承臺(tái)模型構(gòu)建

對(duì)于樁基以及承臺(tái)的構(gòu)建，設(shè)計(jì)人員依照該連續(xù)梁的樁基和承臺(tái)的建造作為案例進(jìn)行詳細(xì)模擬。在BIM中，首先創(chuàng)建樁基族文件的子文件，并將其載入到承臺(tái)族文件中。接著，依據(jù)前期的施工圖紙，為每個(gè)構(gòu)件設(shè)定準(zhǔn)確的尺寸關(guān)系，并對(duì)族的類型進(jìn)行參數(shù)化定義，確保每一個(gè)構(gòu)件在模型中的準(zhǔn)確性和可修改性。這一過程不僅確保了模型的精確性和靈活性，還為后續(xù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化和施工階段奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過BIM的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，設(shè)計(jì)人員可以靈活調(diào)整構(gòu)件的尺寸和形式，以適應(yīng)不同的施工需求，極大提高了設(shè)計(jì)效率和工程質(zhì)量。具體繪制的承臺(tái)以及樁基的模型如圖2所示。

2.2.2 墩身模型構(gòu)建

墩身模型的三維結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建與承臺(tái)聯(lián)合模型建立相似，區(qū)別于承臺(tái)與樁基的建造過程的是，墩身是橋梁的重要組成部分，它承受著橋面的荷載和環(huán)境的作用。墩身的外部結(jié)構(gòu)通常具有復(fù)雜的形狀和細(xì)節(jié)，如曲線、變截面、裝飾等，這些特征在BIM下難以用傳統(tǒng)的建模方法準(zhǔn)確地表達(dá)和描述。因此，墩身的外部結(jié)構(gòu)在BIM下建模是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作，需要運(yùn)用高級(jí)的建模技術(shù)和工具，如參數(shù)化、自定義族、掃描等，才能實(shí)現(xiàn)圖紙要求的建模效果。墩身模型如圖3所示。

2.3 連續(xù)梁梁體結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建

考慮到該橋梁建造的復(fù)雜性，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行構(gòu)件數(shù)據(jù)測(cè)繪較為困難，以及該橋的大部分的構(gòu)件無法直接利用BIM軟件進(jìn)行繪制，因此需要對(duì)在該橋建設(shè)過程的每一個(gè)構(gòu)件進(jìn)行系統(tǒng)性的參數(shù)化建模。

在模型構(gòu)建的時(shí)候其重中之重就是對(duì)于支架搭設(shè)部分參數(shù)建模。

對(duì)于支架搭設(shè)部分的建造，因?yàn)榭紤]到研究進(jìn)行的三維建模橋梁0#塊長(zhǎng)為17 m，中心高9.5 m，底寬13.6 m，總方量為1 405.9 m3，重量為3 585.045 t。

0#塊包含5 m等截面段和12 m變截面段，每側(cè)外露墩身梁體6 m，采用鋼管立柱法一次性澆筑成型。兩側(cè)各設(shè)一排3根φ1.5 m鋼管柱，間距5.1 m，用槽鋼連接并灌注C50混凝土。柱頂?shù)子?2 mm鋼筋與0#塊和承臺(tái)相連，環(huán)向布置45根，分別伸入1 m和1.5 m。柱底與承臺(tái)頂32 mm厚預(yù)埋鋼板焊接固定。具體BIM建造如圖4所示。

2.4 連續(xù)化鋼筋建模

在BIM下的鋼筋建模是一個(gè)亟待解決的問題，需要不斷地探索和創(chuàng)新建模方法和技術(shù)。因?yàn)殇摻畹男螤睢?shù)量、位置、連接等都非常復(fù)雜，難以用簡(jiǎn)單的幾何元素表示，傳統(tǒng)的Revit對(duì)于這種復(fù)雜化的鋼筋建模留存有很大的局限。

在三維BIM下，對(duì)于連續(xù)梁中的鋼筋構(gòu)建是建模的重要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)[3]。它直接影響著模型的準(zhǔn)確性和完整性，以及后續(xù)的設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)等工作的質(zhì)量和效率。因此為了解決這些問題，設(shè)計(jì)人員擬采用Dynamo軟件進(jìn)行鋼筋模型線的編程以及繪制，繪制完成后再進(jìn)行轉(zhuǎn)化。這兩種軟件的結(jié)合減少了傳統(tǒng)鋼筋建模的繁雜工作量，提高了鋼筋建模的準(zhǔn)確性。

現(xiàn)場(chǎng)施工的時(shí)候，鋼筋統(tǒng)一在鋼筋加工場(chǎng)內(nèi)加工運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)綁扎。鋼筋原材料及鋼筋半成品根據(jù)所需加工出不同形狀。而在三維BIM建模下，由于橋梁的不同部位對(duì)于鋼筋的型號(hào)要求不同，以及對(duì)應(yīng)的形狀要求也各不相同，而且在進(jìn)行鋼筋敷設(shè)的時(shí)候，還要考慮鋼筋所需要的對(duì)于外緣混凝土的保護(hù)厚度要求。依附BIM下的結(jié)構(gòu)框架族進(jìn)行項(xiàng)目的載入，同時(shí)結(jié)合實(shí)際施工圖紙對(duì)應(yīng)的鋼筋的尺寸以及形狀進(jìn)行對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。最后根據(jù)鋼筋在布設(shè)時(shí)候的要求進(jìn)行剖切面布置如圖5所示[4]。將混凝土的構(gòu)造信息、選用鋼筋的信息，以及預(yù)應(yīng)力孔道的信息集成在一起，其具體的連續(xù)型箱式橋梁鋼筋預(yù)應(yīng)力管道的箱梁模型如圖6所示。

3 BIM技術(shù)施工階段應(yīng)用

BIM技術(shù)是一種基于數(shù)字技術(shù)的建筑設(shè)計(jì)和管理方法，它能夠?qū)⒔ㄖ母鱾€(gè)方面（如結(jié)構(gòu)、材料、施工、維護(hù)等）集成到一個(gè)三維模型中，實(shí)現(xiàn)建筑的全生命周期管理。BIM技術(shù)能夠利用模擬施工的方法，對(duì)施工方案進(jìn)行預(yù)演和優(yōu)化，提前發(fā)現(xiàn)和解決施工中可能出現(xiàn)的問題和風(fēng)險(xiǎn)，提高施工的效率和質(zhì)量。BIM技術(shù)還能夠通過項(xiàng)目管理的功能，對(duì)施工過程中的人員、物資、設(shè)備、進(jìn)度、成本等進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控和控制，保證施工的順利進(jìn)行[5]。BIM技術(shù)更能夠通過安全性的分析，評(píng)估施工中的安全隱患和事故概率，制定和執(zhí)行有效的安全措施，保障施工人員和設(shè)備的安全。BIM技術(shù)是一種創(chuàng)新、高效、智能的建筑施工方法，它能夠?yàn)榻ㄖ┕碇T多的好處。

另外在傳統(tǒng)的施工組織設(shè)計(jì)中，行業(yè)內(nèi)通常采用Microsoft Project做施工進(jìn)度計(jì)劃，展示的是二維的施工進(jìn)度，而利用BIM進(jìn)行的施工進(jìn)度控制，Navisworks可以將Microsoft Project文件鏈接到模型項(xiàng)目中為施工的組織和控制提供依據(jù)和指導(dǎo)。進(jìn)度計(jì)劃應(yīng)該采用動(dòng)態(tài)管理的方式，根據(jù)施工的實(shí)際情況和變化，及時(shí)調(diào)整和更新，保持進(jìn)度計(jì)劃的有效性和合理性。進(jìn)度計(jì)劃還應(yīng)該體現(xiàn)出施工的結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)管理水平的高效化，以及施工現(xiàn)場(chǎng)資源整合的合理利用。

4 結(jié)語

利用BIM技術(shù)在跨京杭大運(yùn)河連續(xù)大跨徑梁施工的應(yīng)用，結(jié)構(gòu)形式為系桿拱連續(xù)梁，主跨為168 m連續(xù)梁的建模過程，充分利用BIM技術(shù)的協(xié)同性進(jìn)行三維建模。建造的模型在滿足施工進(jìn)度周期的情況下，對(duì)于施工材料的整合、物資的儲(chǔ)備以及基建耗費(fèi)控制都滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)于BIM技術(shù)的發(fā)展提供了很好的推動(dòng)力。

研究中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前BIM技術(shù)還不能很好地協(xié)同多種軟件進(jìn)行項(xiàng)目的構(gòu)建，希望可以早日開發(fā)出具有多種交互性的BIM軟件，以期推動(dòng)建筑、結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域的精益化發(fā)展。

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