特大橋施工BIM技術(shù)研究與應(yīng)用

摘要 為了提升特大橋施工效率與質(zhì)量，文章以納晴高速牂牁江大橋?yàn)槔?，深入探討了BIM技術(shù)在橋梁施工中的應(yīng)用。首先，通過介紹橋梁工程概況，詳細(xì)分析了基于BIM技術(shù)的節(jié)點(diǎn)精細(xì)化設(shè)計(jì)，以及碰撞檢測(cè)與高效工程量統(tǒng)計(jì)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)；然后，評(píng)估了BIM技術(shù)在施工深化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用效果，并分析了其帶來(lái)的顯著效益。結(jié)果表明，BIM技術(shù)的應(yīng)用不僅顯著提高了設(shè)計(jì)精度與施工效率，還有效降低了施工風(fēng)險(xiǎn)與成本，為特大橋建設(shè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持與保障。

關(guān)鍵詞 BIM；特大橋；橋梁；施工；高速；荷載

中圖分類號(hào) U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）03-0069-03

0 引言

隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，特大型橋梁工程項(xiàng)目日益增多，這些項(xiàng)目不僅規(guī)模宏大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且對(duì)設(shè)計(jì)與施工的技術(shù)要求極高。納晴高速牂牁江大橋作為山區(qū)鋼桁梁懸索橋的典型代表，其施工過程中的技術(shù)挑戰(zhàn)與創(chuàng)新應(yīng)用成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

該文研究的牂牁江大橋工程具有施工難度較高的特點(diǎn)，其建設(shè)不僅面臨著復(fù)雜的地形地貌、多變的氣候條件，還需克服大跨度、高墩身、高強(qiáng)度材料應(yīng)用等工程技術(shù)難題[1]。在此種背景下，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工方法已難以滿足高效、安全、經(jīng)濟(jì)的施工需求，亟須引入新的技術(shù)手段提升項(xiàng)目綜合水平和施工效率。

BIM（建筑信息模型）技術(shù)以其強(qiáng)大的三維可視化、信息集成和協(xié)同能力，為特大橋施工提供了全新的解決方案。BIM技術(shù)能夠整合設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等各階段的信息，實(shí)現(xiàn)全生命周期的數(shù)據(jù)共享，以提升項(xiàng)目的綜合施工與建設(shè)效率[2]。因此，在牂牁江大橋的建設(shè)過程中，研究并應(yīng)用BIM技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程價(jià)值。以下將結(jié)合該工程的實(shí)際需求，對(duì)此展開研究。

1 工程概況

牂牁江特大橋主跨1 080 m，采用雙塔單跨簡(jiǎn)支鋼桁梁懸索結(jié)構(gòu)，其鋼桁梁立面設(shè)計(jì)獨(dú)特，跨越坡度為0.6%～2.0%的人字坡，展現(xiàn)了復(fù)雜而精湛的工程技術(shù)。全橋共73個(gè)節(jié)段吊裝單元，包括主桁梁鋼桁架和正交異性鋼橋面板兩部分，板桁結(jié)合，節(jié)段最大吊裝重量為231.3 t。

牂牁江特大橋主桁架屬于“華倫式”結(jié)構(gòu)。桁架間弦桿中心距達(dá)28 m，展現(xiàn)了高超的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程精度。橋面板采用U肋雙面焊接。鋼梁噸位為16 046 t，附屬鋼結(jié)構(gòu)為3 874 t，合計(jì)19 920 t。

牂牁江特大橋，作為納晴高速公路的標(biāo)志性工程，不僅是項(xiàng)目全線的關(guān)鍵控制點(diǎn)，更是貴州省交通網(wǎng)絡(luò)布局的重要一環(huán)。此條高速公路的建成，將加快貴州省“六縱大通道”的整體貫通，使貴州省西部南北運(yùn)輸大動(dòng)脈得到加強(qiáng)，為實(shí)現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展提供強(qiáng)大的推動(dòng)力，并對(duì)促進(jìn)沿線地區(qū)資源高效配置、能源深度開發(fā)及區(qū)域經(jīng)濟(jì)一體化發(fā)展具有不可估量的戰(zhàn)略價(jià)值[3]。牂牁江特大橋的屹立，不僅是工程技術(shù)的壯舉，更是區(qū)域協(xié)同發(fā)展的橋梁與紐帶。

2 基于BIM技術(shù)的橋梁設(shè)計(jì)

2.1 節(jié)點(diǎn)精細(xì)化設(shè)計(jì)

在BIM技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，該文提出一種以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的新的設(shè)計(jì)工作方式。以納晴高速公路牂牁江大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，通過在設(shè)計(jì)階段對(duì)鋼桁梁弦桿節(jié)點(diǎn)及細(xì)部模式進(jìn)行處理，使得最終的設(shè)計(jì)成果與現(xiàn)實(shí)情況最接近，并為生成滿足工藝制造需求的高品質(zhì)詳圖奠定了基礎(chǔ)[4]。應(yīng)用Prosteel結(jié)構(gòu)詳圖軟件，選取所需的節(jié)點(diǎn)形式，手動(dòng)輸入?yún)?shù)，根據(jù)選擇節(jié)點(diǎn)形式和參數(shù)，生成特定節(jié)點(diǎn)。

在處理具有復(fù)雜曲面、特殊或復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件時(shí)，由于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)庫(kù)可能無(wú)法直接覆蓋這些非典型構(gòu)件，一種高效的方法是采用自定義的組件策略，結(jié)合焊接型鋼與組合型鋼的設(shè)計(jì)思路實(shí)現(xiàn)批量操作[5]。以Prosteel軟件的組合結(jié)構(gòu)模塊為例，面對(duì)細(xì)節(jié)繁多、結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜的零件，傳統(tǒng)上逐一布置每一個(gè)零件的做法不僅耗時(shí)耗力，而且效率低下。

為了優(yōu)化這一過程，可以利用Prosteel提供的組合結(jié)構(gòu)功能，該功能允許用戶將多個(gè)相關(guān)聯(lián)的零件預(yù)先設(shè)計(jì)并整合為一個(gè)整體的結(jié)構(gòu)單元[6]。通過這一創(chuàng)新方法，原本復(fù)雜的布置任務(wù)被大大簡(jiǎn)化：用戶只需創(chuàng)建一次組合結(jié)構(gòu)模板，隨后利用軟件的“一鍵部署”功能，即可迅速而準(zhǔn)確地復(fù)制并放置多個(gè)相同的組合結(jié)構(gòu)單元[7]。如圖1所示為主橋梁段單元BIM模型的展示圖。

2.2 碰撞檢查與工程量統(tǒng)計(jì)

在所述項(xiàng)目中，采用Bentley Prosteel軟件的集成碰撞檢測(cè)模塊，能夠高效執(zhí)行包括型鋼、板材、實(shí)體構(gòu)件及螺栓連接在內(nèi)的全方位碰撞檢測(cè)，迅速識(shí)別并精確定位潛在的沖突點(diǎn)[8]。以橋梁結(jié)構(gòu)中的橋塔為例，此功能有效揭示了一處設(shè)計(jì)冗余，即發(fā)現(xiàn)兩塊完全相同的隔板被不必要地重復(fù)設(shè)計(jì)，這不僅觸發(fā)了板材間的直接碰撞風(fēng)險(xiǎn)，還導(dǎo)致了材料清單中零件數(shù)量的虛增，進(jìn)而增加了不必要的生產(chǎn)成本和材料浪費(fèi)。

通過BIM（建筑信息模型）技術(shù)的碰撞檢測(cè)能力，能夠在設(shè)計(jì)初期就前瞻性地識(shí)別并解決這類問題，實(shí)現(xiàn)問題規(guī)避的前置化。這種做法不僅從根本上消除了碰撞隱患和設(shè)計(jì)上的不一致性，還為后續(xù)工作流程奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，包括輸出精準(zhǔn)無(wú)誤的施工圖紙、確保零部件加工的精確性，以及促進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)安裝的順暢進(jìn)行。BIM技術(shù)在此過程中的應(yīng)用，無(wú)疑為提升項(xiàng)目整體質(zhì)量、優(yōu)化資源配置及加速項(xiàng)目進(jìn)程提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持

和保障。

橋梁的建設(shè)涉及多樣化的材料種類，在材料清單的編制過程中，精確區(qū)分構(gòu)件的截面形狀與類別至關(guān)重要。通過應(yīng)用BIM技術(shù)，可以構(gòu)建出鋼結(jié)構(gòu)橋梁的詳細(xì)三維模型，這一建模過程自然融入了零件的定義與分類，為后續(xù)操作奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)?；谶@一模型，可以靈活選擇單個(gè)或成批的零件，利用BIM軟件內(nèi)置的材料表導(dǎo)出功能，以預(yù)設(shè)的格式自動(dòng)生成材料清單。在深入細(xì)化的項(xiàng)目BIM模型框架下，運(yùn)用軟件內(nèi)置的定制化材料表的輸出功能，可以按照預(yù)先規(guī)劃好的格式精準(zhǔn)生成材料清單。

3 基于BIM的工程施工深化設(shè)計(jì)與應(yīng)用效益分析

3.1 深化設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)階段完成后，鋼結(jié)構(gòu)橋梁的構(gòu)件設(shè)計(jì)雖已滿足初步加工與安裝需求，但在工程實(shí)踐中經(jīng)常遇到設(shè)計(jì)變更或施工條件變動(dòng)，這就要求BIM深化設(shè)計(jì)部門迅速響應(yīng)，調(diào)整并優(yōu)化BIM模型，以實(shí)現(xiàn)BIM模型中細(xì)部結(jié)構(gòu)參數(shù)的變更，此過程如式（1）所示。

（1）

式中，c——參數(shù)變更；c0——原始參數(shù)；Δi——變更節(jié)點(diǎn)；γ——調(diào)整量。

在此基礎(chǔ)上，深化設(shè)計(jì)需緊密銜接鋼結(jié)構(gòu)制作、運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)安裝流程，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)與土建、機(jī)電等參建方的協(xié)同，確保技術(shù)無(wú)縫對(duì)接。在深化過程中，應(yīng)全面吸納各方技術(shù)需求，及時(shí)反饋深化圖紙，并獲取設(shè)計(jì)單位的認(rèn)可，為后續(xù)工作奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

為實(shí)現(xiàn)高效協(xié)同，深化設(shè)計(jì)部門依托BIM協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，構(gòu)建跨專業(yè)、跨單位的溝通渠道，確保終端的信息流通順暢。通過該平臺(tái)，不僅能夠促進(jìn)專業(yè)間的技術(shù)討論與問題解決，還能直接與設(shè)計(jì)院進(jìn)行意見交換與確認(rèn)，以優(yōu)化設(shè)計(jì)變更流程。整個(gè)流程如圖2所示。

在工程施工階段，針對(duì)鋼板預(yù)留穿孔、洞口及預(yù)埋件等關(guān)鍵細(xì)節(jié)，BIM技術(shù)能夠精準(zhǔn)模擬并優(yōu)化施工圖紙，確保每個(gè)預(yù)留位置的準(zhǔn)確無(wú)誤，避免現(xiàn)場(chǎng)返工。對(duì)于復(fù)雜的鋼筋節(jié)點(diǎn)，BIM模型通過三維放樣分析，并通過建立目標(biāo)函數(shù)的方式，直觀展示鋼板預(yù)留穿筋孔的最佳位置與順序，有效解決了傳統(tǒng)二維圖紙難以直觀表達(dá)的難題。其中，目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式如下：

（2）

式中，f——工程節(jié)點(diǎn)鋼板預(yù)留穿筋孔的施工目標(biāo)函數(shù)；φ——鋼板坐標(biāo)矩陣；a——誤差矩陣；e——細(xì)部結(jié)構(gòu)的比例系數(shù)。

在施工中，將參數(shù)錄入模型并將其與目標(biāo)函數(shù)匹配，當(dāng)參數(shù)收斂并達(dá)到最優(yōu)值后，輸出參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程的深化設(shè)計(jì)。

3.2 應(yīng)用效益分析

應(yīng)用BIM技術(shù)對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行施工過程的對(duì)齊、配準(zhǔn)、節(jié)點(diǎn)拼裝誤差校正，此過程如圖3所示：

按照上述方式，對(duì)工程進(jìn)行施工，經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，所有預(yù)拼裝節(jié)點(diǎn)均實(shí)現(xiàn)了零碰撞記錄，此數(shù)據(jù)直接證明了BIM技術(shù)在優(yōu)化設(shè)計(jì)與施工協(xié)調(diào)方面具備的優(yōu)勢(shì)。通過BIM模型的精細(xì)化模擬與動(dòng)態(tài)調(diào)整，施工團(tuán)隊(duì)提前發(fā)現(xiàn)并解決了潛在的碰撞問題，使得現(xiàn)場(chǎng)施工流程更加順暢。

4 結(jié)論

將設(shè)計(jì)的BIM結(jié)構(gòu)模型應(yīng)用到工程中，通過實(shí)踐可以得到如下兩個(gè)方面的結(jié)論：

（1）納晴高速牂牁江大橋在施工過程中，通過BIM技術(shù)的深入應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了施工效率的大幅提升。BIM模型的精準(zhǔn)模擬與動(dòng)態(tài)調(diào)整，使得施工團(tuán)隊(duì)能夠提前發(fā)現(xiàn)并解決潛在的施工難題，避免了現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)調(diào)整與返工。據(jù)統(tǒng)計(jì)，BIM技術(shù)的應(yīng)用使施工周期縮短了約15%，顯著加快了工程進(jìn)度。同時(shí)，BIM模型的直觀性也降低了施工難度，提升了工人的作業(yè)效率，為項(xiàng)目按時(shí)完工奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（2）BIM技術(shù)在牂牁江大橋施工中的另一大效益體現(xiàn)在成本控制上。通過BIM模型的精確計(jì)算與模擬，施工團(tuán)隊(duì)能夠準(zhǔn)確預(yù)估材料用量與人力需求，避免了材料浪費(fèi)與人力閑置。此外，BIM技術(shù)還幫助優(yōu)化了施工方案，減少了不必要的施工環(huán)節(jié)與費(fèi)用支出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，項(xiàng)目整體成本較傳統(tǒng)施工方法降低了約10%，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的雙贏。

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收稿日期：2024-07-23

作者簡(jiǎn)介：張燕偉（1996—），男，本科，工程師，從事鋼結(jié)構(gòu)橋梁制造技術(shù)研究工作。