BIM技術在裝配式橋梁設計與施工中的應用

繆學勇

(蘭州有色冶金設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

1 BIM技術概述

BIM技術是基于三維數字化模型綜合建設項目過程控制信息，并應用信息化模型對項目進行規劃、設計、施工和運維管理，具有可視化、參數化、協調化、模擬化等特征。

1)可視化。BIM是一種新型設計理念，使設計方法從CAD圖紙設計時代轉變為模型設計時代，利用BIM軟件可以構建數字化橋梁模型，為可視化設計奠定基礎，以便后續分析結構、碰撞檢測、模擬施工等工作順利進行。橋梁設計中應用BIM技術可視化特征可以將構建信息立體展現出來，清晰表述各個構件關系，有利于復雜構件設計，可以提高項目交流溝通效率，提供準確決策參考意見。

2)參數化。橋梁設計時需要反復修改優化，傳統設計需要花費大量精力修改，尤其是大型橋梁十分明顯，導致時間成本增加。而采用BIM技術設計橋梁可以利用參數化建模方式將結構參數結合起來，只需要修改其中一個參數就可以自動調整其他參數，在優化目標的同時修改模型信息，節省設計人員的時間與精力，提高工作效率，降低設計出錯率[1]。

3)協同化。隨著BIM技術發展，設計人員可以利用該技術迅速完成工作，并通過協同化特征改善傳統設計問題，體現信息化設計理念。在橋梁設計中，由于橋梁項目涉及多個專業，通過BIM設計系統可以在同一平臺數據層中對不同專業進行統一設計，在確保不干涉其他數據的情況下實時更新數據模型，利用協同設計管理平臺，提高數據管理效率，也能夠幫助管理者迅速決策。

4)模擬化。BIM的模擬化特征主要體現在建筑模型設計中，其可以模擬一些現實生活中可能存在的現象。在橋梁設計中利用三維立體圖打造3D建筑模型，通過BIM摸擬測試施工中的安全事故，并利用4D模擬降低建筑成本。

2 裝配式橋梁設計與施工應用BIM技術優勢

裝配式橋梁建設過程中，數據人員通過應用BIM技術提供準確數據信息，幫助設計人員設計圖紙，提高施工方案設計效率。通過BIM技術創建裝配式交流模型，以便管理人員動態了解施工情況，方便管理工程。同時，利用BIM技術也能夠提高工程建設安全性，實時監控施工問題，控制建設資金，實現科學預算?？傊?，裝配式橋梁工程建設通過應用BIM技術可以間接增加企業經濟效益。而利用BIM技術優勢特征能夠拓展溝通渠道，讓工程建設過程中的投資方案以及構建數據更科學準確[2]。同時，通過BIM技術構建裝配式橋梁模型也能夠幫助設計和施工人員完成工作，提高橋梁建設施工水平，有利于迅速完成橋梁建設，推動裝配式橋梁行業發展。

3 BIM技術在裝配式橋梁設計施工中的具體應用

3.1 工程概述

某工程為裝配式橋梁，凈跨徑145 m，橋梁整體長度為287 m，其中人行道2 m，機動車道8.5 m。該橋梁中，主橋斷面為裝配式單箱五式，規格為2.8 m×8.3 m，凈跨徑145 m，凈矢高為35 m，凈矢跨比1∶ 4.14，主橋采用拱軸線，系數在1.9左右。主橋為預應力混凝土密肋式T梁，長高為12.16 m和0.85 m，預制中梁寬和厚為1 m和0.16 m，T梁采用低松弛鋼絞線和C50混凝土澆筑，橋面橫坡采用蓋梁，拱上立柱間距在6.4 m左右。預制拱箱頂板與底板寬度都為1.5 m。安裝完拱圈后進行接頭焊接，之后澆筑混凝土使拱圈完整化。按照7個階段分別吊裝，臺座采用C25混凝土澆筑，預制拱箱放在承梁臺架上，卸荷前在臺架上放上方形枕木支撐拱箱端頭。

3.2 設計應用

3.2.1 構建橋梁模型

該橋梁采用BIM技術設計模型，采用Revit軟件，從中選擇樣板導入CAD形狀，并添加參數，輸入尺寸標注樣式，見圖1。在樣板中繪制測量橋梁截面面，通過拉伸功能得到拱座族。蓋梁制作時，將其分為兩個構件組，兩組載入其中，選擇構件放置，進而得到蓋梁族，見圖2。

圖1 尺寸修改

圖2 族樣板

在預制拱箱時，隔橫板是重要構件，二者形成整體，主拱圈根據CAD段線可以分成不同節段，最終逐一采用放置法構建主拱圈。除了常規構件外，還需要構建其他模型，例如吊車、水泥罐車等，該軟件具有豐富族庫，并與3D max等軟件互相聯結，可以根據實際情況調用族庫中的模型，并導入到軟件中，節省模型建立時間[3]。

該橋梁模型主拱圈、墊梁等都實行梁單元模擬，同時予以實際參數模擬合龍方式和線形。吊裝拱箱時，扣索使用受拉桁架單元模擬，如圖3為設計圖紙上的模型。

圖3 設計圖紙模型

根據該其橋梁施工要點和設計圖紙流程，各構件通過逐步激活方式模擬，模擬使用單箱合龍，也就是先對稱吊裝拱腳段，并激活拱腳約束、扣索，之后吊裝、扣掛拱箱，合龍后再安裝施工其他構件[4]?；诠こ瘫尘?，本研究共建設3條線形，利用BIM技術實測模擬拱圈，得到結果如圖4所示，同時計算扣索，所得結果見表1，可得扣索安全性均超過3，則表示方案可行。采用C50混凝土時，軸心抗壓強度預期數值為22.4，抗拉強度為1.8，通過分析拱箱可以遵循該設計施工，安裝受力安全。

圖4 實測模擬圖

表1 合龍時扣索計算結果 單位：kN

表2 各階段拱肋內力和強度結果

3.2.2 預制構件設計

該橋梁影響因素較多，在預制施工時拱箱頂板出現裂縫，本文通過構件開發平臺對其進行有限元分析，尋找裂縫出現原因，并根據BIM技術提出施工意見。該橋梁采用ANSYS軟件進行有限元分析，結合BIM Revit軟件所創建的預制構件模型演示，建立截面、橫隔板、拱箱接頭等模型，對其進行有限元分析。在此基礎上發現其中存在的問題，預制構件受到日照溫度、安裝偏差等影響出現裂紋，在有限元分析中，對偏位維系主要分析構件對頂板受力影響，采用荷載模擬偏位，利用Revit模型標注分析對象，計算不同工況數值，觀察控制點位移情況，進而確定安裝偏位對頂板產生的影響。對此，采用BIM技術對預制構件進行高精度監控施工。

該橋梁中，鋼筋布設采用Revit中的鋼筋模型模板，設計人員可以根據這些模板進行配筋工作，利用BIM可視化特征在布設鋼筋時進行碰撞檢驗，以便設計人員完成鋼筋設計。具體設計時，該軟件可以提供多種預制鋼筋模板以便設計人員使用，這些預制模板可以分為不同類型，例如形狀固定類型、受平面限制類型、隨曲面變化類型等，在選定模板之后創新鋼筋，通過軟件選定型號、位置、彎折半徑等參數通過陳列命令規定鋼筋數量和間距，進而創建鋼筋三維模型。在設計命令中，通過碰撞檢查構件的鋼筋模型檢測內部部件是否完善，檢測碰撞時分別選中其中的兩組元素進行檢驗，完成后表示碰撞位置，之后點擊播放鍵查看具體位置。完整碰撞修改后選擇對象并導出報表，其中包含鋼筋型號、規格等信息。

不同構件在平面圖紙上彼此獨立，沖突難以發現，為了保證預制構件質量和施工順利，利用BIM技術確定各構件位置后需要對其進行碰撞檢查，對模型進行可視化集成分析，使其能夠在統一坐標系下根據尺寸構建橋梁構件模型，直觀觀察碰撞點信息，并由設計人員負責修改碰撞，避免施工返工，提高施工效率。

3.3 施工應用

該橋梁施工過程中涉及的預制構件生產操作較多，其通過應用BIM軟件可以優化流程，確保施工安全。實際操作時，根據BIM軟件中的數據設計人員結合橋梁特征共享數據，施工人員可以根據系統所提供的構件規格和尺寸分析保障預制構件質量，同時在橋梁施工中應用BIM技術通過制定現場方案定位檢查預制構件，確保各構件信息一致，減少構件誤用問題，提高施工質量水平，并根據該工程特征對施工順序進行模擬測試，利用BIM技術模擬裝配式施工，可以保障施工質量，準確定位預制組件，避免組件丟失或誤用，提高施工水平，施工人員根據軟件模擬結果進行實際施工，可以減少施工問題發生，縮短施工周期，控制施工成本進度和質量。

在拱箱預制施工過程中，利用BIM技術可以把控施工過程。施工前，利用BIM技術可以生成BIM大數據，同時進行分析。GIS平臺可以整合地理信息并將勘察數據統一平臺上，二者協同預演施工過程，確定場地布置，以便后續施工。臺座施工前需要設計人員復核設計圖并計算放樣數據，利用三維掃描技術與BIM信息模型結合將施工實際和設計差異顯示出來，并做出修正。預制拱箱臺座施工采用泥結碎石填心，周邊為混凝土砌筑，表面按照線形設計成預拱，同時進行處理，檢驗合格才能夠使用。完成后，進行養護。

腹板和橫隔板預制施工過程中，由于構件設計數量多，需要保證施工質量。腹板與橫隔板實行定型角鋼模板預制，預制前需要在模板中涂抹脫模劑，方便構件成型，振搗構件混凝土時可以使用附著式振搗器，以便混凝土均勻分布，防止離析。澆筑完構件后需要進行養護。

該橋梁前期控制中，預制拱箱組裝是重點工作，其施工質量影響著后續施工，因此在預制拱箱組裝施工時，一方面需要利用BIM模型和三維激光掃描技術迅速獲取構件三維數據并重構模型，通過三維掃描技術掃描預制拱箱得到其外觀形狀，并利用點云數據分析和檢測線形確定其是否滿足要求。另一方面，在臺座上準確放線各構件位置，同時使用卷尺復核[5]。安裝底板鋼筋過程中，需要提前對鋼筋間距和位置進行計算，并標記好，之后根據標記位置安裝底板鋼筋，上下層使用鋼筋分離，所設施的鋼筋架距離不可影響底板鋼筋。完成后使用龍門吊吊裝，就位后將各構件焊接好，同時做好保護層。各接頭部位需要仔細施工，預埋角鋼保障的拱箱對接是否準確，也影響著其受力，因此需要注意控制預埋角鋼施工質量。對此，可以通過固定鋼框使預埋角鋼對應，并注意安裝鋼框尺寸，防止其變形。

此外，預制拱箱模板使用可拆卸的木模板為最好，內部使用木方支撐，倒角部位模板為鐵絲綁扎牢固，底板混凝土強度在達到60%時才能夠澆筑頂板混凝土，避免混凝土收縮徐變影響質量。各道工序完成后，由專業人員檢測拱箱尺寸，與要求相符后進行后續施工。由于該橋梁拱箱施工時出現裂縫，其是由于預制橫隔板出現問題導致的，同時由于各構件連接復雜，容易被荷載等因素影響，因此需要采用高強度、高韌性混凝土材料制作橫隔板，本工程使用高韌性纖維混凝土，其在工程中的應用效果較好，在拱箱構件預制中應用可以增強構件強度。構件倒角縫連接部位性能弱，施工過程中如果模板難以布置容易被忽略，進而連接不緊密，影響受力，因此施工時需要考慮模板布置，并進行壓漿處理。

預制拱箱起梁一般使用液壓千斤頂與鋼板起梁彼此配合，施工過程中，拱箱兩邊所預留的位置放置了千斤頂，使用同樣規格的方形鋼板放于其上避免局部過度應力破壞梁體。施工前，需要準備枕木，千斤頂同步作業，起梁時確保枕木水平、速度穩定，避免出現安全事故。移梁前需要試壓檢查，使用槽鋼固定拱箱，并檢查牽引鋼絲繩安裝和遙控器靈敏度，操作時需要保證人員行進速度一致，并由專人負責跟蹤平板差保證移動安全，一旦發現異常及時剎車，避免出現安全問題。

預制構件施工過程中，采用BIM軟件可以整合不同專業模型，實時監控施工過程，實現高效管理。在BIM 的Revit軟件中，其憑借可視化功能實時監控施工過程，在裝配式橋梁施工期間構建動態監控體系實時反饋預制構件施工信息，確保組裝質量，避免放樣錯誤導致預制偏差。在橋梁監控中，Revit軟件模型結合有限元分析數據，并聯系實際監控數據以便管理人員隨時查看并利用模型進行分析，所有數據存儲在平臺上，方便了人員管理。

3.4 維護應用

在該橋梁施工過程中應用BIM技術可以提供更多信息，將橋梁現狀和所用材料問題及時反饋給預制構件生產商，在得到準確信息后可以保證預制構件質量，確保橋梁工程維護順利進行。在實際維護過程中，該橋梁根據BIM軟件構建的模型管理人員和施工，規范各施工環節中的施工技術，監管橋梁中的各種設計方案，控制其中存在的風險，避免施工后續損害企業經濟利益。同時，BIM技術通過共享施工所需構件規格等參數幫助生產商制造構件，可以加強企業和生產商之間的溝通，滿足施工對構件的具體要求，避免出現溝通問題，影響購進質量。

4 結束語

在裝配式工程中應用BIM技術不僅能夠模擬施工過程，而且能夠進行管理構建和計算造價，提高建筑施工質量。BIM技術模擬實際工程施工時，施工人員可以及時發現其中問題，并根據現場施工情況及時提出措施，而通過信息化模型也能夠促使建筑項目實現可視化，優化設計階段、溝通協調、質量控制和投資控制等工作，提高控制效果，避免后續工程出現返工和誤工等現象，提高裝配式橋梁施工效率，加強橋梁管控，為建筑行業規范化、持續化發展提供方向。

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