BIM技术在钢结构拱圈施工管理中的应用

刘海东

摘要：基于BIM的虚拟建造是实际建造过程的虚拟仿真实现，能够发现实际建造中存在的或可能出现的问题，为各个参与方提供一种可控制、无破壞性、耗费小、低风险并允许多次重复的试验方法，可以提高建造水平，消除建造隐患，预防建造事故，减少施工成本，增强施工过程中决策、控制与优化的能力。将BIM技术应用于具体施工过程中，可以在不消耗现实材料等资源的前提下，让各参建方在施工之前就能看到并了解施工的详细过程和结果，从而选择最优的施工方案进行施工，避免不必要的返工所带来的人力和物力消耗，能够节省工期，为实际工程项目施工提供指导和最优的可行性方案。

Abstract： Virtual construction based on BIM is a virtual simulation of the actual construction process， it can find out the problems that exist or may arise in the actual construction and provide a controllable， destructive， costly， low risk and allowable repeated test methods， can improve the construction level， eliminate construction risks， prevent construction accidents， reduce construction costs and enhance the decision-making， control and optimization capabilities in construction process. Applied BIM technology to the specific construction process， each participant can see and understand the detailed process and results of the construction before construction under the premise of doing not consume real materials and other resources， so as to choose the optimal construction program， avoid unnecessary rework caused by the human and material resources， save duration and provide guidance and the best feasibility program for the actual construction of the project.

关键词：BIM技术；虚拟建造；施工成本；节省工期

Key words： BIM technology；virtual construction；construction cost；saving duration

中图分类号：TU17 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）01-0114-03

0 引言

本文以某大桥的钢结构装饰拱圈安装工程为背景，将BIM技术应用在装饰拱圈的安装全过程中。针对工程的特点及结构复杂程度，构建了大桥和拱圈的BIM模型，发现了设计缺陷，施工前将所有的设计缺陷全部排查掉，对拱圈的安装过程进行施工模拟并对方案进行优化。达到了对施工进度进行精细化管理的目的，通过实际进度与计划工期进行对比，及时发现滞后的原因，调整资源配置方案，避免了施工过程中的返工现象，对缩短工期起到了显著的作用。

1 工程背景

某大桥全长802.59m，全线无平曲线，由主桥、引桥、引道三部分组成。桥梁主桥为4跨大跨径变截面连续箱梁桥，单箱双室结构，长度380m，跨径布置为70+120+120+70=380m；两侧引桥采用连续箱梁形式，西引桥长80m，跨径布置为2×40=80m；东引桥长120m，跨径布置为3×40=120m。

主桥景观装饰部分采用异型钢箱拱结构。该拱圈跨度为120m，共两跨。拱圈最高处桥面以上高度为28.29m，施工难度很大，主要体现在以下三点：

①拱圈结构分段安装需设置临时支撑体系，钢结构临时支撑体系的设计及稳定性是本工程的重点。

②拱圈高位吊装，保证拱圈结构分段高空实现工厂试拼装状态，曲线线形能够得到保证是本工程的重点，也是难点。

③拱圈结构分段接口对接焊接质量及高空作业安全是本工程的重点。

2 模型的创建

2.1 构建大桥主体结构的模型

首先根据大桥的结构形式及应用点的选择，进行主体结构模型的创建，包括桩基、承台、墩身、垫石、支座、箱梁的模型，由于此部分不做施工模拟。所以，根据《中国市政设计行业BIM实施指南》要求，将这一部分的模型精度定义为L2级，如图1所示。

2.2 构建拱圈及附属设施模型

为了查找施工图的缺陷以及需要对拱圈的安装过程进行施工模拟，按照《中国市政设计行业BIM实施指南》要求，将拱圈及其附属部件的模型精度定义为L3级。施工辅助设施包括施工用的临时支架，工作平台，千斤顶等模型同样为L3级。

依据设计文件，综合考虑拱圈结构、承载要求及加工、运输及安装等因素，对拱圈节段进行进一步划分，共划分成12个节段，并分段建立模型。

全部的模型建立完成后，在BIM软件中对钢结构拱圈及施工辅助设施进行预拼装，发现模型的尺寸有严重的误差，从FD12段至FD1段方向拼装，到FD4与FD3段接口处，两拼装段断面直线距离达到1.824m。经仔细检查发现设计院的二维施工图中装饰拱圈是独立于大桥主体结构，按照水平同一高度设计的，未考虑桥面纵坡。而实际桥面的纵坡所产生的相邻两个与桥面接触的拱脚标高相差2.126m，如图4所示。endprint

设计院重新对拱圈的施工图进行深化设计后解决了此项问题。在施工图复核阶段，通过对拱圈BIM模型的预拼装，找出了设计缺陷，避免了返工现象。同时，也避免了材料及施工设备盲目的投入。

3 施工模拟及方案优化

3.1 施工模拟

装饰拱圈总跨度120m，单个节段重量20吨以上（FD1段除外），单侧拱圈结构共划分为24节，全桥共计48个节段。总体施工步骤：拱圈分段制作→厂内预拼装→构件运输→桥面检查验收→测量放线→预埋件安装→拱脚钢箱安装→混凝土灌注→临时支撑安装→拱圈安装→ 临时支撑体系拆除→吊杆安装→面漆涂装→竣工验收。

在场地规划方面，传统的做法是用二维的CAD软件绘制不同角度的简图，在平面图上研究吊装设备的合理布置方案，并对吊装的过程进行描述，但此做法局限性较大。几张二维简图无法体现出各个物体之间的相对位置关系，很难发现一些施工过程中的问题，更无法表达施工的动态全过程。同时，传统的施工方案编制时，大多数的计算都是在确保安全性的前提下进行一定系数的放大来对机械设备进行选型，这种情况往往过于保守，造成资源的浪费。为此，将BIM模型及进度文件导入到施工模拟软件中，将每个部件的起始时间与模型相关联，利用Timeliner工具进行进度模拟，并将实际尺寸的吊车模型导入模拟软件中，用Animator工具对吊车站位、臂长、出臂角度以及拱圈节段的起吊位置等方面做吊裝过程及拱圈分割段运动路径的分析，来保证吊装工作的准确性与安全性，通过吊装过程模拟来确定吊车的型号。（图6、图7）

3.2 方案比选与优化

在未进行吊装模拟前，原方案考虑到场地空间的限制，加之起吊点的选择，在单跨拱圈设置5个临时支架，在拼装FD1-FD3段及FD12-FD10段之后，拼装FD4-FD9段，此种方案虽可行，但吊装次数较多，施工周期较长，单侧单跨需要吊装6次。为此制定了第2中方案，在单跨拱圈的位置下设置2个临时支架，相邻两个FD4、FD5段在地面焊接成一段，然后吊装，但这种方案对吊车定位的准确性及作业空间的要求极高，依靠草图及二维的CAD软件无法分析。为此应用BIM软件将FD4、FD5段模型组成1段，FD8、FD9段模型组成1段，FD6、FD7段组成合拢段，将组合后的节段导入施工模拟软件中，重新进行吊装过程的模拟。通过模拟，吊车站位及作业空间均满足要求。所以，最终将方案定为在桥面上吊装前将FD4、FD5焊接成1段，FD8、FD9焊接成1段，FD6、FD7焊接成合拢段整体吊装。新方案比原方案的临时支架用钢量节省了一半，同时增加了作业空间，吊装次数减小了一半，同时减少了高空作业时间及高空焊接次数，工期节省了16天。

节段吊装架设顺序及分区如表1所示。

4 结语

此工程应用BIM技术辅助施工，通过工程量复核，避免了返工现象，为项目节省了工期，节约了成本。通过对拱圈分段进行分析及吊装区域的划分，将单跨划分成5个吊装区，对方案进行比选并优化，将原来的单跨搭设5个临时支架变成单跨搭设2个临时支架，即节约了材料，同时也大大缩短了工期。通过对施工过程的动态模拟，实现了对项目进行可视化、精细化控制，是BIM技术在钢结构施工中的一次成功的尝试，为项目创造了效益，为以后的类似工程的施工积累了宝贵的经验。

参考文献：

[1]徐忠天，陈伟.浅谈BIM技术在建筑工程管理过程中的应用[J].建筑知识.

[2]雷晓凡.BIM技术对高层建筑施工安全的优化[J].中国住宅设施.

[3]高成，瞿海雁，赵学鑫，高世昌.BIM技术在某超高层建筑工程施工中的应用研究[J].钢结构.endprint