基于BIM的潮白河大桥4D施工模拟

刘 飞

(北京路桥瑞通养护中心有限公司，北京 101300)

目前，通过BIM软件，建筑图纸已经能够实现100%出图。但从长远看，BIM的应用价值不应该仅仅体现在设计阶段，更应该在建设项目全寿命周期中体现其价值。施工阶段作为承上启下的阶段，充当着将设计意图付诸实施，转化为建筑成品的重要作用，因此，在施工阶段应用BIM蕴藏着极大的价值。

在国外，BIM技术在施工中的应用研究开展较早。Nour[1]在IFC(Industry Foundation Classes)标准的基础上开发了动态建筑信息模型数据库，该数据库的建立为项目的不同参与方提供了交流以及获取信息的平台；Golparvar等[2]研发了基于BIM技术的建筑集成平台，并在实际工程项目中实现了应用；Porwal和Hewage[3]提出了基于IFC标准的施工进度计划的概念，实现了工程项目的施工过程4D模拟。然而，我国对于BIM技术在项目施工中的应用研究起步较晚，前期主要集中在清华大学的BIM研究组，张建平等[4-6]通过建立4D施工资源信息模型，开发了4D施工资源管理平台，实现了施工阶段对材料、机械等施工资源的动态管理，并通过在BIM模型中集成工程量信息，实现了对成本的实时监控。马也犁[7]以某非对称外倾拱桥为对象，建立了参数化BIM模型，重点对碰撞检测、4D施工模拟和施工进度管理等进行研究，探索了BIM技术在拱桥施工中的应用。

本文将BIM技术应用到潮白河大桥的施工过程中，采用核心建模软件Revit建立包含完整工程信息的全桥BIM模型，然后导入Navisworks中进行4D施工模拟。

1 工程概况

潮白河大桥为徐尹路上的一座大跨径斜拉桥，跨径组合为(165+165)m，采用独塔双索面的结构形式，塔、墩、梁三者固结。图1为潮白河大桥的桥型总体布置图。

主梁采用预应力混凝土结构，截面形式为边主梁，截面顶全宽27.5 m，截面端部高2.3 m，中间高2.5 m，顶板厚0.32 m，设双向1.5%横坡，标准节段长度为8 m；主塔高102.12 m，采用倒Y形桥塔，由塔座、上塔柱、中塔柱、下塔柱、上横梁、中横梁、下横梁组成，其中下横梁与主梁固结，上塔柱为斜拉索锚固区，在上塔柱内壁设置锚固齿块进行拉索锚固；斜拉索采用扇形索面，桥塔两侧均布置19对空间索，主梁上的锚固间距为8 m，在上塔柱布索区，将锚固点布设在塔内壁的中心处；承台采用矩形截面，承台上设置3.0 m高的塔座；基础采用48根直径为1.8 m的钻孔桩组成群桩基础，按矩形布排。

2 BIM模型的建立

2.1 建模流程

由于潮白河大桥为对称结构，考虑国内外各BIM建模软件的优缺点及适用条件，最终选择采用Autodesk Revit软件，依据IFC标准进行潮白河大桥的核心建模工作。Revit软件最大的优点就是建模自由度高，可以根据需要建立各种复杂截面的构件模型。

首先，利用Revit软件中“族”的概念，把斜拉桥的每一个结构构件看作是一个构件族。依次建立桩基础、承台、塔座、塔柱、横梁、主梁、拉索等参数化构件族。然后将这些构件族载入项目中心文件中，根据各构件的空间位置及逻辑关系，更改其标高、平面坐标等参数，并添加相关属性信息，最终形成结构的整体模型，即核心BIM模型。图2为利用Revit平台进行潮白河大桥BIM建模的整体流程。

2.2 核心构件族库的建立

根据潮白河大桥的设计信息，采用Revit软件绘制构件轮廓，然后通过拉伸、融合等工具生成三维模型，并按照IFC标准定义构件特性参数形成参数化构件族库。本斜拉桥中自建的参数化构件族库包含群桩基础、承台与塔座、塔柱、横梁、主梁、斜拉索等族库，可通过更改参数信息生成任意尺寸的构件。各构件族库为BIM模型的最小单位，本斜拉桥中自建的核心构件族库见图3。

在Revit中，按照施工图创建项目的控制标高和轴网，然后在相应平面视图中依次载入各构件族库，并通过拼组形成模型组件，添加材料、施工工艺等各种工程信息，形成包含完整工程信息的BIM模型。具体过程如下：

1)群桩承台。

采用摩擦桩群桩基础，左右支墩各布置24根直径1.8 m的钻孔桩，每根桩桩长95.0 m。承台为分离式矩形承台，单个承台尺寸为28.0 m×16.5 m×4.0 m。塔座高3.0 m，根部平面尺寸为15.8 m(顺桥向)×10.1 m(横桥向)。根据设计信息建立各构件参数化族库，再将桩基、承台与塔座按照空间位置关系进行拼组，形成群桩承台组件，见图4，即可方便查看桩径、桩长、承台与塔座尺寸等工程信息。

2)主塔。

主塔采用倒Y形混凝土索塔，由上、中、下塔柱及上、中、下横梁组成，承台以上塔高102.12 m，两上塔柱横桥向净距10 m。塔柱及横梁均采用空心矩形截面。上、中塔柱顺桥向全宽6.8 m，横桥向全宽4.0 m，下塔柱顺桥向全宽由6.8 m向根部过渡到8.8 m，横桥向宽度渐变为6.2 m。上横梁截面尺寸为5.8 m×3.0 m，中横梁尺寸6.4 m×4.0 m。将上、中、下塔柱及上、中、下横梁的构件模型按空间位置关系进行拼组，得到主塔模型，见图5。

3)主梁与拉索。

主梁截面顶全宽27.5 m，截面端部高2.3 m，中心高2.5 m；主梁顶板厚0.32 m，设双向1.5%横坡。节段长度为8 m，边肋宽度为3 m。主梁包括0号～21号梁段，其中2号～19号梁段为标准梁段，20号梁段为合龙段，21号梁段为支点处梁段，均采用C55混凝土。本文对拉索模型进行了简化，通过更改拉索的平面坐标及长度参数就能实现全桥76根斜拉索模型的建立。建成后的主梁及拉索模型见图6。

2.3 BIM核心模型

当群桩承台、主塔、主梁与拉索等族模型全部建立完成后，再将它们载入Revit同一项目文件中，根据各构件之间的空间位置关系，调整轴网及标高，最终形成了潮白河大桥的全桥BIM模型，见图7。

3 施工过程模拟

3.1 总体施工方案模拟

本斜拉桥按照自下而上、先中间后两边的施工顺序，首先施工桩基承台、塔柱、横梁，再采用支架法施工0号块和1号块，然后分节段悬臂浇筑各主梁梁段，最后施工合龙段，完成桥面铺装。

将本文建立的BIM核心模型导入Navisworks中进行分析处理，利用TimeLiner功能将模型构件与时间维度相关联，形成4D模型，从而进行施工过程模拟。本文用关键帧展示施工模拟过程，图8为斜拉桥总体施工方案的4D施工模拟。

对于桩基础，首先施工钻孔平台，然后采用旋挖钻机钻孔施工。由于承台埋深较大且此处地下水丰富，承台采用钢板桩支护施工。主塔塔柱分节段施工，共分为17个阶段，采用液压爬模施工，混凝土采用高压混凝土输送泵传送。上、中、下横梁均采用支架法施工。主塔墩布置两台6015型自升式高塔吊和一台施工电梯配合施工。主梁Z0,Z1,Z21号梁段采用支架现浇施工，Z2～Z19 号梁段采用4前支点挂篮对称悬臂施工，Z20为合龙段，采用支架法施工。Z0和Z1号梁段施工完成后安装前支点挂篮，进行1号拉索挂设施工，锚固端设在主梁上，张拉端设在塔柱内。此后，利用挂篮悬臂浇筑后续梁段，对称张拉斜拉索，直至合龙。

3.2 关键施工工序模拟

针对特殊施工工序的专项方案进行模拟和分析，清晰地把握施工过程中关键工序的施工难点和要点，从而提高施工质量和效率，确保施工专项方案的安全性，指导施工现场科学施工。

主塔施工完成后进行Z0,Z1号块支架的搭设，采用支架法浇筑施工。支架采用便于组装和拆卸的钢管和型钢，其上铺设贝雷梁在支架搭设完成后，先对主梁范围内的下横梁及塔柱进行凿毛处理，并检查预埋构件，以确保塔、梁固结质量，然后铺设方木、安装模板、绑扎钢筋，最后进行混凝土浇筑。

施工工艺流程如下：钢管立柱施工→吊装工字钢→安装贝雷梁→铺设方木→立模、绑钢筋→混凝土浇筑。图9为Z0,Z1号块支架法施工模拟。

3.3 可视化施工进度管理

将潮白河大桥全桥模型导入Navisworks软件中，借助TimeLiner功能，按照施工组织设计中的施工进度计划，将模型信息与计划时间相关联，实现4D施工进度管理，还可自动生成施工进度甘特图。通过4D模拟，能够形象直观地了解施工进度情况，对施工进度进行有效管控。

4 结语

本文采用BIM核心建模软件Revit，对潮白河大桥进行参数化建模，建立了IFC标准下的斜拉桥核心构件族库，然后载入同一项目文件中，根据各构件的平面坐标及空间位置关系进行拼组，建立了包含完整工程信息的潮白河大桥BIM模型。

将BIM模型导入Navisworks软件中进行分析，通过TimeLiner功能使模型构件与时间维度相关联，实现了斜拉桥施工过程的4D模拟。根据施工组织设计，具体完成了潮白河大桥总体施工方案的模拟、主梁0号块与1号块的支架法现浇施工模拟，使施工过程与施工进度变得可视化。

[1] Nour M.A dynamic open access construction product data platform[J].Automation in Construction,2010(19):407-418.

[2] Golparvar F M,Savarese S,Pena M F.Automated model-based recognition of progress using daily construction photographs and IFC-based 4D models[C].Construction Research Congress,2010：51-60.

[3] Porwal A,Hewage K N.Building information modeling partnering framework for public construction projects[J].Automation in Construction,2013(31):204-214.

[4] 张建平,曹 铭,张 洋.基于IFC标准和工程信息模型的建筑施工4D管理系统[J].工程力学,2005,22(S1):220-227.

[5] 张建平,李 丁,林佳瑞,等.BIM在工程施工中的应用[J].施工技术,2012,41(371):10-17.

[6] 张建平,范 喆,王阳利,等.基于4D-BIM的施工资源动态管理与成本实时监控[J].施工技术,2011,40(4):37-40.

[7] 马也犁.BIM技术在非对称外倾拱桥施工中的应用研究[D].成都:西南交通大学,2016.