基于BIM技术的连续梁桥0号块托架方案设计与计算

李仁强

摘要： 采用传统的连续梁0号块托架方案设计方法，主要是通过AutoCAD绘图表达设计方案、利用相关力学计算软件进行承载能力评估，通常需要多次反复才能得到满意的结果，方案设计中所涉及的力学计算信息、三视图及局部细节信息不协同，导致要获得合理优化了的方案费事费力，标准化、自动化程度低。本文介绍了一种基于BIM技术的连续梁0号块托架设计与计算新方法，只需要简单地表达能够反映0号块托架力学和结构特征的信息模型，即可便捷完成0号块方案设计、力学计算结果的查询及评价，并快速获得0号块托架的三维Revit图及施工详图，实现了连续梁0号块托架设计的简单化、标准化、高效率，有利于连续梁施工安全及成本的控制。

Abstract： The design method of the traditional continuous beam No. 0 block bracket scheme is mainly adopted by the AutoCAD drawing expression design scheme and the related mechanical calculation software to carry out the bearing capacity evaluation. It usually takes many iterations to obtain satisfactory results. The plan design involves the mechanical calculation information， the three views， and the partial details are not synergistic， resulting in the need to obtain a rationally optimized solution that requires time and effort， as well as low standardization and automation. This paper introduces a new method for designing and calculating the bracket of continuous beam No. 0 based on BIM technology. It is only necessary to simply express an information model that can reflect the mechanical and structural characteristics of No. 0 block bracket， and then can easily complete the No. 0 block scheme design， calculation and evaluation of mechanical calculation results， and quick access to the 3D Revit diagram and construction details of the No. 0 block bracket， achieving simplification， standardization， and high efficiency of the continuous beam No. 0 block bracket design. It is conducive to construction safety and cost control.

關键词： BIM；连续梁；0号块；设计

Key words： BIM；continuous beam；No.0 block；design

中图分类号：U445 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）20-0155-04

0 引言

在悬臂施工的连续梁桥施工过程中，0号块施工是一道关键工序，能够实时根据现场技术条件，从众多可能的方案中获得一种既经济合理又安全可靠的0号块托架或支架方案是铁路连续梁施工安全、进度及成本能够得到有效控制的基础，也是项目施工技术水平的重要体现。一个优化了的临时结构方案，必然内涵丰富的结构特征、力学特征、规范特征、工程经验及专业思维，虽然现有技术可以获得这些临时结构的设计成果，但通常费时费力，容易存在效率及难于实现的问题。

最近几年来，BIM技术已经成为路桥施工行业的热点技术[1-3]，并将成为未来企业挖潜增效、提升企业竞争力的必选信息技术手段。BIM技术的核心在于信息模型的描述、创建与应用，与传统CAD＼CAE＼CAM技术相比，BIM技术的重要特征之一在于，通过构建载有相关工程属性的三维信息模型去实现相关的技术应用， 在建模理念、信息模型的表达、建模实现与应用上都存在本质上的区别，并可为施工技术实现带来协同、高效及高质量应用成果。采用BIM技术进行桥梁临时结构设计与计算，是路桥施工BIM技术应用的一个重要内容，然而如何利用BIM技术实现桥梁临时结构设计，目前很少能见到相关的资料及应用经验。本文以某（48+80+48）m连续梁桥0号块托架方案设计与计算为背景，在对0号块托架方案、受力特征分析的基础上，通过建立0号块托架的三维结构信息模型，便捷实现0号块三维设计图的创建、力学计算结果的生成。目前此技术为创新技术，具有积极的推广价值。

1 工程概述

某铁路连续梁长177.5m，起讫里程为IDK20+910.26～IDK21+087.76，墩号为66#～69#，位于曲线半径为800m的圆曲线上，线间距线间距为4.36m，计算跨度为（48+80+48）m，采用挂篮悬灌施工。主墩连续梁的0#块分别位于67#、68#墩墩顶，0#块结构尺寸为：梁长12m，梁底宽6.4m，梁顶宽11.4m（两边翼板2.5m宽），跨中梁高6.4m，悬臂端梁高4.74m；梁顶板厚35cm，底板厚100cm，腹板厚100～86.3cm，0#块设计混凝土方量为310.59m3。

2 三角托架方案与特征分析

实现上述桥梁0号块托架方案优化设计，首先需要进行方案选择，然后在对所选择方案进行结构及力学特征分析，再建立相应的托架信息模型。

除落地式钢管支架（包括碗扣或盘扣型钢支架）外，型钢托架方案也是0号块施工的常见方案，而型钢托架又有多样化的方案形式，常见的方案类型如下：

①三角托架+碗扣支架方案，即在桥墩顶部布设三角托架，再在三角托架上布置型钢横向分配梁，横向分配梁上再布置碗扣满堂支架及模板系。

②三角托架+楔形桁架方案，即在桥墩上布设三角托架，再再三角托架上布置型钢横向分配梁，横向分配量上布置楔形桁架以适应0号块悬臂段的斜底情况，再在楔形桁架上布置横向方木及底模模板等。

③斜置三角托架方案，即在桥墩上布设三角托架，托架的顶部杆件设计成与0号块底面同一坡度的斜杆，然后在斜杆上布置横向分配梁，以及横向分配梁上铺设纵向方木及模板。

④沙箱式三角托架方案，即在三角托架上布设沙箱，沙箱上布置横向分配梁，再在横向分配梁布设底模纵梁、横向方木及模板等。

实际上，每种方案除了有其各自的基本特征外，还可能存在多样化的局部细部处理工艺。如三角托架中三角托架具体结构形式，各个杆件是刚性焊接、还是铰接，三角托架与桥墩的如何连接，三角托架与桥墩方向是平行的还是斜交等，细节的不同导致了三维信息模型不一样，具体托架方案需要根据现场技术条件、工程经验、桥墩及0号块悬臂段的特点，选择合适的优化了方案。

本桥0号块施工采用三角托架+楔形桁架方案形式，见图3，该方案的结构特征是：使用4片双[36a槽钢制作而成的三角托架，托架通过预埋托板及精扎螺纹钢筋支撑；托架顶放置7根I28a工字钢作为横向分配梁，横向分配梁上架设15片楔形式桁架，其中每侧腹板区布置3片，间距为0.3m，而在箱室区布置间距为0.6m的楔形桁架9片；楔形桁架上布置横向方木，其纵向布置间距为0.3m，截面尺寸为0.1m×0.1m，方木上铺设1.6cm厚竹胶板；因桥墩尺寸情况，最外一片的三角托架布置在弧形桥墩部位，为便于现场安装，可以将托架布置成与桥墩表面正交的情况。

该方案所受的荷载特征是：

①0号块托架所受荷载分恒载和活荷载两种类型按一定的组合系数组合计算得到，其中支架、模板及梁体混凝土自重属于恒荷载，而施工人员、施工材料、机具等走行运输和堆放的荷载等人群机具荷载，以及混凝土振捣及冲击荷载、其它风雪荷载均为活载，各荷载取值及组合系数的选取需要遵循相关桥梁施工技术规范[4]；强度验算时恒载分项系数取1.2，活载分项系数取1.4；刚度计算时，分项系数均取1.0。

②梁段自重荷载计算时，需要考虑0号块悬臂段纵向变截面及横向为箱形截面的特点，即托架在纵向和横向均为不均匀分布的组合荷载；另外三角托架布置需要考虑荷载的横向不均匀分布荷载的特点。为了使得每片托架基本承受相等的荷载，可以尽可能地将三角托架按等荷载分布原则布置三角托架。图4为0号块纵向分布荷载图，图5为横向荷载分布图，该图将横向分布荷载等分成成四个区域，每个区域的形心即为托架布置的位置线。

用BIM技术实现上述三角托架设计的关键，在于用合适的具有几何属性及工程属性的信息模型来表达上述托架方案的结构特征和力学特征，并可以通过这些信息模型构建出相应的托架三维设计图及力学计算结果，实现信息模型的专业应用；缺乏上述信息特征的信息模型将是不完备的。

3 0号块托架信息模型构建方法

可以采用RBCCE+Revit联合建模的机制实现具有上述力学特征及结构特征的信息模型。RBCCE为一款面向路桥施工BIM软件，该软件通过创建由功能图形对象[5-7]构成的0号块托架信息模型来实现其力学及结构特征的描述，而托架中的复杂局部构造可以通过功能图形对象与Revit的族文件关联实现。本桥梁托架设计需要创建的功能图形对象模型信息主要包括：

①主梁纵断面对象、箱形截面对象及组合荷载参数表对象，通过这些对象，提供0号块托架所受组合荷载的信息。

②结构模板对象：以杆件形心线表达的杆件结构对象，主要包括三角托架、横梁、楔形桁架、小横梁、横向方木及模板对象等结构模板类型，具有结构形状、各杆件长度、截面类型、规格及材料等属性信息，并可以设置联结杆件的加强板、截面肋板及预埋件信息，以及结构模板基准点位置；另外三角托架与桥墩联结的预埋件信息可以通过与Revit族组关联信息体现。图7（a）、（b）为所构建的楔形桁架结构模板，（c）為三角托架模板，（d）为预埋于桥墩的托板Revit族。

③结构模板的装配信息，主要通过具有高程的定位线，定位线上的端点对应于结构模板的基点，而定位线方向对应于结构模板的方向，见图8。本桥托架定位线是遵循等荷载分割法实现，可以使每片托架的受力接近相等；另外，因外侧托架位于桥墩圆弧区，三角托架与桥墩垂直，这样有利用托架安装的预埋托板与桥墩表面垂直，以便托架的安装与拆卸。

4 0号块托架三维信息模型Revit模型的实现

利用RBCCE软件，本桥0号块托架方案的信息模型可以便捷通过创建三角托架、横联、型钢横梁、两侧的楔形桁架、横向方木及模板等程序给定模型及其定位线对象得到，并可以自动得到0号块托架的三维Revit图，各结构模板所对应的各Revit族、族实例及其在Revit具体空间位置由系统自动生成；图9为0号块托架的Revit三维图，相应的0号块托架方案的施工详图，也可以Revit便捷生成。

另外，该信息模型包含了0号块托架三维杆件有限元计算的所有结构、约束及荷载信息，可以通过RBCCE力学计算并自动转化成基于MIDAS的命令流，其中包含0号块托架结构空间结构的杆件有限元模型所需要的节点信息、单元信息、荷载信息及约束信息，再利用MIDAS软件实现托架的三维力学计算（对RBCCE自动力学检算结果进行复核），图10（a）为所生成三维MIDAS杆件有限元模型，图（b）为力学计算结果变形曲线；现场托架位移监控表明所得结果与理论计算结果相吻合，表明了自动生成三维MIDAS模型的准确性。

5 结论

本文探讨了一种基于BIM技术的连续梁0号块托架设计技术，在多种可能的0号块托架方案中，根据公司既有经验、现场技术条件，选择了三角托架+楔形桁架的0号块托架方案。采用BIM技术实现该方案设计与计算，首先需要对该方案的三维结构及力学特征进行深入分析，凝练出相应的三维信息模型，并采用RBCCE+Revit联合建模技术加以创建实现，再通过操作该信息模型即可快速完成获得0号块托架的三维Revit图、施工详图及相关力学计算结果，实现了基于BIM技术的连续梁0号块托架设计的简单化、标准化及高效率，一次建模实现两种有限元软件的计算复核，并可以快速进行结构与材料的修改，快速完成方案比选工作，有利于连续梁施工安全及成本控制。

参考文献：

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[2]陈竞翔，曾明根，孙丽明.BIM技术在大型复杂桥梁施工方案优化中的应用探索——以范蠡大桥项目为例[J].结构工程师，2017（2）.

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[4]TB10203—2002，铁路桥涵施工规范[S].

[5]黄羚，任伟新，刘明生，王道斌.基于功能图形对象的桥梁结构逆向计算系统的研究与实现[J].计算机工程与应用，2005（25）.

[6]黄羚，李浩玉，向敏.基于功能图形对象的杆系结构计算方法[J].计算机辅助工程，2008（4）.

[7]黄羚，李延强，符力勇.面向路桥施工问题求解的功能图形数据模型[J].工程图形学报，2011（1）.