BIM 技术在钢管混凝土系杆拱桥施工及运维阶段中的应用

付理想，赵宏伟，王君燕

1.江苏瑞沃建设集团有限公司，江苏 扬州 225600；2.扬州大学，江苏 扬州 225009

0 引言

BIM 技术作为当今工程建设领域最具前瞻性的技术之一，在建筑工程、城市综合体、综合管廊项目等项目建设过程中大放异彩，但在桥梁工程中的应用实例较少。随着BIM 技术的不断发展与应用，BIM 技术的优势愈加明显，国内外对BIM 技术的研究也在不断深入［1］。在桥梁工程领域，借助于BIM 模型，施工企业可以更好地进行项目质量管理、成本管理、安全管理和进度管理等。

1 工程概况

工程位于江苏省北澄子河处，桥梁全长670.0m，宽度31m，采用一跨92.8m 下承式钢管混凝土系杆拱跨越北澄子河，主桥拱轴线为二次抛物线，计算跨径90m，矢高18m，矢跨比为1/5。拱肋采用哑铃型截面，钢管外径95cm，内填充自密实混凝土，拱肋间采用5 道风撑连接。系杆采用箱型截面，内设施工劲性骨架，横向间由端横梁和中横梁相接。吊杆采用PESFD5-91 索体和LZM 吊杆系统，吊杆间距5.4m，全桥共设吊杆30 根。端横梁为带牛腿的箱型断面，与拱脚一起现浇施工，中横梁为T型断面，采用装配式施工，并在其上浇筑0.3m 现浇连接段，横桥向以0.5m 现浇湿接头连结。主桥采用系杆设劲性骨架与拱肋钢管整体吊装施工，承台采用筑岛法施工，主桥桥墩采用三柱式墩，钻孔灌注桩基础。

2 BIM 技术在施工阶段的应用

2.1 场地优化布置

工程地处里下河平原，地势平坦开阔，水网繁密，项目集成应用BIM 与GIS 技术，实现了基于GIS 技术的周边宏观管理、基于BIM 技术的项目管理以及桥梁精细化管理相结合多层次管理。在利用SU 软件实现施工场地周边建模的基础上，根据施工准备及现场平面布置要求，对施工现场进行Lumion场景布置及高精度漫游渲染。在拼装场地选址时，利用GIS 地理空间分析能力，选择在南岸西侧200m处40m×220m区域作为系杆拱现场施工场地，同时修建了一条施工便道与原河岸南侧引桥施工便道相接。

2.2 参数化建模

使用Revit软件自带的Dynamo参数化建模工具，在项目实施前对桥梁进行建模，设置桥宽、桥长、拱高以及吊杆数量等参数，实现三维可视化建模，从而发现项目设计的不合理之处。鉴于主桥钢结构较为复杂，利用Revit 软件进行钢筋建模对硬件要求较高，且无法进行钢筋形状的参数设定，因此采用Tekla软件进行系杆拱钢结构建模。对钢筋模型进行检测碰撞，生成碰撞报告，优化钢筋设计方案，减少实际施工中可能产生的碰撞，对每一个碰撞点进行更加精细的可视化检查，并对碰撞的部分按照规范要求进行优化设计。

2.3 系杆拱整体吊装

利用Fuzor、3d Max 和Revit 等软件对施工过程进行仿真模拟，先根据系杆拱整体吊装方式，对河岸南侧拼装作业进行虚拟装配，通过模拟过程反馈的数字信息及时发现并处理相应的问题，验证施工的可行性。

2.4 拱脚处受力分析

建立拱脚细部单元，进行拱脚及端横梁受力分析，受力分析结果表明：

（1）坐标系X 轴方向轴向应力max 为-8.22MPa，坐标系Y轴方向轴向应力max为-5.12MPa，坐标系Z轴方向轴向应力max为-8.25MPa，均符合混凝土强度设计标准的要求。

（2）坐标系X-Y 平面内的剪应力max 为1.45MPa，坐标系X-Z 平面内的剪应力max 为-4.79MPa，坐标系Y-Z 平面内的剪应力max为1.96MPa，有效剪应力max为106MPa，均符合混凝土强度设计标准的要求。

（3）拱脚的计算效应的最大值为1.91MPa，最小值为0.5MPa，符合混凝土强度设计标准的要求。

（4）在恒荷载和活荷载并存的情况下，位移变化引起的变形变化较小，不会出现混凝土开裂现象，符合混凝土强度设计标准的要求。

2.5 项目工期优化

项目将BIM 软件与Synchro 4D 等软件进行交互，完成模型对接使用，让施工模拟更加精细化。在中横梁吊装方案选择时，使用3D Max 及Lumion 等软件对拱桥中横梁吊装方案进行模拟，并使用Synchro 4D软件对不同吊装方案的工期进行记录。模拟后发现由侧向吊装的方案能够在单个施工节点处节约工期1.5d，Synchro 4d 显示采用该吊装方式共能够节省工期30d。

2.6 材料集约管理

通过Tekla软件对系杆拱结构建模可以自动生成螺栓报表、构件表面积报表、构件报表、材料报表等报表［2］，这些报表能够服务于整个工程，是工程预算、工程管理的重要依据。利用Tekla 等软件能够实现钢结构建模，参照设计文件在三维中定义钢筋的规格、等级和横截面等参数绘制钢筋。对钢筋模型进行检测碰撞，优化钢筋设计方案，减少实际施工中可能产生的碰撞，并分类统计不同型号钢筋及工程量，生成构件和材料清单，精确钢筋用量。在Revit 中建立项目专属族库，将建好的钢结构构件入库，利用Lumion等软件模拟钢筋板材加工及集约利用。

3 BIM 技术在运维阶段的应用

基于ANSYS 软件，利用 APDL 参数化语言建立桥梁吊杆模型，结合吊杆自身结构各项参数灵敏度的情况，使用加速度传感器测得吊杆实际频率值，通过ANSYS 优化分析得出吊杆实际索力，并利用该语言程序结合软件开发，快速确定吊杆实际受力状态［3］。

4 结语

与传统桥梁施工工艺相比，运用BIM 技术可以实现系杆拱桥的三维信息化模型，有效地消除以往常出现的图面不一致、遗漏、冲突或错误问题，且系杆拱桥BIM 模型具有很高的精确度，可进行有效的三维可视化设计查核，同时系杆拱桥的三维信息化模型空间呈现的合理性、准确性和深度均得到提高。全面分析施工中发生冲突的项目，不断优化施工顺序，加强施工现场管理，从而有效节省人力、物力和资金，对项目施工成本与工程管理等进行合理控制，降低施工成本、缩短项目工期、提高工程质量，对推进桥梁施工技术有着重要意义。