基于BIM工具的钢桥架设仿真分析

邓宁

摘要：文章利用建筑信息建模（BIM）工具，根据二维详细设计图，精确建立钢拱桥的三维模型，结合原吊装方案的吊装和安装顺序，进行了钢桥架设4D仿真建模，并对吊装方案进行了评审和改进，通过推迟部分混凝土的浇筑，及时检测和纠正了钢构件与混凝土桥台的空间冲突。

关键词：建筑信息建模BIM;钢桥架设;自动冲突检查

中国分类号：U448.36文献标识码：A

0 引言

从概念上讲，建筑信息建模（BIM）是指在实际建造建筑物之前，利用成熟的信息技术（IT）在计算机上模拟建造过程，以解决建筑业的各种问题和效率低下的问题[1-2]。BIM具有“分别建模、协同设计、综合分析”功能，能很好地与建筑行业的各种专业进行融合，因此得到快速的发展与推广[3-4]。本研究试图利用BIM工具对某钢桥的架桥过程进行模拟，验证了BIM仿真的有效性。

1 工程概况

某π型钢拱桥，因台风引发的山体滑坡而损坏，因此需要重新建设。建设项目主要包括五个部分：（1）π型钢拱桥，总跨度为175（50±75+50） m，宽度为10 m;（2）两个4 m直径的基坑，深度为10 m;（3）两个4 m直径的基坑支基，深度为20 m;（4）引道挡墙，全长37.5 m;（5）岩锚框架梁边坡。该项目于2015年12月开工，2017年8月竣工。钢桥架设需要在施工现场进行一系列工序，包括运输、顺序吊装和安装在工厂制造的桥梁构件。由于现场条件远比工厂复杂，每个过程都非常关键，风险也很高。因此详细的吊装计划对于确保其在汛期前成功完成极其重要。

2 研究方法

图1显示了本研究中π型钢拱桥的4D仿真流程。其中，准备工作包括收集全部二维设计图纸，并使用Revit Architecture软件将其转换为三维模型，转换过程中的所有冲突和误解需咨询负责设计的结构工程师，以确认模型的准确性。然后按照原吊装方案进行4D仿真，该方案由3个步骤组成：（1）信息收集阶段;（2）施工仿真模型建模设计阶段;（3）桥面吊装施工仿真模拟阶段（如图1所示）。利用该起重机的特点，提出了一种用于桥梁构件吊装的三维起重机模型。三维模型和桥下地形都集成到另一个工具（Navisworks）中，为桥梁架设制作4D仿真动画（4D是指3D维度上加上时间维度）。每一个钢桥构件都是由该起重机在计算机虚拟模型中进行吊装，以直观地检查空间冲突和人工吊装的能力。最后由公路局（业主）、结构工程师、总承包商和起重分包商组成的审查委员会讨论4D模拟中提出的问题，对实际吊装工程进行记录对比分析。

3 仿真流程自动冲突检查

钢桥吊装施工仿真流程的自动冲突检查是通过Revit Architecture软件来实现的，主要包括建模（信息转换）冲突、设计冲突以及部分实际情况无法达到建模条件的冲突。其中，设计冲突对实际工程具有重要指导意义[5]。

3.1 建模冲突

图1显示了本研究中用于验证项目仿真全部的有效性信息，包括钢桥设计信息、桥面吊装信息和施工方案，使用Revit Architecture软件将其转换为三维模型。转换过程中的所有冲突和误解需咨询负责设计的结构工程师，以减少冲突发生的次数，在后续模拟过程会进一步反馈相关施工过程信息。通过对建模冲突检查，适当修正相关建模信息，可以自动忽略仿真模拟中的建模错误。

3.2 设计冲突

吊装过程设计是吊装方案进行4D仿真的基础。结合起重机的特点，本文提出了一种用于桥梁构件吊装的三维起重机模型。三维模型和桥下地形都集成到另一个工具（Navisworks）中，为桥梁架设制作4D仿真动画（如图2所示），显示了桥梁架设4D动画的屏幕截图，这是Navisworks的一种输出形式。通过这一动画过程可以有效地核实起重过程。每一个钢桥构件都由该起重机在计算机上进行虚拟模型吊装，以直观地检查空间冲突和人工吊装能力。由公路局（业主）、结构工程师、总承包商和起重分包商组成审查委员会对4D模拟提出的问题进行讨论，并对实际吊装工程进行照片记录对比。为了避免返工和提高生产率，应当高度重视仿真过程中出现的所有设计冲突，将设计方案进行调整后重新模拟。

3.3 其余冲突

其余冲突是指仿真无法100%地还原实际操作，这时需要由结构工程师仔细审查无法模拟的部分。例如在本文研究的项目中，混凝土桥台设计成橋外车道曲率超高，设计高约25 cm。然而，本研究所使用的软件无法模拟钢构件的物理性质，因此，最后两个钢构件的标高根据超高设计进行了调整，以满足模拟需求，而实际工程则需要工程师反复仔细查看。

本文研究项目通过对Revit Architecture进行自动冲突检查，共发现7个空间冲突，如表1所示。

4 实际工程中的应用

以本文研究项目为例，最初的吊装计划由经验丰富的工程师进行设计，而吊装过程仿真一般另外由工程师在咨询了最初的规划师后制作成4D仿真模拟，并提出相关吊装问题，最后由项目组进行评审。吊装程序在虚拟4D模型中进行了检查，并与实际现场的后续工作进行了验证。起重机SCX 2800，吊臂总长为（67.05+12.2） m，工作半径为48 m，起重量为11.6 t，部件重量为11 t，在虚拟模型中该提升臂视觉上太短，无法成功提升组件，或在桥台边缘使用起重机AC 395成功地提升了部件但却挡住了当前的交通。

因此在实际的架桥过程中，使用了两台起重机，其中一台安装了较长的吊臂，以弥补4D模拟中出现的问题。除了使用不同类型的起重机外，模拟结果与实际起重情况相似。

最后将传统的二维提升方案与建议的4D模拟进行了比较（如表2所示）。对于传统的起重方案，经验丰富的规划师可以完全控制并将起重过程可视化。使用BIM工具，所有信息都可以客观地集成到仿真软件中，并可通过视觉或自动方式反复审查。很明显，4D模拟能够改善传统提升方案效率低下的问题。

5 结语

本研究的目的是借由模拟一座钢桥的架设，来验证使用BIM工具的有效性。通过将原始的二维大样图转换为三维模型，并结合架设方案（甘特图），建立了钢桥架设的4D仿真模型。安装程序在虚拟4D模型中进行了检查，并与现场的后续工作进行了验证。项目组在审查架设方案时，4D仿真结果显示了钢桥在不同时间点的不同状态，有效地指出了在实际吊装时可能会造成灾难性的空间碰撞等问题，及时对施工现场、设备、吊装步骤进行了必要的调整，保证吊装工作在截止期前顺利完成。

参考文献：

[1]刘延宏.BIM技术在铁路桥梁建设中的应用[J].铁路技术创新，2015（3）：47-50.

[2]胡 杰.BIM技术在桥梁施工设计中的应用探索[J].铁路技术创新，2014（2）：63-67.

[3]张建平.BIM技术的研究与应用[J].施工技术，2012（2）：15-18.

[4]宋红飞，常顺志，梁善国，等.BIM技术在钢桥制造中的应用研究方向探讨[J].铁路技术创新，2014（2）：60-62.

[5]李红学，郭红领，高 岩，等.基于BIM的桥梁工程设计与施工优化研究[J].工程管理学报，2012，26（6）：48-52.