BIM技术在桥梁钢围堰施工中的应用

王碧军， 王明慧， 陈艳芳， 杜 康， 张 桥

(1.中铁十一局集团第五工程有限公司，重庆 400037；2.渝万铁路有限公司，重庆 400014；3.重庆交通大学交通运输学院，重庆 400074)

钢围堰施工是跨海或跨江大桥施工中重要的组成部分。钢围堰结构复杂、体积庞大、体系转换受力复杂，在进行钢围堰设计及施工时，通常通过CAD软件进行图纸绘制[1]。然而，CAD绘制的设计图纸在工程实践中存在一定的局限性，很难对钢围堰的整体结构、钢围堰复杂的施工工艺进行迅速、准确的辨认，不能实现项目施工协同工作及数据共享[2]。

建筑信息建模/管理(Building Information Modeling/Management，BIM)是一种实现建设项目的数字描述和管理的新型技术，其可以建立建筑全生命周期的数据库，实现项目数据的共享、更新、修改、运用等功能，进而实现项目的协同作业。利用BIM技术指导桥梁施工，可显著提高施工效率和质量，优化项目管理水平。

1 工程概况

彭溪河多线特大桥位于重庆市境内，长约742 m，共14跨，第10至12跨为(96+200+96)m连续刚构-拱组合结构。桥址处于低水位时，河段宽约230 m；高水位时，河段宽约340 m，处在三峡三期蓄水库区范围，且有Ⅲ级通航要求，通航水位最高174.46 m(85高程，以下同)、最低143.87 m。施工中采用钢栈桥及双壁钢吊箱围堰辅助完成水下基础的施工，基础施工处于三峡库区蓄水范围，水位变化周期快，高差30多m，通过对陡坡河床裸露基岩水位无规律大幅度升降与通航条件下桥梁施工技术研究，通过BIM三维仿真、三维交底技术、VR技术等应用，确保施工质量的安全可靠。

项目主要特点为：钢吊箱作为承台施工挡水结构，设计复杂、加工难度大。钢吊箱板材的焊接焊缝质量等级较高，在焊接过程中的防变形措施显得尤为重要，焊接后的变形校正工作量较大。钢构件加工数量较多，周期比较长，保存、运输等难度较大。封底混凝土设计厚度3.5 m,一次性浇筑方量约1 200 m3,一次性水下封底方量大,浇筑时间长,并且在高水位期进行水下封底、浇筑工艺和现场组织安排均要严格控制。

2 基于BIM的施工技术

2.1 施工仿真模拟

彭溪河大桥工程工期紧，交叉施工优化难，临时结构布置难，钢围堰加工、拼装、下放施工难度较大，运用钢围堰BIM模型进行仿真施工(见图1)，可以更迅速的了解施工工艺、控制要点以及施工组织情况。现场管理人员可以合理有序的安排施工进度，确保钢围堰拼接、下放高效有序[3]。

图1 钢围堰与主体结构总图

钢围堰结构在普通的CAD平面图纸上无法直观呈现结构形式、连接节点等视点效果。通过模型漫游，对拉压杆与围堰底部龙骨的连接方式、拉压杆与钢护筒的连接方式进行建模，使得围堰下放系统中各项工作方式、连接方式一目了然。

例如，拉压杆与围堰底部龙骨的连接大样(见图2)为围堰结构受力的关键部位，此处的连接施工、体系转换关系着整个钢围堰施工的成败[4]。特别是钢吊箱拉压杆上端与钢护筒按设计要求进行焊接连接，封堵钢护筒四周洞口，施工封底混凝土，等封底混凝土达到设计强度，利用设备抽排钢围堰内部水，将钢吊箱拉压杆下端与钢护筒按设计要求进行焊接连接，并将钢吊箱拉压杆上端与钢护筒焊接连接解除，完成体系转换。

通过模型漫游实现模型可视化，对施工前、施工中的放样、连接等工作及时比对，发现问题及时进行改正。

2.2 碰撞检查

钢围堰内支撑结构体系复杂，根据设计图纸，每层内支撑竖向在中间节点处设置4根钢管，安装内支撑前先安装竖向钢管，采用铅垂线与全站仪测量方式对其垂直度进行测量(见图3)并矫正[5]。

通过深化模型，检测出结构干涉，提出钢围堰结构设计时存在的系列问题：如钢围堰与栈桥距离较近，钢围堰标注尺寸错误导致水位变化与钢围堰高度不符合实际情况，拉压杆体系与护筒结构空间位置冲突等。

内支撑采用分层安装技术，安装完成后将钢吊箱围堰下放。内支撑在场内提前根据设计图纸下料，现场拼装固定。实际操作中考虑到封底混凝土用的隔舱板、底部环形钢板等需穿过内支撑狭小的空间进行下放，而且内支撑安装时相互干扰极大。碰撞检查可在施工前对钢围堰内支撑安装、封底混凝土施工时的各项设备下放等工序进行检查，有效避免了问题的发生。

2.3 构件信息查询

为了在极短的时间内组织好施工，需要对各部位构件进行编码。运用BIM将钢围堰相关信息与模型进行关联，通过手机移动端、云平台等方式进行信息模型检索，可对构件的重量、部位、尺寸、连接方式、连接要求等信息实时查看，为项目快速、高效、准确施工打下坚实的基础。

2.4 复杂节点优化

彭溪河大桥10#、11#钢围堰设4道水平支撑，内支撑采用∅820 mm×10 mm的钢管，从下部以此向上共计4层(见图4)。内支撑设置有竖向支撑钢管，其安装分层进行；底部竖撑支撑在围堰底板大龙骨上，采用焊接连接，为防止出现渗水，钢管采用钢板封底。内支撑的平面设计为“Y”形，此形状在封底及承台施工时，存在材料、设备下放空间小、施工效率低等难点。通过对内支撑部位虚拟施工+模型建立的方式，提出3种处理方法：①根据内支撑的空间对钢筋专门下料；②通过结构计算对钢筋布置方式进行优化；③将平面为“Y”形的内支撑结构形式更改为井字架结构形式。根据3种解决方案的模型演示、仿真，经现场施工人员的讨论分析，结合方案①的可行性对方案③进行了设计优化，施工中有效避免了空间狭小、施工组织困难等难题。

图2 拉压杆连接大样 图3 空间测量定位的三维模型 图4 钢围堰内支撑位置关系

2.5 工程量统计

建立钢围堰单位工程全专业主体工程量，并实施落地全专业各种钢构件等的数量统计，精准的尺寸与图纸进行复核对比，利用尺寸数据导出excel表格，通过布尔运算解决硬件卡顿及显卡配合问题，保证项目所需的全部工程量的复核对比，为项目减少复核工作量。

2.6 钢构件的制作及空间测量定位

钢吊箱围堰主要由内壁板、外壁板、支撑角钢、隔舱板、箱型板单元件等组成，部件之间均为焊接连接。水平环板、箱型板需紧贴内外侧板施焊，一定程度上可以控制内、外单元件断面尺寸，防止单元件扭曲变形，承担侧板单元件中内胎的作用，加工精度要求极高，下料时必须控制严格。下料切割完成后，严格检查加劲板长宽及矢高尺寸。壁板等构件的加工精度影响着钢围堰整体拼装质量，利用Tekla Structures软件进行三维建模，在壁板建模过程中对隔舱板、箱型板等构件的尺寸、弯曲弧度等利用软件功能进行验证(见图5)。支撑角钢的安装精度影响到钢吊箱围堰的结构安全，通过Tekla Structures软件对构件进行建模，利用建模构件形成的空间位置关系、构件数据进行安装大样图的生成[6]。

主墩钢吊箱设计分为4层：底3节高度7.5 m，顶节高度8.4 m，形成其底板及侧板、整体下放内支撑的施工方案：一是根据拼装后的底板，在底板上放出内外侧板的线，做好相关标记。二是在起吊侧板时，根据设置在底板上的定位块进行侧板的安装，同时详细检查安装后的位置。

底板及侧板安装精度要求较高，利用ekla Structures建立的模型进行构件测量坐标的放样，对构件的测量控制线及中心线的坐标定位后，运用全站仪及相关测量仪器进行测量放线及调整[7]。

3 基于BIM的施工管理

3.1 项目管控

利用BIM模型进行相关数据整合并进行二次开发，生成项目施工生产过程的控制管理平台，此平台的突出特点是适应每一个项目。由于初始定位在项目级别，所以能针对各个项目的特点，按需提供相应的管理模块，真正的将本项目的重点、难点进行统一的管理，并且全三维的浏览模式也能更加清晰反映问题，实现使用者对项目的三维全局掌控。

3.2 施工进度管理

通过BIM对时间、人力、材料、机械等各种资源并对这些资源进行合理分配的管理，其最终目标是在合同约定的时间内完成工程项目建设内容。在钢吊箱围堰施工中，以广联达BIM 5D为平台，关联构件清单、物资信息、单价清单，以专人对每天的施工进度进行录入更新[8-10]，项目部全员通过手机端等方式进行相关专业的查看，及时了解现场施工信息。

3.3 安全管理

运用采集高清视频图像，钢吊箱围堰施工时随时查看不同工序、时间范围内的施工情况。将该图片、视频资料与BIM模型进行关联，实现模型与现场施工的有效集合，并及时对采集到的施工过程进行识别、判别安全等级，确保施工安全。

4 基于BIM的3D打印

彭溪河钢围堰结构复杂，前期需要方案论证、施工中需要对作业人员进行详细的技术交底，利用3D打印出来的缩尺比例钢围堰模型，直观的进行实体复制(见图6)。

图5 壁板细部结构图 图6 钢围堰3D打印模型

利用BIM技术对钢围堰进行参数化建模后，对建成的三维模型进行逐层截面“分割”，用于指导打印机进行打印。打印机通过读取文件中的横截面信息，用片状的材料将这些截面逐层的打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来，制造出一个实体。

5 结束语

BIM技术在彭溪河大桥的应用，可有效解决钢围堰构件下料、加工高精度的难题，克服钢围堰内部结构复杂、空间狭小、施工组织的困难，验证方案前期论证过程中的科学合理问题、降低实施成本，防止施工过程中容易遗漏的安全问题等。总之，通过BIM技术的应用，全方位提高了蓬溪河大桥钢围堰施工工程的建设管理水平，为工程建设科学化、精细化管理起到了一定的推动作用。