BIM 在大跨高铁连续梁-钢桁组合桥施工中的应用

庞维福，高虎军，张洪伟，窦 晗

（1. 陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000，E-mail：284498502@qq.com；2. 中铁一局集团有限公司第三工程分公司，陕西 宝鸡 721006）

建筑信息模型（BIM）技术，作为建筑物的物理与功能特性数字化表达工具，具有数字信息集成与共享优势，已经为建筑业带来了技术进步与创新，与此同时，在学术界针对建筑施工领域的BIM技术应用研究仍是国际研究的热点。如何基于BIM进行施工方案优化，增加相互协作能力，最终提高项目绩效既是BIM 技术未来应用研究关注的核心，又是BIM 研究的前沿问题[1]。

在国内，BIM 技术已有十几年的发展历程，起初被应用于房建项目[2,3]，而桥梁等市政公用工程BIM 应用研究相对滞后。尽管如此，随着桥梁工程中应用BIM 技术的实践积累逐渐增加，国内取得了许多宝贵的经验和研究成果。如王东伟等[4]以乐清湾2号桥为例，针对斜拉桥索塔施工，基于BIM校核了图纸，优化了钢箱梁进度安排和复杂构件钢筋的统计工作，节约工期20d 并大幅降低了成本。周华等[5]以沪通长江大桥横港沙浅水区112m 简支钢桁梁桥为例，针对钢结构制作施工，基于Tekla Structures 软件的BIM 技术应用大大提高了钢结构制造的质量、速度，节约了劳动力成本，避免了人为因素引起的差错。王迎彬等[6]以奉节梅溪河双线特大桥为例，针对上承式劲性骨架钢筋混凝土拱桥施工，基于BIM 优化了临建规划、测量收方、缆索吊和斜拉扣挂系统的设计与施工，提高综合设计效率约20%，节约钢材30t，减少工期40 天。赵伟等[7]以平塘特大桥为例，针对三塔双索面叠合梁斜拉桥施工，基于BIM 校核图纸问题289 处，优化工序3 处，检核出混凝土工程量误差3%，此外，项目还应用BIM 协同管理平台，从质量安全、进度、施工监控及工程量管控等方面进行精细化管理，提高工作效率约15%。

以上研究成果表明，在桥梁施工中，基于BIM技术在审核图纸、工程量统计、优化施工方案等方面效果明显，但从BIM 协同管理方面研究较少，且桥梁结构形式多样、施工工艺复杂，因此需根据不同桥型总结成功经验，本文针对大跨连续梁-钢桁组合桥施工，依托郑阜高铁沈界1 号大桥项目，在BIM 建模、审图、深化设计、优化施工、施工管理等方面进行研究，总结并创新其方法、流程，以达到为同类桥型项目BIM 应用提供借鉴的目的。

1 项目概况

郑阜高铁沈界1 号大桥全长345.8m，采用（86+172+86）m 连续梁-曲弦钢桁组合结构，主梁采用预应力混凝土连续箱梁，按直线梁设计，在中跨160.55m 范围内安装加劲钢桁，施工采用“先梁后桁”法，其中主梁采用挂篮悬臂浇筑施工。主梁采用单箱双室变高度箱形截面，三向预应力体系，由81 个梁段组成，中跨跨中及边支点处梁高为5m，中支点处梁高11m，梁底缘按二次抛物线变化。主梁顶宽12.6～14.6 m，底宽11.3m。全联在端支点、中支点及钢桁-混凝土梁结合节点处共设17 道横隔板，横隔板设有孔洞。

钢桁采用再分式桁架、桁高14m，节间距16m。钢桁结构上弦杆采用箱形截面，腹杆采用工字钢截面，上平联采用X 型构造，工字钢截面。全桥对称设置4 道横联，钢桁共设有24 个下弦节点板并采用 PBL 剪刀键与混凝土梁相连。

2 BIM 应用流程与模型

2.1 BIM 应用流程

在郑阜高铁沈界1号大桥施工阶段进行BIM应用流程为：首先依据现行BIM 规范标准及设计图纸建立精确的BIM 模型，在建模过程中，对设计图纸进行校核；然后基于精确的BIM 模型辅助项目部进行施工质量、进度及物资管理，其中施工质量管理主要从对设计图纸进行深化设计及对重要施工方案进行优化两方面展开，其中进度及物资管理通过开发BIM 信息管理平台，基于BIM 模型及实际工程量数据，实现本项目预应力混凝土连续箱梁施工的进度及物资精细化管理（见图1）。

图1 BIM 应用流程图

2.2 BIM 建模与标准

目前国内仅有建筑工程信息模型交付标准，还没有适合市政工程行业的交付标准[8]。本文基于BIM 应用实际需求，参照《建筑信息模型施工应用标准》（GB/T 51235-2017）及《建筑工程设计信息模型交付标准》（GB/T 51301-2018）等规范，针对项目施工实施阶段（不包含竣工验收阶段），总结了施工模型细度与几何表达精度如表1所示。

表1 施工模型细度与几何表达精度信息一览表

本项目基于连续梁-曲弦钢桁组合结构桥的结构特点，同时考虑了Revit 软件操作较为简单易上手以及Catia 软件建立空间钢结构模型的高精确度与数字化装配功能，最终确定了采用这两款软件进行建模，建模流程如图2 所示。本项目建模量巨大且难度较大，其中竖向预应力管有7492 根，且每根预应力管底距曲面梁底均为6cm，采用Revit 软件插件Dynamo 可视化编程功能实现了批量生成，大幅提高了建模效率；主梁底板纵向预应力管道不仅要与主梁底板底面平行，而且还要平弯，这是建模的难点，通过以下5 个步骤解决了这个问题。

图2 桥梁BIM 建模流程图

（1）将主梁砼节段Revit 模型导入Catia 获取底板下缘线。

（2）基于设计图纸绘制纵向预应力管束平弯、竖弯曲面草图。

（3）相交法得到预应力管空间中心曲线（见图3）。

图3 纵向预应力管BIM 模型建模图

（4）放样生成管束。

（5）通过Inventor 软件导出Revit 交换文件（.ADSK 格式）得到Revit 族文件，最后插入到主梁砼节段Revit 模型的相应位置。

3 BIM 应用研究

3.1 校核设计图纸

现行高铁桥梁工程施工图设计文件依据《铁路建设项目预可行性研究、可行性研究和设计文件编制办法》（TB 10504-2018）规定，按专业、结构部位和构造分册进行编制，便于指导分部分项工程施工，但在施工过程中因图纸错误导致返工、延误工期甚至影响工程质量的情况时有发生。基于BIM 技术解决上述问题的步骤如下：

3.1.1 通过BIM 建模审核图纸

依据项目特点，遴选专业工程师组成主体砼、主体钢筋和钢桁架3 个BIM 建模小组。3 个小组各自独立建模，但其中主体砼和钢桁架2 个小组首先开始，主体钢筋小组稍滞后，因钢筋建模需依附于砼模型建立。建模工作实际上就是依据图纸“翻模”的过程，因此可审核出图纸的错、漏问题，如本项目钢桁架图纸主要问题28 个，其中构件标注尺寸与材料表不一致18 处，构件加工尺寸标注不全8处，详图缺少1 幅，构件坡度标注错误1 处。

3.1.2 通过数字化装配模拟审核图纸

因钢桁架建模工作量较主体钢筋少，钢桁架构件模型最快被“翻模”完毕，接下来通过数字化装配将构件模型“拼接”成整体模型。在数字化装配的过程中，发现了2 处钢桁架图纸问题，一是A0-E1杆件设计图纸长度为4350，虚拟拼装发现长度不够足要求，设计变更为4400mm；二是杆件F2-X1 一端和上弦杆X1-A2 对接有偏差，设计变更了杆件F2-X1 的螺栓孔位置。

3.1.3 通过三维剖切BIM 模型审核图纸

主体砼、主体钢筋和钢桁架建模小组建模结束后，进行三者的“合模”工作。模型被整合后，通过三维剖切法，直观发现了大量碰撞问题，其中施工最关注的有两处。

（1）节点板是否被精确预埋于主梁顶板中，直接影响钢桁架拼装施工是否成功，同时穿过节点板孔洞的钢筋因直径为Ф20～Ф25，所以现场加工困难，因此节点板预埋施工既要保证其位置准确又要使此处钢筋满足结构强度要求。项目通过三维剖切此处BIM 模型，直观发现钢筋与节点板存在严重碰撞问题，如主梁0 号块顶板的5 种型号共计299 根钢筋与E0节点板发生了碰撞。施工前，项目部通过与设计院沟通确定了此处钢筋的处理方案，即腹板箍筋N7-1'和N7-1 钢筋与E0节点板发生了碰撞（见图4），设计院建议将其截断并与节点板进行等强焊接以保证结构受力安全。

（2）主梁的预应力钢束与锯齿块、横隔板相交处结构复杂、施工难度大。施工前，工程师通过三维剖切法发现了此处的碰撞问题，如主梁6'号梁段的横隔板和D12 号锯齿块钢筋与D12 号预应力钢束之间发生碰撞541 处，并将其告知现场钢筋加工班组从而避免了返工和施工质量隐患的发生。

图4 N7-1'Ф20 钢筋与E0 节点板发生碰撞

3.2 深化设计图纸

部分桥梁结构构件有被预制加工的需求，但施工图设计文件的设计深度又不够，同时BIM 技术有具有三维可视及可出图的特点，因此基于BIM 深化设计模型主梁钢筋与钢桁架构件的深化设计图纸是一种可行方法。本项目的钢桁架与主梁钢筋预制加工需要深化设计图纸的指导，具体方法如下：

（1）深化设计节点板端头波纹管开孔断面图。观察BIM 模型可见预应力筋与节点板端头相交（见图5（a）），通过Revit 软件的节点板端头波纹管开孔断面图（见图5（b）），指导打孔施工。

图5 通过BIM 模型出断面图

（2）深化设计钢桁架构件加工图。钢桁架施工图因精度不足等原因，不能直接用于预制加工，项目基于Catia 钢桁架模型，利用Catia 软件出图功能，制作了详细的钢桁架加工图纸，有效提高了钢桁架加工图设计效率和准确度。

（3）深化设计主梁钢筋大样图。在主梁钢筋施工大样图中，有部分图中钢筋长度不能直接用于指导加工，如N7-1 钢筋是随截面变高度的腹板箍筋，它沿主梁梁底倾斜面均匀排布，但钢筋大样图只给出平均长度。项目基于Revit 模型导出Excel钢筋明细表，然后对钢筋明细表进行数据筛选得到了每根钢筋的详细下料尺寸，最后通过CAD 绘制得到钢筋加工交底单。

3.3 优化施工方案

钢桁架拼装施工是本项目的施工重点与难点，在制定该施工方案过程中，基于BIM 主要完成了以下两项优化工作，提高了工作效率。

（1）优化钢桁架拼装施工方案。节点板被预埋于主梁顶板中用于连接主梁与钢桁架，在从主梁挂篮悬臂浇筑开始到钢桁架拼装结束期间的施工过程中，在主梁混凝土收缩徐变、预应力张拉、桥面外部荷载及昼夜温差等因素作用影响下，节点板复测结果显示其位置会发生不同程度的微小偏移。在节点板位置发生偏移的情况下，重新设计节点板螺栓孔位置是钢桁架拼装施工方案关键内容之一。针对节点板螺栓孔位置重新设计的问题，基于BIM的解决方法为：采用Catia 软件通过数字化装配模拟钢桁架拼装过程，从装配得到的整体钢桁架BIM模型中导出得到节点板螺栓孔布置图。其中钢桁架数字化装配具体操作过程，首先通过Catia 知识工程参数化模块导入Excel 表中的节点板实际坐标点信息，根据坐标点信息在Catia 中生成空间点模型，依据这些空间点绘制钢桁架骨架线；根据设计图纸绘制钢桁架构件；最后将这些构件基于骨架线进行精细拼装，得到整体钢桁架模型[9]。

（2）优化钢桁架异型钢构件吊装施工方案。对于异型钢构件，通常需计算构件的重心点位置，吊装时多个起吊受力点的合力方向应通过被吊装构件的重心位置，从而保证连接多吊点的钢丝绳受力相等，以免在吊装过程中个别钢丝绳因受力过大断裂。但由于异型钢构件重心位置手工计算复杂，部分施工现场常采用多次单点起吊的方法确定构件重心位置。这样不但耗费人力物力、影响施工效率，而且现场试吊过程也伴有较大风险[10]。而基于BIM 采用Catia 软件，可快速获取钢桁架异型钢构件BIM 模型的重心坐标、位置及重量等数据，为工程师制定吊装施工方案提供了数据支撑。

3.4 进度与物资管理

为提高项目部各部门的相互协作能力及进度与物资管理水平，有效解决“信息孤岛”问题，针对本项目主梁挂篮悬臂浇筑施工过程研发了BIM信息管理平台。BIM 信息管理平台由WEB 端和Revit 进度展示插件组成，主要用于显示以下4 个方面的数据。

（1）施工进度预测数据。随着主梁节段的施工，平台可基于节段的BIM 钢筋量、BIM 混凝土量以及已施工节段的钢筋绑扎、挂篮滑移安装、模板安装、钢筋绑扎、混凝土浇筑、混凝土养护、预应力张拉等工作时间，推算出未施工节段的最迟完成时间，为项目管理者进行进度控制措施决策提供数据支持。

（2）实际进度信息三维展示。工程部技术人员在WEB 端输入实际进度后，在Revit 进度展示插件可实时显示三维的实际进度，方便项目各部门实时了解工程实际进度。

（3）钢筋量统计数据。平台可显示每月钢筋实际消耗量与BIM 钢筋模型量比值，2018 年1 月比值1.5 超出平均值约14%，通过物资采购部与工程部联合进行调查发现了“飞单”现象，现场立即整改，杜绝了更大损失。

（4）砼统计数据。平台可显示主梁每个节段砼实际浇筑量与BIM 模型量比值，298-0 号段比值为1.17，远超正常范围，通过调查发现了砼浇筑量“虚报”现象，立即对商砼进行了处罚从而杜绝了更大的损失。

4 成效分析

（1）采用BIM 审图发现钢筋与节点板、预应力钢束碰撞870 余处及钢桁架图纸主要问题30 个，项目部提前进行设计变更，减少了大量返工。

（2）采用BIM 出图，指导钢桁架加工、PBL键钻孔、钢筋下料等工作，提高效率近40%。

（3）利用BIM 信息管理平台，进行钢筋、混凝土物资管理，杜绝“飞单”现象，预计节约物资近10%左右；实现了主梁施工进度预测，保证了主梁按期合龙。

（4）针对大跨高铁连续梁-钢桁组合桥型的施工，总结了BIM 应用的流程、BIM 施工模型细度与几何表达精度；总结了BIM 校核设计图纸的步骤与方法；阐述了基于BIM 模型出钢桁架与主梁钢筋深化设计图纸的方法，为同类型桥梁施工采用BIM技术提供了借鉴。

5 结语

以郑阜高铁沈界1 号大桥为例，针对大跨连续梁-钢桁组合桥施工，通过精确BIM 模型的建立，解决了钢筋与节点板、预应力钢束碰撞及钢桁架图纸问题；基于BIM 模型，完成了钢桁架构件加工图及主梁钢筋大样图的深化设计；基于钢桁架BIM 模型，利用Catia 软件重新设计了节点板螺栓孔布置图，并高效确定了钢桁架构件的重心位置；通过BIM 信息管理平台的研发，解决了主梁施工进度不易预测及施工物资“飞单”问题。

本文研究创新之处在于：基于Revit 主梁砼模型，采用Catia 和Inventor 两款BIM 软件，解决了空间曲线构件主梁底板纵向预应力管道建模难的问题；通过研发的BIM 信息管理平台，基于采集的BIM 模型量、实际施工工序数据，实现了未施工主梁节段的最迟完成时间的动态预测，为项目管理者进行进度控制措施决策提供了数据支持。