BIM 虚拟施工技术在装配式钢结构桥梁中的应用研究

上海振华重工（集团）股份有限公司 上海 200125

装配式的桥梁因为钢结构的施工方便以及抗震方面的性能良好，越来越成为工程设计人员的首选方案之一，但是在另一方面，也有着限制其发展的问题。第一，装配式的构建大多数通过工厂预制的方法获得，在预制精度上要求比较高；第二，装配式的钢结构桥梁在施工过程中，对于墩和基础的衔接极其复杂，为保障现场的施工人员对工程能够有更准确地判断和把握，需要设计人员与施工人员进行详细的技术沟通。在此基础上，经过建立Revit+Fuzor 模式将BIM 虚拟施工技术运用到装配式桥梁施工里，制造出适合桥梁结构的可视化施工模拟体系，并且以实际工程为案例整理总结模拟过程。

1 理论基础

1.1 装配式钢结构桥梁

在装配式钢结构桥梁的研究中最重要的就是桥墩与基础的连接方式。首先要求其具备良好的承重能力和良好的稳定性用以承载上部荷载的作用，其次保障现场施工的可操控性与精度。所以，在装配式钢结构桥梁的施工中，首先通过工厂来预制钢构件，其次再运输到施工现场来采取机械设备进行拼装。这种新型施工方式打破了传统的现浇式施工的局限性，也是未来桥梁的主要建造方法之一。在施工过程中我们主要的研究对象就是桥墩的连接形式与拼装步骤中的重点与难点，我们需要思考如何让桥梁结构在复杂的施工环境中在现场拼装作业能够有效进行。

1.2 基于BIM 的虚拟施工技术BIM

用三维数字技术当基础，具有强大的三维建模能力，拥有可视化与协同交互及信息集成等特点。通过BIM 技术创建结构的三维模型，来实现信息的关联与实时更新。且虚拟施工技术是在虚拟的环境基础上，对施工过程来进行可视化的模拟，由计算机来协助工作，在不消耗实际资源的状况下，对施工过程进行预先的模拟和检验[1]。当前，在建筑工程中BIM 虚拟的施工技术拥有一定的应用，但是在桥梁工程中应用的比较少。

2 虚拟施工技术框架

2.1 技术手段

BIM 虚拟施工技术主要依靠在BIM 平台的相关软件进行，在此文中，将不会再采取固定的Revit+Navisworks 模式，而是用Revit+Fuzor 模式来进行桥梁的施工模拟，如图1 所示，在刚开始的设计阶段，通过Revit 三维建模软件，来建立工程中所需要的参数化模型，同时在该模型对施工过程来进行分析模拟，而且Revit具有极强的交互能力，可以与Fuzor 软件实现完美的实时互通，通过集成控制来实现信息交流。在施工阶段，经过Revit 来创建辅助设施的三维模型，且结合Fuzor 软件自带的施工机械模型来根据施工方案对场景进行布置，实现施工过程模拟。

2.2 技术路线

为了将虚拟施工技术应用到装配式钢结构桥梁中，我们需要在施工方法的可行性和资源成本的合理性以及方案的优化这几个方面下手，为此，我们需要做如下工作:

（1）通过Revit 建模软件来建立钢结构桥梁和辅助设施的三维模型。

（2）把模型载入到Fuzor 施工模拟软件中，模拟施工环境与关键施工工艺，分别在桥梁的设计、施工、运维等阶段来进行模拟与检测，以此检测工程中的故障。

（3）技术人员可以在模拟过程中如施工工序不当、构建碰撞等情况，通过软件自动发出的提示来及时的发现问题并进行更改。

（4）通过Revit+Fuzor 模式来进行桥梁的施工模拟，来进行多个方案的可视化对比，最终确定最优施工方案，如图2 所示。

图2 优化流程图

3 工程概况

某4 跨连续梁桥，跨度40m，上部采用工字型钢板主梁，全桥宽度12.0m，梁高2200mm，主梁之间的间距2500mm。下部采用独柱式钢桥墩，各构件采用工厂预制现场吊装的形式进行施工，桥墩高度12.2m，盖梁长12m；墩身截面为箱型截面，宽度为1.8m，并设有纵向加劲肋，加劲肋的尺寸为220×28；承台宽度8.5m，厚度2.2m；基础形式为群桩基础，桩基直径为1.2m，墩身与承台基的连接采用锚杆连接。本文将着重归纳总结钢桥墩拼装等复杂施工工艺的虚拟施工的实现过程。

3.1 参数化模型建立

指导施工的前提是模型的建立，通过Revit 建模软件来建立桥墩和辅助设施的模型，通过将桥墩模型与设施模型相集成，再导入到实际的地形，用于实际工程的指导。在本桥的建模中，最重要的就是对桥墩与基础连接处的处理。在此工程的钢桥墩与混凝土承台采用带有钢锚板加强板的连接方式，此方式需要在工厂预制精度较高的留有锚杆孔的桥墩外环板、预埋在基础中的加强板和固定于板上的锚杆，所以必须准确建模。因为已有众多学者进行研究利用Revit 软件进行参数化建模过程，所以本文不再阐述创建完成的桥墩模型[2]。

3.2 虚拟施工

随着BIM 技术的发展而产生了一种基于Revit 的插件就是Fuzor 施工模拟软件，Fuzor 不仅拥有与Navisworks 相同的碰撞检测功能，而且能与Revit 实现双向互通，还能够以动画的方式实现对施工工程的检测和模拟。为了能弥补传统虚拟施工模拟方法的弊端，通过来建立Revit+Fuzor 模式进行可视化的虚拟施工模拟。在施工组织设计阶段，利用Fuzor 软件中三维可视化技术，通过Revit 中点击“LaunchFuzor”将创建完成的模型载入到Fuzor 软件中对模型进行虚拟检测，通过检测来探查设计图纸是否出现漏、错、碰等问题。如果发现问题可同时进行实时更改并双向同步来深化设计的整体布局。在现场的施工阶段，Fuzor 软件可以实现一模多用，如何应用有如下几个方面：

（1）技术交底。对模型的检查完成后，需要对施工方进行技术上的沟通，为了让施工方更加明白施工流程与设计意图，需按照施工工序添加时间信息并制定构件运动关系，根据施工进度计划进行技术交底。

（2）三维场布。为了让施工顺利进行，需要在实际施工之前，根据施工场地与施工情况来进行科学的合理的场地模拟布置。

（3）复杂工艺指导施工。在施工过程中，对于容易导致施工人员理解不清晰的复杂工艺，可以利用虚拟动画进行预先了解学习，明白它的施工工艺。该工程下部结构中的桥墩与基础的连接作为复杂技术，它的施工方式就是将钢板桥墩的外环板与浇筑与混凝土承台中的带有钢锚杆的加强板连接。为了让施工人员充分理解，可以将它的施工工艺进行动画模拟来准确地指导施工[3]。

（4）路径模拟。为了可以有效地避免施工中的安全隐患，可以利用直观的三维动画对进场的构件进行路径模拟。在桥梁装配式施工场地中，大型构件的进场与吊装对施工路线要求较高，尤其需要确定吊车的工作范围，验证吊车的行进和转动是否会与现场环境、已装配好的桥梁构件、支架等发生碰撞。

4 结语

（1）为了满足绿色施工的理念，装配式钢结构桥梁由于其构件工厂预制现场吊装的施工方式，可以减少现场湿作业；因为BIM的虚拟施工技术拥有可视化、协同交互、信息集成等特点，可以在现场施工之前预先对施工的过程进行提前预演来提高施工效率，因此将二者的集成应用到实际工程中，对桥梁事业的发展注入了新的动力。

（2）对于采用Revit+Fuzor 模式建立适用于桥梁结构的可视化施工模拟体系的一般方法。其中包括Revit 建模、Fuzor 可视化分析、优化调整等步骤。

（3）Revit+Fuzor 模式可应用于桥梁的整个生命周期，进而实现设计与施工以及运维阶段的信息共享。

尤其在桥梁施工阶段，为了有效地保证了施工安全，节约施工成本，Fuzor 软件在技术交底、三维场布、复杂工艺指导施工、进场模拟等方面实现了全面覆盖。

（4）以某实际工程为例，详细介绍了将BIM 虚拟施工技术应用到装配式钢结构桥梁的施工中，可以有效地减少现场施工隐患。经过对桥墩构件的精准参数化建模，不仅满足了预制构件的精度要求，还实现了装配式钢桥墩施工关键技术的模拟和优化，来确保施工的质量，提高施工的效率。