BIM技术在牡佳客专128m钢拱桥中的应用

卜东平，张琪玮，郭子飞，赵忠文

(1.西安建工集团有限公司，陕西 西安 710065；2.中铁一局集团第二工程有限公司，河北 唐山 063004)

1 工程概况

牡佳客专上跨哈同高速公路的128m钢拱桥全长131.2m，拱桥中心线与高速公路中心线夹角131°51′。主桥上部结构采用128m尼尔森吊杆体系，简支钢拱，拱肋采用悬链线，在横桥向内倾8°呈提篮式，拱肋横断面采用哑铃形钢管截面。拱肋间设1道一字撑和6道K撑。拱桥系梁全长131m，梁端采用矩形实心混凝土截面，宽19.3m、高2.5m，两端实心段均长8m。普通段采用单箱三室混凝土截面，宽18.5m、高2.5m、长115m。其平面及立面如图1所示。

图1 128m钢拱桥(单位：cm)

2 采用钢结构BIM技术的必要性

1)外部干扰多 该工程上跨繁忙国道哈同高速公路，车流量大，交通导改难度大。

2)施工要求高 牡佳客专对施工质量精度、施工安全、环境保护等要求高。

3)施工场地狭窄 该桥位处施工现场环境复杂，施工只能在桥梁投影线下征地范围内展开，场地狭窄。

4)施工工期紧 本工程位于全线架梁关键线路上，是全线架梁的控制性节点工程。

5)技术含量高 本工程施工技术复杂，采用BIM技术辅助实施，技术含量高。

基于以上5方面原因，本工程采用BIM技术辅助施工，解决现场实际困难，最大限度地节约人、材、机等资源及缩短工期。

3 钢结构BIM模型创建

根据施工设计图纸及建模思路对128m简支钢拱桥的建模顺序进行分解。建模过程主要分为7个步骤：制作钢拱肋构件，创建族库；创建系梁混凝土主体模型；创建系梁钢筋模型；创建拱脚混凝土模型；创建拱脚钢筋模型；创建预应力钢束模型；创建施工临时支架模型。

严格按施工设计图纸建立BIM模型，做到准确、细致、真实反映桥梁结构。由BIM专业人员根据施工技术人员提供的桥梁设计图纸与现场环境实测数据，进行桥梁结构尺寸统计，上传数据，建立1∶1高精度族文件；系梁、钢筋、预应力钢束、拱脚、钢支撑、贝雷梁、吊杆等单独的三维信息BIM模型，如图2所示。最后合并创建整体的三维信息BIM模型，如图3所示。便于后期细化工程量，为后续项目信息化管理提供数据保障。

图2 钢拱桥各构件模型

图3 钢拱桥BIM精细化模型

4 钢拱桥BIM成果应用

4.1 深化图纸设计

根据钢拱桥BIM精细化模型，通过BIM+VR技术模拟施工过程中的每个步骤。针对原有排布施工空间利用率不高、多处碰撞等问题进行优化。就建模发现的图纸问题，给出详细的图纸编号、问题描述、位置、图纸与模型显示以及建模建议和处理方案，如图4所示。与设计单位进行沟通，进行设计图纸深化，避免后续施工过程中产生不必要的设计变更，从而加快施工进度。

图4 深化设计图纸示意

4.2 三维可视化技术交底

针对项目施工过程中的重点工序，如拱脚安装施工、钢管加工安装施工、吊杆施工等工序，结合BIM技术制作工序卡，建立二维码信息库，将二维码张贴在现场对应区域或对应构件上，供管理人员和作业人员使用手机随时扫描查阅。扫描对应的二维码，可形成电子影像化、3D可视化的技术交底，可查看每个工序的“施工模拟”三维视频讲解。如图5所示，以拱脚三维技术交底单独作为“施工模拟”应用点。重点是基于拱脚三维信息模型，随时测量模型表面任何位置钢筋、尺寸、混凝土工程量等信息，详细阐述拱脚的施工顺序，包括预埋管安装、钢筋绑扎顺序、在钢筋加工中的应用。

图5 三维技术交底

4.3 工程数量复核

本项目BIM建模时采用精细化模型，可精确算量，快速提取工程量，如图6所示。提取工程量可核对设计用量，有利于加快图纸审核及预算进度，减少技术及预算人员工作量，提高图纸审核及预算质量，进而增强项目的审核工效。

图6 工程数量复核

4.4 空间坐标提取

根据钢拱桥BIM精细化模型，将模型中总平面布置图的关键点坐标系与大地坐标系统一，可在模型中得到拱桥任意位置的精确坐标，如图7所示，提高测量放线的精确度和效率。运用模型提取出的任意剖面、任意角度、任意点位的坐标，从而快速准确地复核设计坐标，进而提高施工放样精度。

图7 坐标提取(单位：mm)

4.5 钢拱肋深化加工安装

对拱肋进行详细BIM建模，如对加强板、加强肋、加劲钢筋、吊杆、预埋管等细部构造建模，可通过碰撞检查提前发现问题，并将问题汇总，用于指导厂家进行拱肋加工，避免运到现场无法安装，造成不必要的返工。拱肋采用钢管卷制，厂内集中加工制成，由直线管节焊接拼装成 8～10m长度，运到现场后在拼装支架上组拼成型。如图8所示，钢管拱主拱肋分13个节段制造，左、右各6个节段对称加工，中间设合龙管节。

图8 钢拱肋深化加工安装

4.6 施工方案模拟

根据钢拱桥BIM精细化模型，加入施工方案中的大型临时设施，对128m钢拱桥主梁采用支架法现浇施工。首先进行钢管立柱条形基础混凝土浇筑，再进行钢管柱安装，如图9a所示。拼装纵向贝雷梁，如图9b所示。

图9 施工方案模拟1～3

临时支架预压，如图9c所示。安装模板系统。竖向钢管采用φ630×10无缝钢管，上下采用法兰连接。横、纵向均采用I18剪刀撑进行连接。钢管立柱及横向分配梁安装完毕后进行贝雷片纵梁安装。贝雷纵梁安装横向间距分别为45，90cm，采用螺栓和销子连成整体。利用已创建的BIM模型，在Navisworks中进行施工过程模拟，通过BIM+VR技术展示施工全过程，进行各工况下的细部分析，并形成电子影像化、3D可视化的技术交底，以便全过程指导现场施工。

4.7 交通导改模拟

作业范围内的施工安全设施严格按JTG H30—2015《公路养护安全作业规程》操作。根据相关要求，跨越高速公路施工区域设置警告区、上游过渡区、缓冲区、作业区、下游过渡区、终止区等。在高速公路上加设锥形交通路标、安全带、围栏、施工隔离墩、防撞桶等施工安全交通隔离措施。施工范围夜间设置照明灯、施工警告信号灯，在防护棚架及立柱立面位置(迎车驶来方向)布置反光带，增强警示效果。根据钢拱桥BIM精细化模型，可通过三维渲染软件以真实场景渲染图形式表达，产生三维漫游动画，在 Navisworks中进行交通导行模拟，如图10所示，方便施工参建人员充分理解设计意图、设计理念，真实地反映项目与周围环境的立体关系。

图10 交通导改模拟

5 结语

1)对大桥的各工序提前模拟施工真实场景，对关键施工工序、机具组织安排进行仿真，对特殊位置的人员操作进行模拟，辅助规划施工组织设计方案，并输出相应的漫游视频及图片。

2)根据大桥的主拱骨架实际拼装质量检测数据，调整实际BIM模型参数，得到累积误差计算模型，将计算模型与设计模型做对比，分析累积误差的计算结果。

3)提供大桥施工现场指导材料，形成三维交互式动态材料，结合图文、图纸、视频等内容进行集中浏览和展示。

4)通过模型确定设计图纸中未明确的钢筋长度，避免出现加工的钢筋不能用，提高工效。

5)通过对该桥的关键工序进行施工模拟，优化施工方法，避免出现由于工序错误导致施工效率低及返工情况。

6)通过模拟施工工序进行三维交底，加深技术人员对图纸的理解，更加有效地保证施工质量。

7)通过模型提前发现图纸设计问题，提前与设计方沟通，避免施工过程中产生不必要的变更。

8)通过模拟跨越高速公路施工区域，确定锥形交通路标、安全带、围栏、施工隔离墩、防撞桶等施工安全交通隔离措施是否合理。

9)本项目BIM技术应用产生了很好的实施效果，在施工过程中未出现设计变更，施工进度提前完成，受到业主方表扬。