BIM技术在装配式桥梁设计与施工中的应用

缪学勇

(兰州有色冶金设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000)

1 BIM技术概述

BIM技术是基于三维数字化模型综合建设项目过程控制信息，并应用信息化模型对项目进行规划、设计、施工和运维管理，具有可视化、参数化、协调化、模拟化等特征。

1)可视化。BIM是一种新型设计理念，使设计方法从CAD图纸设计时代转变为模型设计时代，利用BIM软件可以构建数字化桥梁模型，为可视化设计奠定基础，以便后续分析结构、碰撞检测、模拟施工等工作顺利进行。桥梁设计中应用BIM技术可视化特征可以将构建信息立体展现出来，清晰表述各个构件关系，有利于复杂构件设计，可以提高项目交流沟通效率，提供准确决策参考意见。

2)参数化。桥梁设计时需要反复修改优化，传统设计需要花费大量精力修改，尤其是大型桥梁十分明显，导致时间成本增加。而采用BIM技术设计桥梁可以利用参数化建模方式将结构参数结合起来，只需要修改其中一个参数就可以自动调整其他参数，在优化目标的同时修改模型信息，节省设计人员的时间与精力，提高工作效率，降低设计出错率[1]。

3)协同化。随着BIM技术发展，设计人员可以利用该技术迅速完成工作，并通过协同化特征改善传统设计问题，体现信息化设计理念。在桥梁设计中，由于桥梁项目涉及多个专业，通过BIM设计系统可以在同一平台数据层中对不同专业进行统一设计，在确保不干涉其他数据的情况下实时更新数据模型，利用协同设计管理平台，提高数据管理效率，也能够帮助管理者迅速决策。

4)模拟化。BIM的模拟化特征主要体现在建筑模型设计中，其可以模拟一些现实生活中可能存在的现象。在桥梁设计中利用三维立体图打造3D建筑模型，通过BIM摸拟测试施工中的安全事故，并利用4D模拟降低建筑成本。

2 装配式桥梁设计与施工应用BIM技术优势

装配式桥梁建设过程中，数据人员通过应用BIM技术提供准确数据信息，帮助设计人员设计图纸，提高施工方案设计效率。通过BIM技术创建装配式交流模型，以便管理人员动态了解施工情况，方便管理工程。同时，利用BIM技术也能够提高工程建设安全性，实时监控施工问题，控制建设资金，实现科学预算。总之，装配式桥梁工程建设通过应用BIM技术可以间接增加企业经济效益。而利用BIM技术优势特征能够拓展沟通渠道，让工程建设过程中的投资方案以及构建数据更科学准确[2]。同时，通过BIM技术构建装配式桥梁模型也能够帮助设计和施工人员完成工作，提高桥梁建设施工水平，有利于迅速完成桥梁建设，推动装配式桥梁行业发展。

3 BIM技术在装配式桥梁设计施工中的具体应用

3.1 工程概述

某工程为装配式桥梁，净跨径145 m，桥梁整体长度为287 m，其中人行道2 m，机动车道8.5 m。该桥梁中，主桥断面为装配式单箱五式，规格为2.8 m×8.3 m，净跨径145 m，净矢高为35 m，净矢跨比1∶ 4.14，主桥采用拱轴线，系数在1.9左右。主桥为预应力混凝土密肋式T梁，长高为12.16 m和0.85 m，预制中梁宽和厚为1 m和0.16 m，T梁采用低松弛钢绞线和C50混凝土浇筑，桥面横坡采用盖梁，拱上立柱间距在6.4 m左右。预制拱箱顶板与底板宽度都为1.5 m。安装完拱圈后进行接头焊接，之后浇筑混凝土使拱圈完整化。按照7个阶段分别吊装，台座采用C25混凝土浇筑，预制拱箱放在承梁台架上，卸荷前在台架上放上方形枕木支撑拱箱端头。

3.2 设计应用

3.2.1 构建桥梁模型

该桥梁采用BIM技术设计模型，采用Revit软件，从中选择样板导入CAD形状，并添加参数，输入尺寸标注样式，见图1。在样板中绘制测量桥梁截面面，通过拉伸功能得到拱座族。盖梁制作时，将其分为两个构件组，两组载入其中，选择构件放置，进而得到盖梁族，见图2。

图1 尺寸修改

图2 族样板

在预制拱箱时，隔横板是重要构件，二者形成整体，主拱圈根据CAD段线可以分成不同节段，最终逐一采用放置法构建主拱圈。除了常规构件外，还需要构建其他模型，例如吊车、水泥罐车等，该软件具有丰富族库，并与3D max等软件互相联结，可以根据实际情况调用族库中的模型，并导入到软件中，节省模型建立时间[3]。

该桥梁模型主拱圈、垫梁等都实行梁单元模拟，同时予以实际参数模拟合龙方式和线形。吊装拱箱时，扣索使用受拉桁架单元模拟，如图3为设计图纸上的模型。

图3 设计图纸模型

根据该其桥梁施工要点和设计图纸流程，各构件通过逐步激活方式模拟，模拟使用单箱合龙，也就是先对称吊装拱脚段，并激活拱脚约束、扣索，之后吊装、扣挂拱箱，合龙后再安装施工其他构件[4]。基于工程背景，本研究共建设3条线形，利用BIM技术实测模拟拱圈，得到结果如图4所示，同时计算扣索，所得结果见表1，可得扣索安全性均超过3，则表示方案可行。采用C50混凝土时，轴心抗压强度预期数值为22.4，抗拉强度为1.8，通过分析拱箱可以遵循该设计施工，安装受力安全。

图4 实测模拟图

表1 合龙时扣索计算结果 单位：kN

表2 各阶段拱肋内力和强度结果

3.2.2 预制构件设计

该桥梁影响因素较多，在预制施工时拱箱顶板出现裂缝，本文通过构件开发平台对其进行有限元分析，寻找裂缝出现原因，并根据BIM技术提出施工意见。该桥梁采用ANSYS软件进行有限元分析，结合BIM Revit软件所创建的预制构件模型演示，建立截面、横隔板、拱箱接头等模型，对其进行有限元分析。在此基础上发现其中存在的问题，预制构件受到日照温度、安装偏差等影响出现裂纹，在有限元分析中，对偏位维系主要分析构件对顶板受力影响，采用荷载模拟偏位，利用Revit模型标注分析对象，计算不同工况数值，观察控制点位移情况，进而确定安装偏位对顶板产生的影响。对此，采用BIM技术对预制构件进行高精度监控施工。

该桥梁中，钢筋布设采用Revit中的钢筋模型模板，设计人员可以根据这些模板进行配筋工作，利用BIM可视化特征在布设钢筋时进行碰撞检验，以便设计人员完成钢筋设计。具体设计时，该软件可以提供多种预制钢筋模板以便设计人员使用，这些预制模板可以分为不同类型，例如形状固定类型、受平面限制类型、随曲面变化类型等，在选定模板之后创新钢筋，通过软件选定型号、位置、弯折半径等参数通过陈列命令规定钢筋数量和间距，进而创建钢筋三维模型。在设计命令中，通过碰撞检查构件的钢筋模型检测内部部件是否完善，检测碰撞时分别选中其中的两组元素进行检验，完成后表示碰撞位置，之后点击播放键查看具体位置。完整碰撞修改后选择对象并导出报表，其中包含钢筋型号、规格等信息。

不同构件在平面图纸上彼此独立，冲突难以发现，为了保证预制构件质量和施工顺利，利用BIM技术确定各构件位置后需要对其进行碰撞检查，对模型进行可视化集成分析，使其能够在统一坐标系下根据尺寸构建桥梁构件模型，直观观察碰撞点信息，并由设计人员负责修改碰撞，避免施工返工，提高施工效率。

3.3 施工应用

该桥梁施工过程中涉及的预制构件生产操作较多，其通过应用BIM软件可以优化流程，确保施工安全。实际操作时，根据BIM软件中的数据设计人员结合桥梁特征共享数据，施工人员可以根据系统所提供的构件规格和尺寸分析保障预制构件质量，同时在桥梁施工中应用BIM技术通过制定现场方案定位检查预制构件，确保各构件信息一致，减少构件误用问题，提高施工质量水平，并根据该工程特征对施工顺序进行模拟测试，利用BIM技术模拟装配式施工，可以保障施工质量，准确定位预制组件，避免组件丢失或误用，提高施工水平，施工人员根据软件模拟结果进行实际施工，可以减少施工问题发生，缩短施工周期，控制施工成本进度和质量。

在拱箱预制施工过程中，利用BIM技术可以把控施工过程。施工前，利用BIM技术可以生成BIM大数据，同时进行分析。GIS平台可以整合地理信息并将勘察数据统一平台上，二者协同预演施工过程，确定场地布置，以便后续施工。台座施工前需要设计人员复核设计图并计算放样数据，利用三维扫描技术与BIM信息模型结合将施工实际和设计差异显示出来，并做出修正。预制拱箱台座施工采用泥结碎石填心，周边为混凝土砌筑，表面按照线形设计成预拱，同时进行处理，检验合格才能够使用。完成后，进行养护。

腹板和横隔板预制施工过程中，由于构件设计数量多，需要保证施工质量。腹板与横隔板实行定型角钢模板预制，预制前需要在模板中涂抹脱模剂，方便构件成型，振捣构件混凝土时可以使用附着式振捣器，以便混凝土均匀分布，防止离析。浇筑完构件后需要进行养护。

该桥梁前期控制中，预制拱箱组装是重点工作，其施工质量影响着后续施工，因此在预制拱箱组装施工时，一方面需要利用BIM模型和三维激光扫描技术迅速获取构件三维数据并重构模型，通过三维扫描技术扫描预制拱箱得到其外观形状，并利用点云数据分析和检测线形确定其是否满足要求。另一方面，在台座上准确放线各构件位置，同时使用卷尺复核[5]。安装底板钢筋过程中，需要提前对钢筋间距和位置进行计算，并标记好，之后根据标记位置安装底板钢筋，上下层使用钢筋分离，所设施的钢筋架距离不可影响底板钢筋。完成后使用龙门吊吊装，就位后将各构件焊接好，同时做好保护层。各接头部位需要仔细施工，预埋角钢保障的拱箱对接是否准确，也影响着其受力，因此需要注意控制预埋角钢施工质量。对此，可以通过固定钢框使预埋角钢对应，并注意安装钢框尺寸，防止其变形。

此外，预制拱箱模板使用可拆卸的木模板为最好，内部使用木方支撑，倒角部位模板为铁丝绑扎牢固，底板混凝土强度在达到60%时才能够浇筑顶板混凝土，避免混凝土收缩徐变影响质量。各道工序完成后，由专业人员检测拱箱尺寸，与要求相符后进行后续施工。由于该桥梁拱箱施工时出现裂缝，其是由于预制横隔板出现问题导致的，同时由于各构件连接复杂，容易被荷载等因素影响，因此需要采用高强度、高韧性混凝土材料制作横隔板，本工程使用高韧性纤维混凝土，其在工程中的应用效果较好，在拱箱构件预制中应用可以增强构件强度。构件倒角缝连接部位性能弱，施工过程中如果模板难以布置容易被忽略，进而连接不紧密，影响受力，因此施工时需要考虑模板布置，并进行压浆处理。

预制拱箱起梁一般使用液压千斤顶与钢板起梁彼此配合，施工过程中，拱箱两边所预留的位置放置了千斤顶，使用同样规格的方形钢板放于其上避免局部过度应力破坏梁体。施工前，需要准备枕木，千斤顶同步作业，起梁时确保枕木水平、速度稳定，避免出现安全事故。移梁前需要试压检查，使用槽钢固定拱箱，并检查牵引钢丝绳安装和遥控器灵敏度，操作时需要保证人员行进速度一致，并由专人负责跟踪平板差保证移动安全，一旦发现异常及时刹车，避免出现安全问题。

预制构件施工过程中，采用BIM软件可以整合不同专业模型，实时监控施工过程，实现高效管理。在BIM 的Revit软件中，其凭借可视化功能实时监控施工过程，在装配式桥梁施工期间构建动态监控体系实时反馈预制构件施工信息，确保组装质量，避免放样错误导致预制偏差。在桥梁监控中，Revit软件模型结合有限元分析数据，并联系实际监控数据以便管理人员随时查看并利用模型进行分析，所有数据存储在平台上，方便了人员管理。

3.4 维护应用

在该桥梁施工过程中应用BIM技术可以提供更多信息，将桥梁现状和所用材料问题及时反馈给预制构件生产商，在得到准确信息后可以保证预制构件质量，确保桥梁工程维护顺利进行。在实际维护过程中，该桥梁根据BIM软件构建的模型管理人员和施工，规范各施工环节中的施工技术，监管桥梁中的各种设计方案，控制其中存在的风险，避免施工后续损害企业经济利益。同时，BIM技术通过共享施工所需构件规格等参数帮助生产商制造构件，可以加强企业和生产商之间的沟通，满足施工对构件的具体要求，避免出现沟通问题，影响购进质量。

4 结束语

在装配式工程中应用BIM技术不仅能够模拟施工过程，而且能够进行管理构建和计算造价，提高建筑施工质量。BIM技术模拟实际工程施工时，施工人员可以及时发现其中问题，并根据现场施工情况及时提出措施，而通过信息化模型也能够促使建筑项目实现可视化，优化设计阶段、沟通协调、质量控制和投资控制等工作，提高控制效果，避免后续工程出现返工和误工等现象，提高装配式桥梁施工效率，加强桥梁管控，为建筑行业规范化、持续化发展提供方向。

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