基于Bentley的弯桥悬臂拼装施工仿真

张颖达 寇永辉 熊丽敏

1. 郑州市交通规划勘察设计研究院 河南 郑州 450001

2. 河南省公路全预制装配式桥梁工程技术研究中心 河南 郑州 450001

建筑信息模型（Building Information Modeling），简称BIM，是由足量、精确的信息来表达建筑情况的综合模型。由Autodesk公司在2002年率先提出，随后在美国、日本、欧洲和韩国得到广泛应用。自从我国建筑业在2003年引入BIM技术以来，BIM技术的应用深度和广度不断提高[1,2]。例如，国家速滑馆项、北京财富中心写字楼、上海世博会德国馆、道路桥梁等项目[3-5]都采用BIM 技术进行多专业管线进行优化布置、碰撞检查、施工仿真分析和数据集成。北京在2014年2月颁布的《民用建筑信息模型设计标准（DB11/1063-2014）》将BIM应用推向标准化，2017年7月发布《北京市建筑信息模型（BIM）应用示范工程的通知》进一步推进BIM在工程方面的应用。上海也在2014年10月公布了《关于在本市推进建筑信息模型技术应用的指导意见》，以推进BIM技术在公共设施建设中的应用[1]。

目前流行的BIM平台包括Revit、Bentley、ArchiCAD、广联达、鸿业等[6-8]。其中Bentley平台采用各行业统一文件格式的专业化软件MicroStation、OpenRoads、OpenBridge、ContextCapture、LumenRT等建模，基于线上协同的云平台可使专业性较强的建筑模型进行更好地分工协作[9,10]。由于曲线段悬臂拼装匝道桥具有平弯、竖弯曲线并设有超高，主梁空间线形复杂，各预制节段及其剪力键、齿块、预应力管道等构造复杂且各不相同，这些都增加了悬臂拼装施工难度，开展精细化的施工仿真非常必要，经过比选，选定Bentley平台开展施工仿真分析。

本文以郑州南四环高架桥的郑密立交段C匝道桥为依托，采用Bentley平台和无人机倾斜摄影技术，对半径360m的短线法预制悬臂拼装桥梁进行精细化实景建模，进行高精度、多维度的施工仿真分析，总结出一套复杂桥梁结构施工的模拟方法，成果为复杂桥梁施工提供借鉴与参考[2]。

1 工程概况

郑州南四环高架桥工程是国家绿色建设和工业化装配式桥梁的典范工程。项目最大限度的采用墩梁工业化设计、制造、运架一体化桥梁工业化技术。其中郑密路立交桥C匝道桥位于半径为360m的曲线段上，桥梁宽度10m，共分为3联，对应的跨径布置为2×（3×28m）+3×26.83m，本文以第二联为研究对象，桥型布置见图1。匝道设计车速40km/h，主梁采用单箱单室等高斜腹板预应力混凝土箱梁，桥墩处墩梁固结，桥台处设置支座。主梁高2.2m，主梁单跨共划分11个施工节段，墩顶0号节段长4.1m，墩顶现浇0号节段与1号预制节段间设置15cm现浇湿接缝，跨中合龙段长1.2m，0号节段与合龙段均采用现浇施工。其余节段长2.8m，采用短线法预制悬臂拼装施工。桥墩采用花瓶墩，基础为桩基础[3]。

图1 郑密路立交桥C匝道桥第二联（单位：m）

2 Bentley平台悬臂拼装桥梁施工仿真流程

根据曲线段短线法悬臂拼装施工特点，结合Bentley平台现有软件，总结其施工仿真分析流程如图2所示。其中，MicroStation软件有专门的曲线、曲面、实体等模块，可满足对桥梁结构构件的精细化建模。通过OpenRoads软件进行道路的平曲线、竖曲线、边坡、土石方开挖、局部超高及加宽的模拟，结合OpenBridge软件，考虑施工过程，开展桥梁的截面、跨度信息定义，并通过整体放样建立新建桥梁整体BIM模型。采用无人机倾斜摄影技术对新建桥梁周边环境进行采集，通过ContextCapture软件构建三维实景模型，经过3Dmax软件调整BIM模型。最终，将以上模型融合并导入LumenRT中，开展曲线节段预制悬臂拼装桥梁施工仿真模拟[4-5]。

图2 Bentley平台施工仿真流程图

3 Bentley平台曲线节段预制悬臂拼装桥梁施工仿真难点

3.1 匝道的空间线形放样

考虑匝道施工图的平弯、竖弯、超高情况，结合桥梁施工节段划分、施工步骤，在OpenRoads软件中建立匝道桥所在道路中心线，以外部参照形式导入OpenBridge软件中，建立匝道桥BIM模型（图3）。

图3 立交匝道模型

3.2 空间曲线预应力钢筋模型建立

与直线桥梁预应力钢筋不同，曲线节段预制桥梁预应力钢筋数量多、线型复杂，且预应力钢筋线型一般是通过沿道路中心展开绘制，需要根据匝道的平曲线情况进行坐标换算，使得直接绘制预应力钢筋的空间曲线极为困难[6]。

由曲线段预应力钢筋线型特点可知，预应力的空间曲线型为平弯路径与竖弯路径所拉伸创建的空间曲面的交线。通过MicroStation软件，首先建立预应力钢筋所在的平弯及竖弯曲面，然后通过线边界提取方法获得预应力钢筋的空间曲线，如图4所示。

图4 曲线预应力钢筋模型构建

3.3 施工场地实景模型建立

采用大疆精灵2Pro无人机通过倾斜摄影的方法，进行施工场地实景模型构建，飞行高度120m，拍摄范围为郑密立交全范围，拍摄角度为范围内的正射影像及倾斜影响，相邻位置长边拍摄重复率高于70%，短边内容重复率高于50%，共1017张照片，规则切块25块获得郑密立交实景整体模型。并对主要模拟段C匝道第二联进行细节拍摄，飞行高度50米，照片重复率同上。将以上图片导入ContextCapture软件中，根据照片中存储的GPS空间位置信息、陀螺仪的空间角度信息、传感器焦距尺寸等信息进行空中三角形计算，从而将二维照片像素点转为三维实景模型，从而建立兼顾远处背景及近处细节的实景模型（图5）[7-8]。

图5 郑密立交实景模型

若进一步调整或编辑模型，可将切块的OBJ格式模型导入3Dmax中，对实景模型进行调整。

3.4 施工机具设备模型建立

对于常规的标准化机具设备可通过互联网直接获得，而对于本桥施工专用的机具设备，则需要根据施工单位提供的机具设备图纸通过MicroStation软件建模。

3.5 施工仿真模拟

将桥梁结构模型、机械设备模型和编辑后的实景模型导入LumenRT软件中，根据具体施工方法，调整相应模型构件的运动路径及速度，从而得到桥梁施工仿真。图6展示了本桥曲线节段预制现场吊装模拟[9-10]。

图6 桥梁预制节段吊装模拟

4 结论

通过对曲线节段预制悬臂拼装桥梁施工仿真模拟，Bentley系列软件能满足多曲面、条状复杂构件的仿真模拟。目前本桥已顺利完成施工，经济、社会效益显著，成果为同类结构施工模拟提供参考。