BIM技术在深水钢围堰施工中的应用

摘要：广西南宁市横州市某特大桥是一座波形钢腹板连续刚构桥，其主墩承台为深水嵌床式承台，因施工环境复杂、施工难度大、施工精度要求高等特点，需引进BIM技术攻克相应的技术难题。文章围绕深水钢围堰BIM建模、施工场地三维设计与布置模拟、精细化建模、施工模拟优化、工程量统计和正向出图、BIM三维可视化交底等方面，阐述了BIM技术在深水钢围堰施工中的实际应用，解决了施工中出现的一系列难题，成功助力深水钢围堰高精度、高质量、高效率安全施工，可为今后类似钢围堰施工BIM技术应用提供参考。

关键词：BIM技术；深水钢围堰；精细化建模；方案比选；可视化

中图分类号：U445.55+6   文献标识码：A

文章编号：1673-4874（2024）01-0127-04

0 引言

钢围堰是大桥承台施工中的重要组成部分，其结构形式复杂、体积庞大、体系转换复杂。在进行钢围堰施工时，通常使用CAD软件进行图纸编制，这在工程实践中存在一定的局限性［1］。

BIM技术是以三维模型为基础，为强化工程项目建设管理而开发的数字化辅助工具。应用BIM技术可以帮助技术人员高效了解各种信息，在提高施工生产效率、节约建设成本和缩短施工工期方面发挥着重要作用［2］。

1 工程概述

1.1 工程概况

某特大桥位于广西南宁市横州市，全桥总长940 m，主桥桥跨布置为（100+185+185+100）m，是一座波形钢腹板连续刚构桥（见图1）。其主墩为水中墩，墩身为双肢薄壁墩，基础为承台桩基础，承台为整体式承台，结构尺寸均为16.8 m×10.8 m×4.5 m（见图2）。根据该工程主桥承台特点及现场平面尺寸、水文、地质实际情况，应避开洪水期施工，再利用钢平台进行深水钢围堰施工。

1.2 工程施工重难点

在某特大桥深水钢围堰施工过程中主要存在以下的问题和难点：

（1）施工环境复杂。通过调查发现，某特大桥施工区域季节性水位高差较大，最大水深约为11 m，淤泥层最大厚度约为7 m，淤泥下方为厚度不均的砾石层及岩层，主墩承台均埋置于河床，河床地质情况复杂，同时因需搭配钢栈桥钢平台对深水钢围堰进行施工，施工场地有限。

（2）施工难度大。某特大桥的主墩承台采用深水嵌床式设计，其施工结构中的深水钢围堰需分节段进行焊接下放，并且也需将其嵌入河床中，施工难度大。这种施工方式不仅对深水钢围堰施工过程控制提出了较高要求，同时对现场管理和劳务工人的技术交底等方面也有更为严格的标准。

（3）施工精度要求高。承台作为桥梁工程中的重要组成部分，连接了桩基与墩身，从而确保整个桥梁结构的稳定性和安全性。在承台的施工过程中，深水钢围堰的施工精度显得尤为重要，直接影响着承台的施工质量和使用寿命。

综上所述，根据某大桥深水钢围堰施工的问题和难点制定了BIM技术应用路线（见图3）。在施工前期进行施工场地三维设计与布置模拟，提高场地利用率，通过碰撞检测等BIM应用深水钢围堰结构形式及下放装置进行模拟优化，并对已确定的深水钢围堰进行工程量统计和[KG）]

正向出图，借助BIM三维可视化交底方式，对现场及劳务人员进行交底，基于BIM的深水钢围堰健康监测平台对其应力应变等各项数据指标进行健康检测，可提升深水钢围堰的施工效率与质量，保证施工精度，确保安全风险可控。

2 BIM技术在深水钢围堰施工中的应用

2.1 施工场地三维设计与布置模拟

在深水钢围堰施工的过程中，由于钢栈桥钢平台的场地有限，需要对其进行合理规划。为了解决这个问题，在深水钢围堰施工前充分应用BIM技术可视化的特性，在Revit软件中1∶1建立施工所需材料和车辆的BIM模型，以施工材料堆放区及车辆摆放区为最小单元，在钢栈桥钢平台的三维模型基础上，不断变换各功能区摆放的位置及姿态，对施工材料布置和施工车辆的进退场及摆放位置进行了模拟和优化（见图4），使场地利用率达到了最大化，有效地提高了施工效率。

2.2 精细化建模

根据设计方提供的施工图纸，借助Revit软件对某特大桥下部结构、钢栈桥钢平台等进行BIM建模。在此基础上，结合深水钢围堰的设计思路及现场施工条件等因素，在Revit软件中建立深水钢围堰精细化模型。创建各类型各尺寸的型钢构件族，对所有型钢构件进行拼接，组成一个最小深水钢围堰节段单元的嵌套族，然后按照相同的方式建立所有的深水钢围堰节段模型。将深水钢围堰各节段的嵌套族模型进行拼接，构建出完整的深水钢围堰模型（见图5）。在Revit软件中，构建模型以分析关键工艺工序及复杂结构，以确保深水钢围堰的顺利施工，也为后续BIM应用提供模型基础。

2.3 方案比选

在面对深水嵌床式承台施工时，技术团队提出了两种深水钢围堰的设计方案：单双壁组合钢围堰和双壁钢围堰。这两种设计各有优缺点，需要根据实际情况进行选择。因此，应用BIM技术进行方案比选。首先在Revit软件中分别对两种深水钢围堰进行建模，基于两种深水钢围堰的三维模型，进行深入的科学分析，并从以下几个方面展开方案的比较：

（1）施工难度：基于三维模型对两种方案的施工工艺进行推演，通过施工动画展示出两种深水钢围堰施工方案的施工工艺工序，并在施工空间、安全隐患、施工合理性等方面进行合理分析，甄选出最优方案。

（2）材料用量：在两种深水钢围堰的BIM模型中预先录入各构件的相关数据，继而在Revit软件中分别计算两种深水钢围堰所消耗材料的数量，进而实现对两种方案的对比分析，从中选取材料用量最少的最佳方案。

（3）施工工期：将两种深水钢围堰三维模型导入到Fuzor软件中，对两种方案进行BIM 4D施工模拟，可直观地查看两种方案的综合工期、施工效率等，确保在实际的施工中选择最佳方案顺利进行施工。

综上所述，通过应用BIM技术，在施工难度、材料用量和施工工期三个方面对两种深水钢围堰方案做出对比，从中选取最优方案，最终选择了双壁钢围堰的结构形式。凭借BIM技术的直观性和可视化优势，通过创建深水钢围堰的三维模型，并导出相关数据，结合模型进行对比分析，显著提高了方案分析的可靠性和说服力，从而确保最优方案的选择。

2.4 施工模拟优化

考虑到深水钢围堰内支撑结构错综复杂，可能与承台主体及钢筋存在位置冲突，且深水钢围堰施工难度大，拼装和下放的精度难以控制，施工不确定因素多，施工安全难以得到保证。运用BIM技术对深水钢围堰结构形式及下放装置进行模拟优化，可以降低安全风险，为项目建设节省了返工成本，提高了深水钢围堰的施工效率，保证施工精度。

2.4.1 深水钢围堰模拟优化

首先在Revit软件中将深水钢围堰BIM模型、承台BIM模型进行合模，通过模型分析发现深水钢围堰的最后一道内支撑及围檩与承台位置冲突（见下页图6）。针对发现的问题，提前找出深水钢围堰的最后一道内支撑及围檩与承台位置冲突的解决方案，通过设置竖向隐藏式围檩，替代传统双壁钢围堰内置水平围檩，免去围檩安拆的过程，同时将最后一道内支撑上移到合适的位置，使其满足承台一次施工成型的条件，并在深水钢围堰夹壁中加入混凝土，使其结构强度得到保证。随后，在Midas Civil有限元软件的验算过程中，对不合理的结构进行调整，并持续优化其结构形式，确定了最终的深水钢围堰设计方案（见图7）。

2.4.2 深水钢围堰下放装置模拟优化

在Revit软件中，研发了一种门式支架吊放装置，并导入Naviswork软件进行位置冲突分析［3］。通过分析结果发现，该装置与第二节钢围堰存在位置冲突。若按原方案施工，需拆除吊放装置、拼装钢围堰后再重新安装。针对此问题，利用现有模型在Revit中进行科学分析，优化吊放装置的形态和结构，最终得到一种只需架设在钢护筒上的牛腿支架吊放装置。

此外，还在Revit软件中设计了首节钢围堰拼装平台与钢围堰下放导向架装置（见图8）。通过水上搭设的拼装平台对围堰进行吊装施工，代替传统的浮吊及索吊等方法，大大减小了吊装的安全风险，同时通过平台拼装，减少了施工人员操作平台的安全风险。通过在桩基钢护筒上设置钢围堰下放导向架装置，配合吊放装置，实现围堰精准定位，解决了钢围堰单元拼装及下放的精度问题。

2.5 工程量统计和正向出图

随着部分临时结构物的结构复杂度逐步提升，工程量的统计以及施工图纸的编制工作愈发繁琐。如何在确保数据精确的前提下，高效地完成工程量统计和制定标准的施工图纸，成为一项棘手的问题。为解决此项问题，采用Revit软件对深水钢围堰的工程量进行统计和正向出图。

在进行深水钢围堰精细化建模时，预先添加好各个型钢构件的长度、型号、重量的基本信息，然后在Revit软件中创建明细表，并在明细表的字段中选择预先添加好的基本信息，生成常规模型明细表、导出Excel表格。

在Revit软件中对深水钢围堰的三维模型进行剖切，制作A3图纸模板，并在其中嵌入剖切图，输出得到深水钢围堰的施工图纸（见图9），对输出的Excel表格和施工图纸进行适度深化和补充相关构件属性，进而生成符合要求的工程量统计表和施工图纸。

2.6 BIM三维可视化交底

借助BIM技术的可视化特性，将深水钢围堰施工工艺和复杂的结构等内容表达得更为立体且清晰。通过效果图和施工动画等多种形式对现场管理人员和劳务人员进行BIM三维可视化交底［4］，可降低沟通成本，提升施工交底的便利性和覆盖范围。本次在深水钢围堰中应用的三维可视化交底方式和技术有720°云、Web 3D轻量化模型、施工流程图和施工工艺模拟动画。

通过在Lumion软件中创建2∶1比例的360°全景图，可生成深水钢围堰的720°云全景（见图10）。基于720°云全景，可了解周边环境及深水钢围堰的施工条件，进而合理规划施工组织。

将深水钢围堰的Revit模型上传至协同大师平台，并在该平台上对模型进行轻量化处理，生成Web 3D轻量化模型（见图11）。利用Web 3D轻量化模型，劳务人员可全面了解深水钢围堰的复杂结构，便于进行交底。

在lumion中生成每个关键工艺工序的效果图，加以相应的文字描述，形成深水钢围堰的施工流程图（见图12）。通过施工流程图可辅助施工方案编制，更直观地展示技术方案中的重难点内容及设计规划意图。

将三维模型导入到3D max中，制作深水钢围堰的施工动画，渲染施工动画序列，再通过后期合成完成施工工艺模拟动画（见图13），可以让现场人员和一线劳务人员熟知深水钢围堰施工的整个过程，进而提高施工效率。

2.7 基于BIM的深水钢围堰健康监测

为了满足对深水钢围堰施工过程中应力应变监测的要求，研发了基于BIM的深水钢围堰健康监测平台。在该平台中导入深水钢围堰的BIM三维模型，进行科学分析，合理布置应力应变观测点，并将收集到的数据集成到该平台中。借助三维可视化技术，动态实时地监测深水钢围堰结构中各个观测点的结构变形、应力应变等信息［5］，以便及时发现并预防可能出现的异常情况（见图14）。这不仅为深水钢围堰的安全施工提供了有力保障，而且还有助于评估深水钢围堰施工工艺的效果和设计的合理性，并且这些经验和数据还可以为今后改进同类工程设计和施工方法提供宝贵的参考依据。

3 结语

本文以广西南宁市横州市某特大桥主墩承台深水钢围堰的施工过程为载体，完成了BIM技术在深水钢围堰施工中的应用研究，解决了深水钢围堰施工过程中出现的施工效率低下、施工精度难以控制、施工不确定因素多等难题，为项目节省了施工成本，降低了施工安全风险，并在现场实际施工中达到了良好的效果，为今后类似钢围堰BIM技术应用提供参考和借鉴。

（1）绿色快速建造。通过BIM技术的应用，减少了钢材用量105 t，从而降低材料成本126万元。在吊放第二节段及以上围堰时，可免去吊放系统的拆除及再安装工序，从而缩短了约30%的工期。

（2）精准安全建造。通过BIM技术设计的深水钢围堰下放装置，减弱围堰入水后随水流晃动情况，降低了施工安全风险。利用BIM三维可视化交底，指导现场精确安装，实现了深水钢围堰止水“滴水不漏”，达到了预期的效果。

（3）智能健康监测。进行基于BIM的深水钢围堰健康监测，监测到钢围堰的应力应变等各项数据均在正常范围内，表明经过应用BIM技术优化后的深水钢围堰结构符合受力条件，满足施工要求。

参考文献

［1］陈玉峰.BIM技术在某工程项目管理中的应用［J］.中国标准化，2017（4）：85.

［2］程振庭，杨茗钦，林广泰.BIM技术在龙门大桥智慧建造中的应用［J］.西部交通科技，2022（11）：5-7.

［3］李 昂.BIM技术在工程建设项目中模型创建和碰撞检测的应用研究［D］.哈尔滨：东北林业大学，2015.

［4］常 康，涂 斌，单国庆，等.BIM三维可视化交底技术在工程施工中的应用研究［J］.价值工程，2023，42（20）：48-50.

［5］鲁群英，刘学胜，陈 松，等.钢结构全生命周期BIM技术应用［J］.居舍，2020（32）：59-60，78.

作者简介：伍柏宏（1997—），助理工程师，主要从事BIM技术应用工作。