BIM技術(shù)案例分享：大跨高鐵連續(xù)梁-鋼桁組合橋施工BIM應(yīng)用

在橋梁施工中，基于BIM技術(shù)在審核圖紙、工程量統(tǒng)計(jì)、優(yōu)化施工方案等方面效果明顯，但從BIM協(xié)同管理方面研究較少，且橋梁結(jié)構(gòu)形式多樣、施工工藝復(fù)雜，因此需根據(jù)不同橋型總結(jié)成功經(jīng)驗(yàn)。

針對大跨連續(xù)梁-鋼桁組合橋施工，依托鄭阜高鐵沈界1號大橋項(xiàng)目，在BIM 建模、審圖、深化設(shè)計(jì)、優(yōu)化施工、施工管理等方面進(jìn)行研究，總結(jié)并創(chuàng)新其方法、流程，以達(dá)到為同類橋型項(xiàng)目BIM應(yīng)用提供借鑒的目的。

鄭阜高鐵沈界1號大橋全長345.8m，采用(86+172+86)m 連續(xù)梁-曲弦鋼桁組合結(jié)構(gòu)，主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，按直線梁設(shè)計(jì)，在中跨160.55m 范圍內(nèi)安裝加勁鋼桁，施工采用“先梁后桁”法，其中主梁采用掛籃懸臂澆筑施工。主梁采用單箱雙室變高度箱形截面，三向預(yù)應(yīng)力體系，由81 個梁段組成，中跨跨中及邊支點(diǎn)處梁高為5m，中支點(diǎn)處梁高11m，梁底緣按二次拋物線變化。主梁頂寬12.6~14.6 m，底寬11.3m。全聯(lián)在端支點(diǎn)、中支點(diǎn)及鋼桁-混凝土梁結(jié)合節(jié)點(diǎn)處共設(shè)17 道橫隔板，橫隔板設(shè)有孔洞。

鋼桁采用再分式桁架、桁高14m，節(jié)間距16m。鋼桁結(jié)構(gòu)上弦桿采用箱形截面，腹桿采用工字鋼截面，上平聯(lián)采用X 型構(gòu)造，工字鋼截面。全橋?qū)ΨQ設(shè)置4道橫聯(lián)，鋼桁共設(shè)有24個下弦節(jié)點(diǎn)板并采用PBL剪刀鍵與混凝土梁相連。

BIM應(yīng)用流程與模型

BIM應(yīng)用流程

在鄭阜高鐵沈界1號大橋施工階段進(jìn)行BIM應(yīng)用流程為：首先依據(jù)現(xiàn)行BIM 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)圖紙建立精確的BIM模型，在建模過程中，對設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行校核;然后基于精確的BIM模型輔助項(xiàng)目部進(jìn)行施工質(zhì)量、進(jìn)度及物資管理，其中施工質(zhì)量管理主要從對設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行深化設(shè)計(jì)及對重要施工方案進(jìn)行優(yōu)化兩方面展開，其中進(jìn)度及物資管理通過開發(fā)BIM信息管理平臺，基于BIM模型及實(shí)際工程量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁施工的進(jìn)度及物資精細(xì)化管理。

BIM建模與標(biāo)準(zhǔn)

目前國內(nèi)僅有建筑工程信息模型交付標(biāo)準(zhǔn)，還沒有適合市政工程行業(yè)的交付標(biāo)準(zhǔn)。本文基于BIM應(yīng)用實(shí)際需求，參照《建筑信息模型施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51235-2017)及《建筑工程設(shè)計(jì)信息模型交付標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51301-2018)等規(guī)范，針對項(xiàng)目施工實(shí)施階段(不包含竣工驗(yàn)收階段)總結(jié)了施工模型細(xì)度與幾何表達(dá)精度。

本項(xiàng)目基于連續(xù)梁-曲弦鋼桁組合結(jié)構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時考慮了Revit軟件操作較為簡單易上手以及Catia軟件建立空間鋼結(jié)構(gòu)模型的高精確度與數(shù)字化裝配功能，最終確定了采用這兩款軟件進(jìn)行建模。

本項(xiàng)目建模量巨大且難度較大，其中豎向預(yù)應(yīng)力管有7492 根，且每根預(yù)應(yīng)力管底距曲面梁底均為6cm，采用Revit 軟件插件Dynamo 可視化編程功能實(shí)現(xiàn)了批量生成，大幅提高了建模效率;主梁底板縱向預(yù)應(yīng)力管道不僅要與主梁底板底面平行，而且還要平彎，這是建模的難點(diǎn)，通過以下5個步驟解決了這個問題。

(1)將主梁砼節(jié)段Revit 模型導(dǎo)入Catia 獲取底板下緣線。

(2)基于設(shè)計(jì)圖紙繪制縱向預(yù)應(yīng)力管束平彎、豎彎曲面草圖。

(3)相交法得到預(yù)應(yīng)力管空間中心曲線。

縱向預(yù)應(yīng)力管BIM模型建模圖

(4)放樣生成管束。

(5)通過Inventor軟件導(dǎo)出Revit交換文件(.ADSK格式)得到Revit族文件，最后插入到主梁砼節(jié)段Revit模型的相應(yīng)位置。

BIM應(yīng)用研究

校核設(shè)計(jì)圖紙

現(xiàn)行高鐵橋梁工程施工圖設(shè)計(jì)文件依據(jù)《鐵路建設(shè)項(xiàng)目預(yù)可行性研究、可行性研究和設(shè)計(jì)文件編制辦法》(TB 10504-2018)規(guī)定，按專業(yè)、結(jié)構(gòu)部位和構(gòu)造分冊進(jìn)行編制，便于指導(dǎo)分部分項(xiàng)工程施工，但在施工過程中因圖紙錯誤導(dǎo)致返工、延誤工期甚至影響工程質(zhì)量的情況時有發(fā)生?；贐IM技術(shù)解決上述問題的步驟如下：

通過BIM建模審核圖紙

依據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，遴選專業(yè)工程師組成主體砼、主體鋼筋和鋼桁架3個BIM建模小組。3個小組各自獨(dú)立建模，但其中主體砼和鋼桁架2個小組首先開始，主體鋼筋小組稍滯后，因鋼筋建模需依附于砼模型建立。建模工作實(shí)際上就是依據(jù)圖紙“翻模”的過程，因此可審核出圖紙的錯、漏問題，如本項(xiàng)目鋼桁架圖紙主要問題28個，其中構(gòu)件標(biāo)注尺寸與材料表不一致18處，構(gòu)件加工尺寸標(biāo)注不全8處，詳圖缺少1幅，構(gòu)件坡度標(biāo)注錯誤1處。

通過數(shù)字化裝配模擬審核圖紙

因鋼桁架建模工作量較主體鋼筋少，鋼桁架構(gòu)件模型最快被“翻模”完畢，接下來通過數(shù)字化裝配將構(gòu)件模型“拼接”成整體模型。在數(shù)字化裝配的過程中，發(fā)現(xiàn)了2處鋼桁架圖紙問題，一是A0-E1桿件設(shè)計(jì)圖紙長度為4350，虛擬拼裝發(fā)現(xiàn)長度不夠足要求，設(shè)計(jì)變更為4400mm;二是桿件F2-X1一端和上弦桿X1-A2對接有偏差，設(shè)計(jì)變更了桿件F2-X1的螺栓孔位置。

通過三維剖切BIM模型審核圖紙

主體砼、主體鋼筋和鋼桁架建模小組建模結(jié)束后，進(jìn)行三者的“合模”工作。模型被整合后，通過三維剖切法，直觀發(fā)現(xiàn)了大量碰撞問題，其中施工最關(guān)注的有兩處。

(1)節(jié)點(diǎn)板是否被精確預(yù)埋于主梁頂板中，直接影響鋼桁架拼裝施工是否成功，同時穿過節(jié)點(diǎn)板孔洞的鋼筋因直徑為Ф20~Ф25，所以現(xiàn)場加工困難，因此節(jié)點(diǎn)板預(yù)埋施工既要保證其位置準(zhǔn)確又要使此處鋼筋滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。項(xiàng)目通過三維剖切此處BIM模型，直觀發(fā)現(xiàn)鋼筋與節(jié)點(diǎn)板存在嚴(yán)重碰撞問題，如主梁0號塊頂板的5種型號共計(jì)299根鋼筋與E0 節(jié)點(diǎn)板發(fā)生了碰撞。施工前，項(xiàng)目部通過與設(shè)計(jì)院溝通確定了此處鋼筋的處理方案，即腹板箍筋N7-139;和N7-1鋼筋與E0節(jié)點(diǎn)板發(fā)生了碰撞，設(shè)計(jì)院建議將其截?cái)嗖⑴c節(jié)點(diǎn)板進(jìn)行等強(qiáng)焊接以保證結(jié)構(gòu)受力安全。

(2)主梁的預(yù)應(yīng)力鋼束與鋸齒塊、橫隔板相交處結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工難度大。施工前，工程師通過三維剖切法發(fā)現(xiàn)了此處的碰撞問題，如主梁639;號梁段的橫隔板和D12號鋸齒塊鋼筋與D12號預(yù)應(yīng)力鋼束之間發(fā)生碰撞541處，并將其告知現(xiàn)場鋼筋加工班組從而避免了返工和施工質(zhì)量隱患的發(fā)生。

深化設(shè)計(jì)圖紙

部分橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件有被預(yù)制加工的需求，但施工圖設(shè)計(jì)文件的設(shè)計(jì)深度又不夠，同時BIM技術(shù)有具有三維可視及可出圖的特點(diǎn)，因此基于BIM深化設(shè)計(jì)模型主梁鋼筋與鋼桁架構(gòu)件的深化設(shè)計(jì)圖紙是一種可行方法。本項(xiàng)目的鋼桁架與主梁鋼筋預(yù)制加工需要深化設(shè)計(jì)圖紙的指導(dǎo)，具體方法如下：

(1)深化設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)板端頭波紋管開孔斷面圖。觀察BIM 模型可見預(yù)應(yīng)力筋與節(jié)點(diǎn)板端頭相交，通過Revit 軟件的節(jié)點(diǎn)板端頭波紋管開孔斷面圖，指導(dǎo)打孔施工。

(2)深化設(shè)計(jì)鋼桁架構(gòu)件加工圖。鋼桁架施工圖因精度不足等原因，不能直接用于預(yù)制加工，項(xiàng)目基于Catia鋼桁架模型，利用Catia軟件出圖功能，制作了詳細(xì)的鋼桁架加工圖紙，有效提高了鋼桁架加工圖設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確度。

(3)深化設(shè)計(jì)主梁鋼筋大樣圖。在主梁鋼筋施工大樣圖中，有部分圖中鋼筋長度不能直接用于指導(dǎo)加工，如N7-1鋼筋是隨截面變高度的腹板箍筋，它沿主梁梁底傾斜面均勻排布，但鋼筋大樣圖只給出平均長度。項(xiàng)目基于Revit模型導(dǎo)出Excel鋼筋明細(xì)表，然后對鋼筋明細(xì)表進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選得到了每根鋼筋的詳細(xì)下料尺寸，最后通過CAD繪制得到鋼筋加工交底單。

優(yōu)化施工方案

鋼桁架拼裝施工是本項(xiàng)目的施工重點(diǎn)與難點(diǎn)，在制定該施工方案過程中，基于BIM主要完成了以下兩項(xiàng)優(yōu)化工作，提高了工作效率。

(1)優(yōu)化鋼桁架拼裝施工方案。節(jié)點(diǎn)板被預(yù)埋于主梁頂板中用于連接主梁與鋼桁架，在從主梁掛籃懸臂澆筑開始到鋼桁架拼裝結(jié)束期間的施工過程中，在主梁混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力張拉、橋面外部荷載及晝夜溫差等因素作用影響下，節(jié)點(diǎn)板復(fù)測結(jié)果顯示其位置會發(fā)生不同程度的微小偏移。在節(jié)點(diǎn)板位置發(fā)生偏移的情況下，重新設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)板螺栓孔位置是鋼桁架拼裝施工方案關(guān)鍵內(nèi)容之一。針對節(jié)點(diǎn)板螺栓孔位置重新設(shè)計(jì)的問題，基于BIM的解決方法為：采用Catia軟件通過數(shù)字化裝配模擬鋼桁架拼裝過程，從裝配得到的整體鋼桁架BIM模型中導(dǎo)出得到節(jié)點(diǎn)板螺栓孔布置圖。其中鋼桁架數(shù)字化裝配具體操作過程，首先通過Catia知識工程參數(shù)化模塊導(dǎo)入Excel表中的節(jié)點(diǎn)板實(shí)際坐標(biāo)點(diǎn)信息，根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)信息在Catia中生成空間點(diǎn)模型，依據(jù)這些空間點(diǎn)繪制鋼桁架骨架線;根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙繪制鋼桁架構(gòu)件;最后將這些構(gòu)件基于骨架線進(jìn)行精細(xì)拼裝，得到整體鋼桁架模型。

(2)優(yōu)化鋼桁架異型鋼構(gòu)件吊裝施工方案。對于異型鋼構(gòu)件，通常需計(jì)算構(gòu)件的重心點(diǎn)位置，吊裝時多個起吊受力點(diǎn)的合力方向應(yīng)通過被吊裝構(gòu)件的重心位置，從而保證連接多吊點(diǎn)的鋼絲繩受力相等，以免在吊裝過程中個別鋼絲繩因受力過大斷裂。但由于異型鋼構(gòu)件重心位置手工計(jì)算復(fù)雜，部分施工現(xiàn)場常采用多次單點(diǎn)起吊的方法確定構(gòu)件重心位置。這樣不但耗費(fèi)人力物力、影響施工效率，而且現(xiàn)場試吊過程也伴有較大風(fēng)險。而基于BIM采用Catia軟件，可快速獲取鋼桁架異型鋼構(gòu)件BIM模型的重心坐標(biāo)、位置及重量等數(shù)據(jù)，為工程師制定吊裝施工方案提供了數(shù)據(jù)支撐。

進(jìn)度與物資管理

為提高項(xiàng)目部各部門的相互協(xié)作能力及進(jìn)度與物資管理水平，有效解決“信息孤島”問題，針對本項(xiàng)目主梁掛籃懸臂澆筑施工過程研發(fā)了BIM信息管理平臺。BIM信息管理平臺由WEB端和Revit進(jìn)度展示插件組成，主要用于顯示以下4個方面的數(shù)據(jù)。

(1)施工進(jìn)度預(yù)測數(shù)據(jù)。隨著主梁節(jié)段的施工，平臺可基于節(jié)段的BIM鋼筋量、BIM混凝土量以及已施工節(jié)段的鋼筋綁扎、掛籃滑移安裝、模板安裝、鋼筋綁扎、混凝土澆筑、混凝土養(yǎng)護(hù)、預(yù)應(yīng)力張拉等工作時間，推算出未施工節(jié)段的最遲完成時間，為項(xiàng)目管理者進(jìn)行進(jìn)度控制措施決策提供數(shù)據(jù)支持。

(2)實(shí)際進(jìn)度信息三維展示。工程部技術(shù)人員在WEB端輸入實(shí)際進(jìn)度后，在Revit進(jìn)度展示插件可實(shí)時顯示三維的實(shí)際進(jìn)度，方便項(xiàng)目各部門實(shí)時了解工程實(shí)際進(jìn)度。

(3)鋼筋量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。平臺可顯示每月鋼筋實(shí)際消耗量與BIM鋼筋模型量比值，2018年1月比值1.5超出平均值約14%，通過物資采購部與工程部聯(lián)合進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)了“飛單”現(xiàn)象，現(xiàn)場立即整改，杜絕了更大損失。

(4)砼統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。平臺可顯示主梁每個節(jié)段砼實(shí)際澆筑量與BIM模型量比值，298-0 號段比值為1.17，遠(yuǎn)超正常范圍，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)了砼澆筑量“虛報(bào)”現(xiàn)象，立即對商砼進(jìn)行了處罰從而杜絕了更大的損失。

成效分析

(1)采用BIM審圖發(fā)現(xiàn)鋼筋與節(jié)點(diǎn)板、預(yù)應(yīng)力鋼束碰撞870余處及鋼桁架圖紙主要問題30個，項(xiàng)目部提前進(jìn)行設(shè)計(jì)變更，減少了大量返工。

(2)采用BIM出圖，指導(dǎo)鋼桁架加工、PBL鍵鉆孔、鋼筋下料等工作，提高效率近40%。

(3)利用BIM信息管理平臺，進(jìn)行鋼筋、混凝土物資管理，杜絕“飛單”現(xiàn)象，預(yù)計(jì)節(jié)約物資近10%左右;實(shí)現(xiàn)了主梁施工進(jìn)度預(yù)測，保證了主梁按期合龍。

(4)針對大跨高鐵連續(xù)梁-鋼桁組合橋型的施工，總結(jié)了BIM應(yīng)用的流程、BIM施工模型細(xì)度與幾何表達(dá)精度;總結(jié)了BIM校核設(shè)計(jì)圖紙的步驟與方法;闡述了基于BIM模型出鋼桁架與主梁鋼筋深化設(shè)計(jì)圖紙的方法，為同類型橋梁施工采用BIM技術(shù)提供了借鑒。

研究創(chuàng)新之處：基于Revit主梁砼模型，采用Catia和Inventor軟件，解決空間曲線構(gòu)件主梁底板縱向預(yù)應(yīng)力管道建模難的問題;通過研發(fā)的BIM 信息管理平臺，基于采集的BIM模型量、實(shí)際施工工序數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)未施工主梁節(jié)段的最遲完成時間的動態(tài)預(yù)測，為項(xiàng)目管理者進(jìn)行進(jìn)度控制措施決策提供了數(shù)據(jù)支持

BIM模型在施工過程中的應(yīng)用可全面提升工程造價行業(yè)效率與信息化管理水平，優(yōu)化管理流程，高效率、高精準(zhǔn)度的完成工程量計(jì)算工作。以上內(nèi)容就是“BIM技術(shù)案例分享：大跨高鐵連續(xù)梁-鋼桁組合橋施工BIM應(yīng)用”，更多BIM熱點(diǎn)資訊/教程分享歡迎關(guān)注微信公眾號“BIM實(shí)訓(xùn)”，也可點(diǎn)擊下方免費(fèi)下載領(lǐng)取精品學(xué)習(xí)資料。