BIM技術(shù)在城市景觀橋梁施工中的計(jì)算應(yīng)用

王承亮 黃遠(yuǎn)棟 程振庭

摘要：隨著城市景觀橋梁的不斷發(fā)展，施工難度不斷加大，施工計(jì)算的內(nèi)容也更多變，且缺乏連續(xù)性。文章以烏蘭木倫河3號(hào)橋項(xiàng)目為例，分別從樁長(zhǎng)計(jì)算、工程量計(jì)算、應(yīng)力計(jì)算、拱肋重心計(jì)算、錨桿定位計(jì)算等方面，介紹了BIM技術(shù)在城市景觀橋梁施工中的計(jì)算應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)結(jié)構(gòu)三維可視化、橋梁構(gòu)件工程量快速統(tǒng)計(jì)、支架體系應(yīng)力模擬，吊裝鋼絲繩設(shè)計(jì)、吊耳優(yōu)化設(shè)計(jì)、錨管精確定位校核，可為城市景觀橋梁的建設(shè)提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：建筑信息模型;BIM技術(shù);施工計(jì)算

中圖分類號(hào)：U442文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.004

文章編號(hào)：1673-4874（2021）01-0012-04

0引言

施工計(jì)算是一門復(fù)雜的多學(xué)科綜合計(jì)算技術(shù)，是一種為施工控制和管理需要的計(jì)算，具有實(shí)用性、針對(duì)性強(qiáng)，涉及面廣[1]等特點(diǎn)。隨著城市景觀橋梁造型設(shè)計(jì)不斷發(fā)展，對(duì)橋梁的施工技術(shù)也不斷提出更高精度的要求。但在造型奇特的城市景觀橋梁施工中，傳統(tǒng)的計(jì)算方法計(jì)算過(guò)程繁瑣復(fù)雜且效率較低，計(jì)算的精度也難以保證。利用BIM技術(shù)可視化、模擬性、協(xié)調(diào)性等優(yōu)點(diǎn)，在城市景觀橋梁施工中能實(shí)現(xiàn)更高效準(zhǔn)確的應(yīng)用，輔助橋梁高精度施工。

1工程概況

項(xiàng)目位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，呈南北走向，為控制性工程。烏蘭木倫河3號(hào)橋?yàn)殡p飛翼式造型的中承式復(fù)式鋼箱拱橋，全長(zhǎng)348m，總投資4.2億元，工程概算5.532 億元。橋梁主體結(jié)構(gòu)包括主拱、副拱、鋼箱梁、橋墩、橋臺(tái)等，主拱、副拱、鋼箱梁均采用鋼結(jié)構(gòu)，橋墩、橋臺(tái)采用混凝土結(jié)構(gòu)，橋臺(tái)采用重力式U臺(tái)+樁基型式。主拱向道路中心線外傾斜17°，副拱向內(nèi)傾斜45°，橋梁上構(gòu)部分均采用鋼箱梁及鋼箱拱，采用裝配式超高矩陣支架法設(shè)計(jì)。副拱采用3種截面類型：直線變截面段、直線等截面段、曲線等截面段。主拱采用曲形曲作施工工藝，拱肋吊裝極為復(fù)雜。

2樁長(zhǎng)計(jì)算

樁基礎(chǔ)承載能力高、適用范圍廣，被廣泛應(yīng)用于高層建筑、港口、橋梁等工程中。傳統(tǒng)的樁長(zhǎng)計(jì)算方法只能通過(guò)勘測(cè)點(diǎn)平面布置圖進(jìn)行布置，然后再結(jié)合多張鉆孔物探得出的鉆孔柱狀圖進(jìn)行樁長(zhǎng)的計(jì)算，這樣并不能將樁基地質(zhì)情況真實(shí)地整理到同一平臺(tái)上進(jìn)行樁長(zhǎng)的合理計(jì)算，其合理性也不能實(shí)現(xiàn)可視化。針對(duì)這些問(wèn)題，項(xiàng)目總結(jié)出一套更為合理的對(duì)樁基長(zhǎng)度的計(jì)算方法。

（1）根據(jù)施工圖紙建立橋梁BIM模型，樁基礎(chǔ)的長(zhǎng)度h設(shè)置可變參數(shù)，方便后期調(diào)整樁基長(zhǎng)度參數(shù)。見圖1。

（2）根據(jù)勘測(cè)點(diǎn)平面布置圖，結(jié)合多張地質(zhì)勘探得出的鉆孔柱狀圖建立精準(zhǔn)的地質(zhì)BIM模型，見圖2。

（3）將地質(zhì)BIM模型鏈接到橋梁BIM模型中，通過(guò)地質(zhì)BIM模型與樁基自動(dòng)附著，準(zhǔn)確直觀地反映地層關(guān)系。通過(guò)樁基礎(chǔ)的參數(shù)化調(diào)節(jié)樁基長(zhǎng)度，合理計(jì)算樁長(zhǎng)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，有效規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，保證施工安全與質(zhì)量。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告建立地質(zhì)模型，P2主拱座基坑軟基部分為中風(fēng)化砂巖，淤泥流沙較多，樁基需深入微風(fēng)化砂巖層才能滿足橋梁建造要求。這種能結(jié)合地質(zhì)BIM模型，直觀反映樁位地質(zhì)條件的方法，在樁長(zhǎng)的計(jì)算上更能統(tǒng)籌地質(zhì)情況，合理計(jì)算樁長(zhǎng)，且大幅提高了計(jì)算的效率。

3工程量計(jì)算

傳統(tǒng)的工程量計(jì)算方式是根據(jù)二維圖紙計(jì)算工程量，這種方式工作量大、繁瑣、容易出錯(cuò)、耗費(fèi)時(shí)間，受人為因素影響比較大，且靠傳統(tǒng)二維圖紙手動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的工作方式效率較慢且容易出錯(cuò)[2]。在烏蘭木倫河3號(hào)橋項(xiàng)目中，利用BIM工程量計(jì)算的方法，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)支架、復(fù)雜節(jié)點(diǎn)鋼筋、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)混凝土等均能快速準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)其所需材料數(shù)量，為橋梁的施工建造提供了可靠的下料數(shù)據(jù)支撐，便于成本管控，大大提高了工作效率。計(jì)算過(guò)程如下：

（1）橋梁模型建模：按照二維圖紙進(jìn)行BIM模型的建立，對(duì)橋梁中的構(gòu)件實(shí)體模型賦予相關(guān)的信息，如構(gòu)件材質(zhì)、型號(hào)、供應(yīng)商等，按照?qǐng)D紙用revit繪制模型后，為后期選擇需要的材料明細(xì)表參數(shù)打好基礎(chǔ)，確保生成的明細(xì)表清單準(zhǔn)確性及信息的完善性。

（2）BIM模型構(gòu)件分類：橋梁模型進(jìn)行拆分后模型文件數(shù)量也較多，因此清晰、規(guī)范的文件命名將有助于參與人員提高對(duì)文件名稱理解的效率和準(zhǔn)確性，為后期工程量的計(jì)算打下基礎(chǔ)。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的文件命名系統(tǒng)使識(shí)別更容易，數(shù)據(jù)也更具系統(tǒng)性。在一個(gè)項(xiàng)目中文件名要具有唯一性，這樣才能在不同的建筑物類型中識(shí)別它們。①項(xiàng)目文件命名：項(xiàng)目名稱-專業(yè)名稱-日期-[編號(hào)];②橋梁構(gòu)件命名：結(jié)構(gòu)部位.材料類型_[部位編號(hào)];③路基：里程位置_類型_[部位編號(hào)]，如“主橋上部結(jié)構(gòu)_鋼箱梁_CO-4-1b_”。所有數(shù)字采用“1，2，3…”，不采用中文。

（3）建模主要原則：建模原則標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容如表1所示。

（4）編輯明細(xì)表屬性：根據(jù)需求，編輯明細(xì)表屬性，確定計(jì)算規(guī)格，選定要計(jì)算工程量的構(gòu)件信息，如材料名稱、型號(hào)、材質(zhì)、規(guī)格大小等信息。

（5）導(dǎo)出工程量計(jì)算結(jié)果：生成工程量清單，導(dǎo)出工程量數(shù)據(jù)，為方便后期數(shù)據(jù)的查看，導(dǎo)出為Excel表格。

利用BIM算量技術(shù)，進(jìn)行工程量計(jì)算，以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)集成建設(shè)工程項(xiàng)目各相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型?；贐IM的工程量計(jì)算，能在保證工作質(zhì)量的前提下大大提高工程算量的效率。主要針對(duì)各分部合同成本部所提的需求，針對(duì)具體項(xiàng)目的復(fù)雜項(xiàng)、爭(zhēng)議項(xiàng)等進(jìn)行工程量復(fù)核與溯源，形成工程量復(fù)核清單和差異工程量溯源報(bào)告。

4拱肋重心計(jì)算

目前拱橋建設(shè)工藝發(fā)展速度較快，越來(lái)越多的景觀橋梁采取空間異形拱肋。隨著人們對(duì)橋梁異形橋型有著更具觀賞性及實(shí)用性的要求[3]，橋梁拱肋的吊裝難度也隨之加大。以烏蘭木倫河3號(hào)橋項(xiàng)目為例，該橋主拱截面為曲線等截面，副拱截面為直線等截面、直線變截面、曲線等截面，拱肋截面類型多，角度變化大，其吊裝難度極高，傳統(tǒng)的吊點(diǎn)計(jì)算方法已無(wú)法滿足要求，異型拱橋需要新的吊裝工藝來(lái)計(jì)算拱肋的重心，以確定鋼絲繩長(zhǎng)度及吊耳的位置，計(jì)算過(guò)程如下：

（1）根據(jù)圖紙建立拱肋軸線BIM模型，按照?qǐng)D紙比例大小在軸線上劃分拱肋各個(gè)節(jié)段。見圖3。

（2）根據(jù)拱肋節(jié)段施工圖紙，利用BIM軟件對(duì)拱肋進(jìn)行精細(xì)化建模。見圖4。

（3）利用BIM軟件求出該拱肋節(jié)段重心坐標(biāo)，找到該坐標(biāo)點(diǎn)并在模型中加以標(biāo)識(shí)。

（4）將該拱肋節(jié)段代入建立的軸線模型中，利用軟件的對(duì)齊功能將拱肋節(jié)段精細(xì)化BIM模型對(duì)齊橋梁拱軸線模型，使拱肋節(jié)段的軸線和截面與軸線模型相重合，此時(shí)拱肋節(jié)段的角度與設(shè)計(jì)相符。

（5）在拱肋節(jié)段的重心點(diǎn)向上豎直延伸出一條線段，該線為重垂線，用于模擬吊車吊鉤的形態(tài)。見圖5。

（6）根據(jù)鋼絲繩的長(zhǎng)度，沿重垂線頂端與拱肋節(jié)段連線，延伸出的線段上順橋向前后各布置吊點(diǎn)。見圖6。

（7）這種基于BIM的鋼結(jié)構(gòu)重心計(jì)算方法具有以下優(yōu)勢(shì)：①基于BIM綜合考慮各種控制因素，精確計(jì)算拱肋重心、吊耳位置、鋼絲繩長(zhǎng)度，確定最佳吊裝方案;②確保不遺漏有價(jià)值的方案，利用軟件模擬吊裝過(guò)程，排查因不合理的吊點(diǎn)位置導(dǎo)致吊裝失敗的因素，提高吊裝精度;③降低高空作業(yè)，按照得出的最優(yōu)方案，拱肋起吊時(shí)角度基本與設(shè)計(jì)值一致，省去傳統(tǒng)的需工人在高空中用手拉葫蘆修正的高空作業(yè);④提高吊裝效率，相比傳統(tǒng)方式吊裝，這種有著數(shù)據(jù)支撐的吊裝方法更為可靠高效。

5應(yīng)力計(jì)算

將建好的模型采用Midas軟件分析結(jié)構(gòu)體系及受力情況，驗(yàn)算材料的可行性及施工安全性，為支架的安裝提供了安全可靠的數(shù)據(jù)支撐，確保方案的可行性。以烏蘭木倫河3號(hào)橋項(xiàng)目拱肋鋼管支架體系為例，開展應(yīng)力計(jì)算：

（1）設(shè)置特性值，定義材料參數(shù)和材料截面。

（2）模型建立，根據(jù)圖紙建立該節(jié)點(diǎn)計(jì)算模型，模型采用Midas軟件進(jìn)行建模。見圖7。

（3）輸入邊界條件、自重荷載、應(yīng)力荷載，設(shè)定好后運(yùn)行結(jié)構(gòu)分析。

導(dǎo)出計(jì)算結(jié)果如表2所示。

以上工況中，最不利結(jié)果出現(xiàn)在運(yùn)梁后支點(diǎn)工況，最大組合應(yīng)力為87.7MPa<容許正應(yīng)力σ=145MPa;最大剪應(yīng)力為31.8MPa<容許剪應(yīng)力τ=85MPa。應(yīng)力計(jì)算滿足要求。

6錨管定位校核計(jì)算

在橋梁中，錨管作為吊索受力點(diǎn)，當(dāng)錨管偏位時(shí)，會(huì)引起全橋受力不均衡;錨管垂直度傾角過(guò)大，會(huì)使吊索與錨管交角變小，很容易在吊索張拉時(shí)對(duì)吊桿造成破壞[4]。為了提高錨管的安裝質(zhì)量，采用SolidWorks軟件進(jìn)行錨管定位校核計(jì)算：

（1）建立拱軸線模型。根據(jù)圖紙坐標(biāo)值建立橋梁拱軸線模型。見圖8。

（2）對(duì)成品鋼箱拱底面及錨桿進(jìn)行測(cè)量得出相應(yīng)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

（3）根據(jù)測(cè)量得出的坐標(biāo)數(shù)據(jù)建立拱節(jié)段的底面及錨管位置模型。見圖9。

（4）將建立好的底面及錨管位置模型導(dǎo)入拱軸線模型，并利用軟件對(duì)齊功能將模型對(duì)齊到橋梁拱軸線模型中，使測(cè)量模型與橋梁拱軸線模型重合。見圖10。

（5）根據(jù)施工圖紙輸入錨管的坐標(biāo)值找到錨管的設(shè)計(jì)位置，確保吊桿與錨管的誤差值≤cm，當(dāng)錨管誤差>1cm時(shí)，需將拱節(jié)段裝配得出的誤差值對(duì)錨管進(jìn)行調(diào)整，然后對(duì)成品拱肋進(jìn)行測(cè)量再導(dǎo)入模型中進(jìn)行校核，直至誤差達(dá)到合理值。見圖11。

7結(jié)語(yǔ)

本文依托BIM技術(shù)的計(jì)算優(yōu)勢(shì)，以國(guó)內(nèi)首座雙飛翼景觀特大橋——烏蘭木倫河3號(hào)橋在施工中的計(jì)算應(yīng)用為例，通過(guò)將BIM技術(shù)應(yīng)用于施工計(jì)算中進(jìn)行樁長(zhǎng)計(jì)算、工程量計(jì)算、應(yīng)力計(jì)算、拱肋重心計(jì)算、錨桿定位校核計(jì)算等，表明BIM技術(shù)在橋梁施工中的計(jì)算應(yīng)用中具備很強(qiáng)的實(shí)用性，也進(jìn)一步驗(yàn)證了BIM技術(shù)在施工計(jì)算中的優(yōu)勢(shì)。其不僅能夠極大地改善施工的質(zhì)量、提高施工效率，降低施工誤差導(dǎo)致的成本，還為項(xiàng)目安全有序地施工建設(shè)提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

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