李正全、趙貴朋

（中國水利水電第七工程局有限公司一分局，四川彭山 620860）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，BIM 技術(shù)在項目建設(shè)中的應(yīng)用逐漸拓寬和深入，推動著智能建造的快速發(fā)展。BIM 技術(shù)在工程施工過程中的廣泛應(yīng)用，不僅能夠解決施工過程中出現(xiàn)的各種問題，也能夠促進施工管理質(zhì)量與效率的不斷提升[1-3]?，F(xiàn)如今，國內(nèi)利用BIM指導(dǎo)施工還存在一些問題，其中就包括施工過程中結(jié)構(gòu)安全等問題。在信息化管理、模型可視化及三維建模等方面，BIM 建模軟件均具有良好的應(yīng)用效果，表現(xiàn)出其獨有的技術(shù)優(yōu)勢，由此可實現(xiàn)利用現(xiàn)代化信息技術(shù)手段對建筑施工全過程進行管理的目標。FEM方法可以實現(xiàn)對施工過程中的結(jié)構(gòu)變形與應(yīng)力的計算分析[4-5]。因此，將FEM 和BIM 技術(shù)引入橋梁工程建設(shè)中可以推動建筑工程施工質(zhì)量的提高，實現(xiàn)降本增效的管理目標，提高寬幅鋼箱梁的施工效率和施工管理水平。

1 工程概況

韓灘雙島大橋橋梁總長度為1297m，主橋長度為860m，主跨長430m，邊跨長215m，主橋為鋼箱梁結(jié)構(gòu)，橋面寬度為38m，共分為71 節(jié)段，總重17000t，標準節(jié)段尺寸長度為12m×38m，單節(jié)段重233t，最重節(jié)段為377t。

2 寬幅鋼箱梁優(yōu)化分塊與拼裝

受現(xiàn)場運輸和吊裝條件限制，該工程主梁需要分節(jié)段、分塊加工，現(xiàn)場焊接之后再進行整體頂推施工，主要包括以下問題：

第一，韓灘雙島大橋主梁為桁架隔斷鋼箱梁，如何進行橫向分塊，國內(nèi)研究鮮見。分塊大，吊裝運輸困難，且因為橫隔為桁架，需要考慮分塊吊裝施工狀態(tài)的剛度；分塊小，焊縫太多，焊接殘余應(yīng)力和殘余變形對主梁結(jié)構(gòu)的影響過大。

第二，無法試錯。一旦加工完成，現(xiàn)場焊接發(fā)現(xiàn)上述問題后，糾正困難。

第三，橫隔為桁架，拼裝的時候定位控制困難。

針對以上問題，文章提出了用FEM 模擬焊接影響確定分塊數(shù)量和焊縫位置，再用BIM 技術(shù)模擬預(yù)拼裝的方法。

2.1 利用FEM 技術(shù)模擬焊接影響確定分塊拼裝

對大型鋼箱梁進行分段、分塊安裝的主要特點是，分塊后的結(jié)構(gòu)可以由工廠加工，質(zhì)量保障性好，分塊的拼裝線形和質(zhì)量易于保證，常規(guī)起重設(shè)備即可滿足吊裝要求，滿足韓灘雙島大橋工期、施工場地及結(jié)構(gòu)特點等各方面的要求。

鋼箱梁單元分塊應(yīng)考慮橋梁結(jié)構(gòu)特點和斷面形式，同時，還應(yīng)考慮的分塊原則有：鋼箱梁制造條件、設(shè)備吊裝能力、運輸要求及現(xiàn)場環(huán)境等。

總體來說，韓灘雙島大橋主梁為桁架橫隔的鋼箱梁，橫向分塊使原箱梁成了不對稱開口薄壁截面，其抗扭轉(zhuǎn)能力急劇下降，這會導(dǎo)致吊裝時鋼箱梁容易發(fā)生局部屈曲的現(xiàn)象，施工質(zhì)量難以控制。因此，必須科學(xué)地制定分塊原則，并進行詳細深入地分析來確定單元分塊。

首先，根據(jù)現(xiàn)場初擬的分塊方案，建立了復(fù)雜的空間有限元模型，模擬焊接的溫度場、應(yīng)力場合殘余變形，從而獲得最優(yōu)的分塊數(shù)量和焊縫位置。其次，分段數(shù)越多，焊接部位就越多，存在的缺陷也就越多，這會造成梁體質(zhì)量較低，應(yīng)力集中和殘余變形多；同時，臨時胎架的數(shù)量也會相應(yīng)增加，造成起重機、人力等資源的浪費，不符合經(jīng)濟性的要求。除此之外，還會削弱主梁的抗剪剛度，影響結(jié)構(gòu)的安全和耐久性。若分段數(shù)太少，則每個分段的重量會偏大，超出起重范圍，在施工時會難以控制。更重要的是，韓灘雙島大橋的運輸條件極為有限，過大的分段無法運輸進場拼裝。

最終確定的解決韓灘雙島大橋主梁分塊問題的技術(shù)路線為：

第一，先根據(jù)設(shè)計確定的12m 節(jié)段為縱向分塊長度，然后根據(jù)上述原則進行橫向分塊研究。

第二，通過進行頂板典型寬度的焊接分析，獲得焊接的參與變形和殘余應(yīng)力分布情況與峰值情況。初步選取獲得橫向的分塊。

第三，根據(jù)橫線分塊，分別建立分塊的有限元模型，進行吊裝施工態(tài)有限元分析，獲得結(jié)構(gòu)的變形、局部穩(wěn)定性驗算，以驗證合理性。

第四，將焊接計算的殘余變形利用BIM 計入拼裝模型，進行BIM 帶缺陷的數(shù)字化預(yù)拼裝，檢驗最終吊裝到位、焊接之后鋼梁的整體質(zhì)量情況。

2.2 基于BIM 技術(shù)的模擬預(yù)拼裝

模擬預(yù)拼裝的組成可分為多個構(gòu)件拼裝擬合和單個構(gòu)件尺寸檢驗兩個部分，在預(yù)拼裝模擬階段選擇應(yīng)用計算機技術(shù)手段，可以取得良好的實體拼裝效果，與實體預(yù)拼裝操作方法相比，模擬處理的方式取得的效果更好。當(dāng)前階段，在模擬預(yù)拼裝操作環(huán)節(jié)存在兩種類型的處理方式：第一種是比對實測坐標點和理論坐標點之間的關(guān)系，這種處理方式的實質(zhì)完全等同于實體預(yù)拼裝；第二種是比對分析實測模型和理論模型。

比對分析實測模型和理論模型的過程，是以設(shè)計階段或設(shè)計圖紙搭建的理論模型為依據(jù)，加工完成各類零部件以后，再對其展開測量，完成實測模型構(gòu)建，對拼裝的過程進行模擬。

比對分析實測坐標點和理論坐標點的過程，按照理論模型完成對應(yīng)的坐標系構(gòu)建，主要的測量控制點可選擇構(gòu)件尺寸關(guān)鍵控制點，完成拼裝以后再進行測量，將獲得的實際坐標值錄入計算機設(shè)備中，轉(zhuǎn)化坐標，并擬合對比分析理論模型中的控制點坐標值。

2.3 小節(jié)

橋梁縱向分段、橫向分塊的施工方案，并利用BIM+FEM 技術(shù)對分塊方案進行優(yōu)化，有效解決了制造、運輸、吊裝和拼裝等方面的施工難題，既保證了施工質(zhì)量，又加快了施工進度。

利用BIM 技術(shù)對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件空間立體模擬，通過提前碰撞檢測，可對設(shè)計圖紙進行深化與審核，有效解決設(shè)計圖紙中出現(xiàn)的遺漏、錯誤、偏差等各類問題，從而最大化地降低后續(xù)設(shè)計與施工階段的變更概率，提高設(shè)計與施工進度，保證施工質(zhì)量。

3 整體頂推技術(shù)研究

由于條件限制，采用全橋頂推的施工工藝，將鋼箱梁從中間往兩邊全橋頂推，為國內(nèi)同類型橋梁施工首次采用。

鋼箱梁采用單節(jié)鋼箱梁劃分為8 個小節(jié)段，最重節(jié)段為50.5t，在廠內(nèi)進行加工制作，運輸至現(xiàn)場后，采用2 臺56t 龍門吊吊裝至拼裝平臺進行組拼，組拼按照“3+1”的模式進行，組拼完成后，采用800t 步履式千斤頂頂推至設(shè)計位置。步履頂頂升頂由1 臺400t和2 臺200t 千斤頂構(gòu)成，最大頂升15cm，頂推頂由2個30t 千斤頂組成，每次行程30cm?；鋬蓚?cè)設(shè)4 個糾偏頂，單次可糾偏5cm。全橋共設(shè)置36 臺步履頂。

鋼箱梁頂推施工過程中存在的問題：

鋼箱梁頂推過程中，最多需18 臺步履式千斤頂同時作業(yè)，在鋼箱梁無應(yīng)力制造線形中要設(shè)置預(yù)拱度，預(yù)拱度是變曲率豎曲線。在實施鋼箱梁頂推工程期間，支撐位置的豎向反力相對較大，在臨時墩的鋼箱梁位置會出現(xiàn)動態(tài)性的轉(zhuǎn)角位移。若是在施工操作期間出現(xiàn)鋼箱梁頂推不同步的現(xiàn)象，將導(dǎo)致設(shè)置預(yù)拱度的梁底與支承面接觸不均勻，鋼箱梁的受力將變得不利。因此，如何保證多達18 臺步履式千斤頂同步頂推及線型控制是研究的重難點。在鋼箱梁頂推過程中，既要確保主梁線形及臨時墩受力，保證導(dǎo)梁擾度控制，又要保證橫向位移受控，這一過程技術(shù)難度大、安全風(fēng)險高。

3.1 基于FEM 推頂施工全過程分析

目前，國內(nèi)對于鋼箱梁步履式頂推施工技術(shù)一般采用有限元模擬研究，或根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實際工程研究，較少有將兩者結(jié)合的研究。文章以韓灘雙島大橋的施工工藝為依據(jù)展開分析，在結(jié)構(gòu)施工過程中選擇使用鋼箱梁步履式頂推模式，通過應(yīng)用MIDAS/Civil（邁達斯工程軟件）完成橋梁各構(gòu)件的有限元模型構(gòu)建，綜合采用有限元和現(xiàn)場監(jiān)測的技術(shù)手段保障施工安全，對主橋部分的施工具有指導(dǎo)作用。

以韓灘雙島大橋?qū)嶋H結(jié)構(gòu)為原型，使用有限元軟件MIDAS/Civil 建立大橋的頂推施工模型，設(shè)定橋梁頂推施工整體配置，模擬橋梁頂推的施工工序，并將整個施工工作分為多個階段，分析每一個施工階段的受力情況，計算頂推施工中梁段自重、鋼導(dǎo)梁受力情況及懸臂端變形等對鋼箱梁受力的影響。模擬結(jié)果表明，隨著頂推長度的不斷增加，最大位移、應(yīng)力也隨之增大。

主要施工階段應(yīng)力：最大應(yīng)力發(fā)生在桁架部分，為141.5MPa，且各工況最大應(yīng)力均小于限值，后續(xù)參考也可適當(dāng)增加頂推長度。

臨時墩在施工過程中的最大反力：頂推過程中各墩頂支點反力均較小，最大為18300kN，最不利臨時墩為節(jié)點313 處的臨時墩。

經(jīng)過對鋼箱梁頂推施工階段分析，其總體計算結(jié)果步履機最大反力為658.8t，故按最大反力來計算。頂推器頂面墊梁有效長度為1200mm，鋼箱梁腹板厚20mm，因此，頂推過程中鋼箱梁腹板的局部壓應(yīng)力為：

滿足規(guī)范要求。

由以上計算分析可知，各結(jié)構(gòu)受力滿足要求。為進一步保證頂推安全，可適當(dāng)增設(shè)加勁板，控制鋼箱梁線形。

3.2 基于BIM 技術(shù)實時監(jiān)測仿真

采用三維視頻融合技術(shù)，將現(xiàn)實中視頻監(jiān)控所拍攝的畫面與BIM 三維場景數(shù)據(jù)全時空立體融合；在系統(tǒng)中控制攝像頭的視角和畫面時，虛擬攝像頭會實時同步，實現(xiàn)虛擬模型與現(xiàn)實施工情況的對比。在施工過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)某部分施工完成后，發(fā)現(xiàn)與圖紙模型有差距，如果此時再進行返工，就會造成材料浪費以及工期拖延。而通過平臺的施工現(xiàn)場傳感器采集數(shù)據(jù)上傳并與圖紙和模型進行數(shù)據(jù)分析，當(dāng)出現(xiàn)錯誤時，管理者會收到報警信息，及時發(fā)現(xiàn)施工錯誤，再通過現(xiàn)場視頻觀察后進行后期規(guī)劃，能把施工錯誤造成的損失降到最低。

以設(shè)計完成的施工圖為依據(jù)，對項目工程的施工作業(yè)顆粒度做出分析，與項目工程的施工進度計劃進行結(jié)合，模擬和預(yù)演施工資源應(yīng)用和施工進度計劃調(diào)整措施，保證項目工程在作業(yè)期間可以實現(xiàn)科學(xué)化的動態(tài)管理和施工控制。主要采用BIM 技術(shù)模擬整個頂推過程，并應(yīng)用BIM 技術(shù)來實現(xiàn)施工監(jiān)測。

在實施鋼梁頂推工程期間，要合理化控制鋼梁線形，同時對其施工過程做出嚴格控制。鋼箱梁頂推施工進行全程模擬的監(jiān)控計算、跟蹤計算及誤差調(diào)整，整體把握頂推施工全程的結(jié)構(gòu)受力變形狀態(tài)，形成施工控制目標值序列并對各施工狀態(tài)做出實時預(yù)測及誤差修正。對鋼箱梁施工進行監(jiān)測，主要是為了控制梁體制作精度、施工觀測導(dǎo)梁撓度、應(yīng)力以及各臨時支墩沉降、偏位等，確保頂推階段拼接順利。鋼箱梁在制造及施工的不同階段會表現(xiàn)出幾種不同的線形，包括設(shè)計成橋線形、制作線形、安裝線形及頂推線形等；根據(jù)監(jiān)控理論計算主梁成橋預(yù)拱度并制作預(yù)拱度示意圖，便于在施工操作過程中進行控制。

進行頂推施工同步性監(jiān)控，需要在步履機液壓油缸前端安裝紅外監(jiān)控系統(tǒng)，實時監(jiān)控各步履頂?shù)耐叫圆崟r調(diào)整。利用BIM 仿真監(jiān)控技術(shù)輔助線形控制，在項目工程施工期間通過規(guī)劃與安裝虛擬攝像頭設(shè)備，將攝像頭所拍攝的詳細畫面與虛擬攝像頭所拍攝的BIM 模型情況展開一對一的對應(yīng)，在系統(tǒng)中控制攝像頭的視角和畫面時，虛擬攝像頭會實時同步，實現(xiàn)虛擬模型與現(xiàn)實施工情況的對比，及時將不同步或偏差的情況形成數(shù)據(jù)化反饋，作為調(diào)整梁段的參考。

3.3 小結(jié)

基于韓灘雙島大橋鋼箱梁步履式頂推施工，采用MIDAS/Civil 軟件建立橋梁各典型工況下頂推施工有限元模型，對各工況鋼箱梁頂推至最不利位置時鋼箱梁關(guān)鍵截面應(yīng)力狀態(tài)及導(dǎo)梁前端位移進行計算，綜合采用有限元和現(xiàn)場監(jiān)測的技術(shù)手段保障施工安全，對主橋部分的施工具有指導(dǎo)作用。

通過BIM 實時監(jiān)測仿真技術(shù)，有效規(guī)避了鋼箱梁施工過程中監(jiān)控數(shù)據(jù)散亂、整理困難、信息反饋緩慢等問題，提升了橋梁施工智能化管理水平，大大降低了鋼箱梁線形監(jiān)測施工難度。鋼箱梁施工完成后，經(jīng)第三方橋梁監(jiān)測單位復(fù)核，主橋鋼箱梁的橋面線形基本達到預(yù)期的成橋預(yù)拱度要求，橋面線形順暢。

4 結(jié)語

綜上所述，BIM+FEM 協(xié)同技術(shù)應(yīng)用于寬幅鋼箱梁的優(yōu)化分塊和整體頂推，可以為橋梁工程的優(yōu)化設(shè)計和施工提供強有力的幫助。借助FEM 有限元軟件，可以對橋梁結(jié)構(gòu)進行細部分析，也可以對橋梁進行施工階段分析，優(yōu)化了橋梁結(jié)構(gòu)，保障了工程結(jié)構(gòu)安全和施工的順利進行；借助BIM 技術(shù)，可以對構(gòu)件空間立體布置進行可視化模擬，優(yōu)化施工方案，有效解決施工圖中的設(shè)計缺陷，提升施工質(zhì)量。因此，將BIM 和FEM 結(jié)合應(yīng)用，可更好地提高工程質(zhì)量、施工效率和施工管理水平。