楊炎炎

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鐵成(創(chuàng)新)學(xué)院，陜西 渭南 714000)

目前BIM技術(shù)在工程建設(shè)中的應(yīng)用主要集中在房建領(lǐng)域，在橋梁工程中應(yīng)用案例較少[1]。然而隨著橋梁設(shè)計(jì)計(jì)算理論的提高與對橋梁美學(xué)的考究，橋梁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式變得復(fù)雜，對傳統(tǒng)橋梁工程的設(shè)計(jì)和施工都提出了挑戰(zhàn)[2]。在設(shè)計(jì)方面，傳統(tǒng)的橋梁工程設(shè)計(jì)方法是由二維(2D)圖紙來呈現(xiàn)三維(3D)實(shí)體，即通過各個(gè)視圖二維圖紙來表達(dá)其要設(shè)計(jì)的三維實(shí)體[3]。然而隨著橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的提高，使種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式的難度不斷加大，出現(xiàn)紕漏的概率越來越高。BIM技術(shù)能夠通過正向設(shè)計(jì)即由三維設(shè)計(jì)出發(fā)，直接建立建筑物的三維模型，在三維模型完成后可以直接從中輸出二維圖紙。不但能確保二維圖紙的準(zhǔn)確性[4]，而且發(fā)生設(shè)計(jì)變更只需將三維模型進(jìn)行相應(yīng)的改動(dòng)，由模型輸出的二維圖紙會(huì)依據(jù)新的三維模型自動(dòng)進(jìn)行更新，免去了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要對相關(guān)視圖逐個(gè)進(jìn)行修改的冗長工作，能夠有效提高生產(chǎn)效率[5]。

本文以青海省海東市樂都區(qū)海東大道一號(hào)橋?yàn)檠芯勘尘埃U述BIM技術(shù)在復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)及施工監(jiān)測中的應(yīng)用。

1 BIM建模流程

海東大道一號(hào)橋位于海東大道的109國道與古城中街段，是海東大道上的重要節(jié)點(diǎn)工程，跨度為(158+45+40)m的獨(dú)塔雙索面混合梁斜拉橋，主跨為158 m鋼箱梁，輔跨為45 m+40 m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，主塔高107 m。選擇Revit作為該斜拉橋的建模軟件，根據(jù)Revit“族”的概念，以最小的構(gòu)件為1個(gè)族單元；對于比較復(fù)雜的構(gòu)件，利用嵌套族的原則，把復(fù)雜構(gòu)件按照空間關(guān)系劃分成若干小塊，在族文件中分別創(chuàng)建各小塊構(gòu)件模型，最后通過三維位置關(guān)系拼裝即生成了復(fù)雜族構(gòu)件[6]。在完成所有族文件后，利用上述規(guī)則在項(xiàng)目文件中利用標(biāo)高軸網(wǎng)進(jìn)行定位即完成整體模型的創(chuàng)建[7]。斜拉橋建模流程、部分構(gòu)件族模型、整體BIM模型如圖1～3所示。

2 BIM模型碰撞檢查

利用Navisworks對斜拉橋整體BIM模型進(jìn)行碰撞檢查，找出該橋設(shè)計(jì)中存在的問題。

2.1 錨杯與U肋碰撞

拉索的錨箱為單獨(dú)施工完成后焊接到鋼箱梁中，其三維空間布置形態(tài)為計(jì)算放置空間增加了不少困難。通過碰撞檢測得到位于錨箱底部的錨杯與鋼箱梁U肋空間位置發(fā)生了碰撞(如圖4所示)，由于箱體內(nèi)部空間及箱底尺寸都不易做出合理的改變，最后通過在BIM模型中對錨箱位置作出調(diào)整，通過論證得到最優(yōu)的處理辦法(對碰撞位置的U肋進(jìn)行了切割，如圖5所示)。原施工計(jì)劃中預(yù)計(jì)在鋼箱梁內(nèi)部完成索力張拉，通過BIM模型可以直觀地看出，錨杯下發(fā)是沒有足夠空間完成的，最后該工序經(jīng)過論證也進(jìn)行了調(diào)整。

圖1 斜拉橋建模流程

圖2 構(gòu)件族模型

圖3 斜拉橋整體BIM模型

圖4 錨杯與U肋碰撞

圖5 U肋切割

2.2 三向預(yù)應(yīng)力管道碰撞

該橋?yàn)榛旌狭夯旌纤菍ΨQ斜拉橋，箱梁與索塔都是由鋼結(jié)構(gòu)與混凝土組成的，其中也都包含鋼混結(jié)合段。與該橋非常規(guī)的結(jié)構(gòu)形式對應(yīng)的是其復(fù)雜的受力特性，該橋混凝土箱梁、混凝土橋塔中布置有橫向、縱向以及豎向3個(gè)方向的預(yù)應(yīng)力鋼束，通過傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)很容易使三向預(yù)應(yīng)力空間位置發(fā)生重疊。如果未能提前發(fā)現(xiàn)問題，很容易影響施工甚至影響橋梁結(jié)構(gòu)成橋后的受力特性。

利用Revit根據(jù)圖紙精確地創(chuàng)建了橋梁中軸線一側(cè)的三向預(yù)應(yīng)力管道，進(jìn)而將預(yù)應(yīng)力管道BIM模型導(dǎo)入至Navisworks進(jìn)行碰撞檢查。通過碰撞檢查發(fā)現(xiàn)該橋原設(shè)計(jì)中三向預(yù)應(yīng)力管道有多處位置發(fā)生碰撞，具體檢查結(jié)果見圖6。圖7展示的是該橋混凝土主梁在原設(shè)計(jì)圖中的縱、橫向預(yù)應(yīng)力管道碰撞情況。

圖6 三向預(yù)應(yīng)力管道碰撞檢查

圖7 原設(shè)計(jì)圖中主梁縱橫向預(yù)應(yīng)力管道碰撞

在根據(jù)原設(shè)計(jì)圖進(jìn)行的該斜拉橋三向預(yù)應(yīng)力管道碰撞檢查中，發(fā)現(xiàn)其中存在多處碰撞，這也體現(xiàn)出通過傳統(tǒng)的二維圖紙來設(shè)計(jì)復(fù)雜的三維空間結(jié)構(gòu)還是有一定的局限性，難免會(huì)出現(xiàn)一些紕漏，利用BIM技術(shù)能夠較好地發(fā)現(xiàn)、解決這些問題。

2.3 鋼-混結(jié)合段碰撞

模型碰撞檢查時(shí)，通常會(huì)選擇一部分相對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，針對該部分進(jìn)行碰撞檢查。在本斜拉橋中，結(jié)構(gòu)形式最為復(fù)雜的部位當(dāng)屬該橋的鋼-混結(jié)合段，設(shè)計(jì)圖紙用大量的篇幅來表達(dá)該橋鋼-混結(jié)合段，這也正是碰撞檢查的關(guān)鍵部位。該部分通過碰撞檢查得到了一些碰撞數(shù)據(jù)，表明該節(jié)段發(fā)生了多處H型鋼與剪力釘碰撞情況，其中部分碰撞情況如圖8所示，可以表明若在施工前發(fā)現(xiàn)碰撞，在施工時(shí)就可以對碰撞位置進(jìn)行標(biāo)記，能夠減少先對剪力釘進(jìn)行焊接，而后在焊接H型鋼時(shí)又要對該剪力釘進(jìn)行處理的反復(fù)工作，這樣可以有效提高焊接施工工作效率的同時(shí)也減少了返工，更重要的是能夠盡量避免返工過程中可能對結(jié)構(gòu)造成的損傷。

圖8 剪力釘與H型鋼碰撞

3 可視化施工監(jiān)測

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)

傳統(tǒng)的施工監(jiān)控主要以圖紙為信息載體，存在較多的局限性，利用BIM技術(shù)建立可視化施工監(jiān)控系統(tǒng)能夠集成項(xiàng)目設(shè)計(jì)施工中的信息記錄及快速查看，實(shí)現(xiàn)工程數(shù)據(jù)信息化、可視化，使項(xiàng)目的參與者都能及時(shí)查看項(xiàng)目實(shí)時(shí)信息，具有協(xié)同化的特征，能夠建立一個(gè)多方參與、通用性強(qiáng)的施工監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)工作流程如圖9。

圖9 施工監(jiān)測系統(tǒng)流程

在BIM模型添加與實(shí)際斜拉橋主梁標(biāo)高、主塔水平位移等測點(diǎn)相對位置一致的“測點(diǎn)”，利用BIM模型中“測點(diǎn)”構(gòu)件ID將實(shí)橋與BIM模型中的監(jiān)測點(diǎn)連接起來，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的可視化施工監(jiān)測。在該環(huán)境下能夠三維顯示當(dāng)前施工進(jìn)度，對監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常的測點(diǎn)進(jìn)行快速精確的定位，有利于相關(guān)人員對誤差產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，及時(shí)解決施工控制中的問題。

3.2 監(jiān)測方案

斜拉橋施工過程監(jiān)測涉及多個(gè)參數(shù)，以主塔軸線及塔頂偏位監(jiān)測為例展示監(jiān)控系統(tǒng)中將監(jiān)控信息集成到BIM模型中的思路。圖10～11分別為測點(diǎn)在實(shí)橋及BIM模型中的布置形式。

圖10 主塔軸線及塔頂偏位測點(diǎn)布置(單位：m)

圖11 主塔軸線及塔頂偏位測點(diǎn)布置

3.3 施工控制

斜拉橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工控制中應(yīng)用了大量的監(jiān)測點(diǎn)，極易造成監(jiān)測點(diǎn)編號(hào)與其對應(yīng)的具體位置的混淆。為了解決這一問題，基于BIM設(shè)計(jì)了一種相對簡單有效的可視化施工控制方法。

對于上文中在BIM模型中創(chuàng)建的監(jiān)控測點(diǎn)，Revit軟件并不能直接對監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，所以需要一個(gè)媒介將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與可視化BIM模型聯(lián)系起來。在BIM模型中，每個(gè)構(gòu)件都有一個(gè)屬于自己的ID，ID就是構(gòu)件的“身份號(hào)碼”，在BIM模型中輸入構(gòu)件ID后相應(yīng)的構(gòu)件就會(huì)得以顯示。利用構(gòu)件ID通過winform應(yīng)用程序即可實(shí)現(xiàn)實(shí)橋測點(diǎn)與模型中“測點(diǎn)”的對應(yīng)關(guān)系。將施工控制中各施工階段的各個(gè)構(gòu)件監(jiān)測數(shù)據(jù)理論值集成到winform應(yīng)用程序中，當(dāng)在實(shí)際監(jiān)測過程中在某一施工階段輸入某一測點(diǎn)監(jiān)測值的時(shí)候，winform應(yīng)用程序通過判斷輸出該測點(diǎn)的實(shí)測值是否滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)顯示測點(diǎn)ID，可直接在BIM監(jiān)測模型中查看測點(diǎn)位置，以實(shí)現(xiàn)可視化施工控制。

利用winform應(yīng)用程序(見圖12)對現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入，先選擇施工階段，再輸入測點(diǎn)標(biāo)號(hào)與實(shí)測值，點(diǎn)擊“測試”，程序顯示出對于測點(diǎn)在該施工階段下監(jiān)測數(shù)據(jù)的理論值、相對誤差及測點(diǎn)ID等信息，同時(shí)記錄錄入數(shù)據(jù)的時(shí)間。

向winform斜拉橋施工監(jiān)控應(yīng)用程序錄入某一測點(diǎn)監(jiān)測信息后，系統(tǒng)能夠在記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)的同時(shí)根據(jù)誤差百分比作出實(shí)測值與理論值誤差是否滿足設(shè)計(jì)要求的判斷，同時(shí)輸出構(gòu)件的ID等信息。一旦監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，可利用ID在BIM模型中對測點(diǎn)進(jìn)行可視化精確定位，能夠使監(jiān)測數(shù)據(jù)及可視化監(jiān)控模型迅速傳遞給相關(guān)人員查看，提高信息傳遞效率。通過ID查看測點(diǎn)位置時(shí)，輸入監(jiān)測點(diǎn)ID點(diǎn)擊“顯示”，BIM監(jiān)控模型中對應(yīng)的監(jiān)測點(diǎn)就會(huì)顯示在視圖中央，即實(shí)現(xiàn)了可視化施工監(jiān)控，如圖13～14所示。

圖12 winform數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

圖13 輸入測點(diǎn)ID

圖14 根據(jù)ID在BIM模型中查看測點(diǎn)位置

4 結(jié)語

通過BIM模型進(jìn)行碰撞檢查，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的以及可能影響后續(xù)施工工序的問題。在施工前利用BIM模型有效解決拉索錨杯與鋼箱梁U肋碰撞、三向預(yù)應(yīng)力管道碰撞以及鋼混結(jié)合段部分剪力釘與H型鋼碰撞等問題。通過基于BIM的可視化斜拉橋施工監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了施工監(jiān)控的可視化以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動(dòng)化分析預(yù)警，能夠有效減少施工監(jiān)測數(shù)據(jù)的記錄與計(jì)算工作量，一旦監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)問題能夠及時(shí)地將可視化監(jiān)控信息傳遞給施工現(xiàn)場內(nèi)外人員，有利于對異常測點(diǎn)進(jìn)行可視化精細(xì)分析。

利用BIM技術(shù)同時(shí)可進(jìn)行可視化三維技術(shù)交底、可視化施工進(jìn)度管控、工程量計(jì)算等諸多有利于工程項(xiàng)目建設(shè)的方式方法，BIM技術(shù)在使建設(shè)項(xiàng)目信息化的同時(shí)其作用也貫穿了項(xiàng)目的整個(gè)生命周期[8]，有效地減少由此可能造成的窩工返工、資源浪費(fèi)以至于耽誤工期的情況發(fā)生，為工程項(xiàng)目的順利實(shí)施提供保障。