BIM 在合肥南环线钢桁梁柔性拱桥施工中的应用

唐国武 王 伟 杜伸云 陈宝民

(中国中铁四局集团钢结构有限公司，合肥 230000)

1 引言

建筑信息模型BIM(Building Information Modeling)，是以三维数字化技术为依托建立的一个集成了工程项目各种相关信息的数据模型。项目各参与方都可以从这个信息模型中提取各自需要的信息，用于指导相关工作又能将各类信息及时反馈。BIM具有三维可视化、协同性及信息可提取性等特点，是推动钢结构行业信息化走向更高层次的新技术。

目前，钢结构领域对BIM的理论、技术和应用方法的研究取得了一定的进展。一些钢结构企业已经开始推广应用BIM技术，通过BIM打造信息化钢构，提升管理效率、降低生产成本，推动企业的技术进步和科技创新。

桥梁钢结构的施工，由于其本身的结构精度要求高、制造工序和安装过程工况复杂等特点，项目各相关方之间的沟通和协调难度大，而且据我们所知国内目前BIM在钢结构桥梁方面应用的案例还不太容易找到，本文通过BIM技术在合肥南环线钢桁梁柔性拱桥工程中的应用，对BIM应用于桥梁钢结构工程进行了有益的实践与探索。

2 工程特点

本工程为三跨连续钢桁梁柔性拱组合结构(图1)，其施工过程有如下特点:

(1)桁梁钢结构杆件尺寸精度要求高，工序复杂，过程控制难度大;

(2)钢桁梁整体节点及各杆件连接方式均为栓接，孔群种类多、数量大，工序质量控制要求高;

(3)杆件结构复杂，如梁拱结合部杆件需要同时与12根杆件进行空间多角度连接，制造精度要求高;

(4)桥梁杆件种类多、数量大，全桥杆件种类达700多种，数量达15 000件，生产管理难度大;

(5)桥梁钢结构材料种类多，同一杆件不同部位对材料的性能要求不一样，而且所有材料均要实现可追溯;

(6)安装架设工况复杂，施工管理及施工过程中与项目相关方的沟通、协调难度大。

3 BIM在南环线钢桁柔性拱桥工程中的应用

3.1 BIM在技术准备阶段的应用

BIM在技术准备阶段的应用主要是建立信息模型，进行图纸审核，并从模型中提取相关信息，生成工程量清单、零件汇总表、施工图等技术文件。

3.1.1 应用流程(如图2)

图1 合肥南环线钢桁梁柔性拱桥模型

(1)根据设计图纸，使用建模软件(Tekla Structures)建立信息模型。利用软件的校核功能检查、发现设计错误，将问题反馈给设计方提出修改建议，根据设计变更修改模型。

(2)调取模型信息，生成材料清单、工程量统计表、零部件汇总表，并使用模型生成施工图。

(3)生产部门根据工程量统计表编制生产计划;技术部门由零部件汇总表编制原材料采购计划，并使用BIM套料软件进行零件套料、编程，依据施工图纸编制结构零部件典型工艺卡和焊接工艺卡。

图2 BIM应用流程图

3.1.2 应用效果

(1)模型校核自动化

钢桁梁柔性拱结构复杂，设计方采用二维制图难免出现疏漏和错误，例如本工程上弦杆A10、下弦杆E10及腹杆A10E10之间的连接手孔不一致(如图3)。

对二维图纸的审核是一个面向局部的工作，对于不同系统之间的连接构造问题，审图人员容易疏忽，而应用BIM建立信息模型，是一个面向工程整体的工作，在建模过程中，不同系统之间的连接构造问题会自然暴露。

同时，在建模过程中，螺栓、拼接板的信息也集成到了模型中，利用软件的碰撞校核功能可以检查出此类设计错误(如图4)。

在信息模型中，还可以利用软件自动检测结构件之间的干涉。例如:在对南环线钢梁的碰撞校核中，软件自动判别出弦杆A10与横联之间发现了碰撞(如图5)。经建模人员核查，是设计图纸错误，并及时与设计方沟通，修正了设计图和模型。

(2)提取模型信息，自动创建各类报表

在BIM技术的应用过程中，在建立信息模型的同时，已经录入了零、部件的编号、数量、材质、重量、规格等信息，可以很容易地实现工程量清单、材料清单、零部件分类汇总的自动化，节省大量的劳动力。

例如南环线工程的高强度螺栓共约50万套，可在模型中筛选信息，自动创建螺栓材料清单(如图6)。

此外，工程的零件汇总表、工程量清单等均可以自动创建，所有的信息都可以随时从模型中提取。

(3)施工图纸绘制的自动化

在BIM系统中，在建立了信息模型后，可以直接由模型生成平面施工图，并且通过准确无误的信息模型，得到的施工图纸具有不可更改性，即图纸中的零、构件编号、数量、材质等不能直接在图纸中更改，只能通过修改模型达到更改图纸的目的。这样，就减少很多人为错误的产生，提高了施工图的准确度。

3.2 BIM在生产制造过程中的应用

3.2.1 应用流程

在生产制造过程中，BIM的主要应用为:以信息模型为基础，建立一个产品信息库。产品信息库是集成了零件、构件编号、数量等静态信息和加工进度、检验状态等动态信息的数据库。

相关各部门从产品信息库中获得信息应用于生产管理，并将生产过程中的信息及时反馈到产品信息库中，实现信息高度共享和高效沟通(如图7)。

图7 BIM技术在生产过程中的应用流程图

3.2.2 应用效果

(1)提取模型信息，创建产品信息库

在BIM应用中，零件编号、数量，构件编号、数量、重量等静态信息均可以直接由信息模型导出，从而省去了人工统计环节，避免人为失误造成信息传递错误。

(2)以产品信息库为中枢进行信息交流，简化部门沟通程序，提高工作效率

在生产过程中，部门间采用点对点、以书面报表方式进行沟通，需要将同一信息分别向多个部门发送，做大量的重复工作，这种点对点的沟通方式效率低(如图8)。

应用BIM后，各部门直接从产品信息库中获取信息，用于生产管理;而对生产进度和检验状态等动态信息，直接向产品信息库反馈(如图9)。这样，以产品库为中枢，将各部门紧密联系，极大地简化了部门间的沟通程序，提高沟通效率。

(3)在BIM的应用中，对结构复杂的节点，可以直接调取模型信息，进行动态演示，指导操作层快速理解结构细节(如图10)

3.3 BIM技术在施工现场的应用

3.3.1 模拟施工过程，优化施工方案

在方案研究阶段，利用BIM模型对施工过程进行模拟，能提前发现方案的不足:在本工程中通过模拟施工发现临时支架与高速公路桥梁局部干涉，从而及时对支架方案进行优化，如图11。

图10 复杂节点内部结构展示

3.3.2 模拟顶推工况，确保顶推安全稳定

南环线钢桁梁柔性拱桥施工方案采用带拱顶推法，顶推过程中桥梁悬臂状态的重量和重心在不断变化。通过BIM模型三维模拟顶推施工工况，能便捷准确获取悬臂支点两侧重心位置及重量，大大减少了抗倾覆系数的计算工作量，提高了工作效率，如图12。

3.3.3 模拟架设工况，优化施工工艺

在柔性拱的架设中，利用BIM模型对架拱工况进行三维模拟，合理选择架梁吊机站位，避免了架梁吊机与拱肋杆件干涉的问题，如图13。

3.3.4 检测信息实时共享

钢梁施工过程中，监控单位将检测数据实时录入到BIM模型中，项目各参与方均可以随时查询监控数据，达到共享监控信息的目的，加强了项目各参与方之间的沟通与交流，如图14。

4 结论

通过BIM在合肥南环线钢桁梁柔性拱桥工程中的应用，有以下几点收获:

(1)信息模型的建立是信息集成的过程。由于信息的集成，使得模型碰撞检测、工程量统计、施工图绘制等工作可以实现自动化，节省了大量的劳动力，提高了工作效率和数据准确性。

(2)BIM为项目相关方提供了一个信息共享与交流的平台，提高了项目沟通与协调的效率。

(3)利用信息模型模拟施工，提前发现施工方案的不足，有利于优化施工组织设计和施工工艺。

同时，在本次BIM应用中还存在以下不足:

(1)对数字技术应用的能力有限，信息可视化没有充分体现，生产进度、检验状态等信息未能直接反应在模型中，人力、机械、设备资源信息未能集成进模型中。

(2)BIM的实现需要利用多种数字技术，我们目前所用工程软件与BIM的兼容性较差，BIM模型与套料、工程计算等应用软件的整合还有待进一步开发。

(3)BIM在南环线桥梁工程中的应用探索仅局限于施工方，对于BIM在项目各参与方之间信息共享和沟通缺乏实践，BIM的应用层次不够深入。

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