BIM技术在桥梁钢结构制造和施工中的应用

■ 杜伸云 方继

BIM技术在桥梁钢结构制造和施工中的应用

■ 杜伸云 方继

钢结构是建筑业中科技含量最高的成分，具有制造业的特征，率先进入了工厂化、机械化、自动化、装配化、信息化，是建筑业转型升级的样板，对改造传统行业有着标杆的作用。以济南黄河公铁两用桥为例，介绍BIM技术在钢结构制造和施工中应用的独特优势。

BIM；桥梁；钢结构；制造；施工

1 BIM模型创建及深化设计

目前，各桥梁设计单位提交的图纸主要是二维图纸，钢结构BIM模型的建模就是将原二维设计图纸三维模型化，并在建模过程中复核设计、优化设计，其本质就是在电脑中“预拼装”，实现“可视化”［1-2］。

首先是定义零构件的主要属性，主要包含零构件编号前缀、名称、截面型材、材质、等级（颜色）等主要属性；其次是构件单元划分，将组成构件的各零件按主、次顺序“焊接”形成构件，最终形成整体模型。以济南黄河公铁两用桥钢为例，其钢结构BIM模型见图1。在BIM设计中，加工详图（零件图、构件图、布置图等）都是基于三维模型生成，图纸中的零件编号、材质信息、数量信息与建模过程中录入的信息一致［3］。

1.1 弦杆模型创建

弦杆建模过程中，考虑工厂加工制造的要求（螺栓孔位以设计理论尺寸为准，方便加工制造），同时考虑模型起拱导致的栓孔错位，因此采用单侧栓、孔分开创建的方式建模（见图2）。图2中弦杆节点螺栓处理的方法创新，解决了杆件与拼接板栓孔错位的难题。由于建模过程中拼接板另一侧栓孔之间没有关联，通过模型就能准确地测量该侧杆件起拱引起的偏差值，为优化设计提供重要的参考数据。

图1 济南黄河公铁两用桥钢结构BIM模型

1.2 桥面板块建模

桥面板块建模过程中考虑各单元件（纵梁单元、横梁单元、顶板单元）的出图，同时考虑整体桥面板块的出图。建模过程中采用辅助构件（只包含桥面板块的编号信息，规格为：1 mm×1 mm×1 mm的“符号构件”）的方法创新，将各单元件以子构件的形式附在辅助构件上，解决了纵梁、横梁、顶板单元件图及整体拼装图与模型的对应关系（见图3）。1.3 设计沟通

图2 弦杆建模节点螺栓处理

图3 桥面板块模型

建模过程中，通过模型校核很容易发现设计图纸的问题，建模过程也就是复核设计的过程。通过可视化的三维模型与设计沟通，直观明了地展示设计问题（见图4），提高了与设计沟通效率，保证了问题沟通的准确性。

图4 深化设计问题沟通

1.4 图纸管理

通过BIM模型准确获得深化设计图纸，通过图纸工具进行零件尺寸标注及注释说明得到精确的深化设计图纸。

图纸与模型关联，并随模型变动而自动更新（见图5）。模型变动后，图纸产生变更提示，通过“选择对象”查看该杆件的三维模型，通过“更新”得到模型对应的最新图纸。这种基于模型直观的改图方式，相比传统的手工改图，有效地避免了图纸上的人为错误。

图5 图纸与模型关联更新

2 BIM在工厂制造中的应用

BIM在工厂制造的应用，主要是从模型中提取的材料、零件的数控文件、图纸等信息，并在工厂制造材料采购、构件加工等环节应用模型信息［4-5］。主要应用流程见图6。 2.1 数控文件输出

图6 BIM应用流程

基于模型，通过“选择过滤”设置即将排版零件的板厚、材质参数，便能快速选择相同类型的零件并输出数控文件（见图7）。

图7 基于模型输出数控文件

2.2 数控排版套料

将数控文件批量导入兼容的专业套料软件，按照最省料进行排版套料。国内的套料软件SmartNest软件、国外的有意大利Ficep的设备（含配套的软件）与BIM模型有很好的兼容（见图8）。

图8 SmartNest与Ficep套料软件界面

通过应用可知，国外的软件与数控机床配套销售，软件一般不兼容其他硬件，自动化程度高、加工质量和效率高，同时价格也较高；国内的软件为单独销售，兼容性强（可输出火焰切割、等离子切割等数控程序）、使用方便、价格相对便宜。

2.3 套料结果输出

通过套料排版后，零件拥挤地排列在“虚拟钢板”上，输出对应得加工程序及排版图纸用于车间数控切割。相比传统的人工绘图和编程，基于模型数据的自动套料输出数控程序和排版图（见图9）大大提高了工作效率、减少了错误。

图9 SmartNest与Ficep软件套料结果输出

通过对比可知，输出图纸上都能显示钢板规格、材质、板厚、质量、编号及自动计算材料利用率等主要信息。国内的SmartNest软件更直观，且有4种图纸模板样式供选择，符合国人习惯容易操作；国外软件的参数更全面、更专业，对操作者的要求较高。

2.4 加工过程中应用

工厂加工主要是利用数控程序导入数控切割机进行钢板切割，工人通过模型及图纸将切割后的零件拼焊成构件的过程。BIM的应用主要是技术交底可视化以使工人快速理解加工内容、复杂构件拼装顺序可视化模拟以使工人快速了解构件拼焊顺序（见图10）。

图10 基于模型进行技术交底、数控切割及焊接顺序模拟

3 BIM在现场施工中的应用

BIM技术在施工现场应用主要是施工信息与BIM模型动态关联、集成，并随施工过程更新及辅助项目施工管理。目前，项目施工管理的BIM平台主要有清华的4D-BIM系统、Vicooffice，广联达BIM-5D及鲁班BIM平台等，现主要介绍清华4D-BIM系统在项目中的应用［6］。

3.1 进度管理

进度管理的重点是4D施工模型创建，利用Project创建WBS及进度计划并导入4D-BIM平台，之后整合多个BIM软件模型数据，进行4D模型关联，并集成各种施工信息，从而实现施工模型创建（见图11）。

图11 施工模型创建过程

模型创建之后，通过BIM平台进行施工模拟及进度分析，直观展示顶推施工工艺与施工过程，并将结果输出为报表，便于发现进度计划的问题（见图12）。

图12 施工进度模拟与实际施工对比及分析报表输出

3.2 施工工况管理

工况管理主要是施工过程中工况信息的录入、查询、分析及管理，以及关键工况对应的重点杆件应力的监控（见图13），并可通过4D-BIM平台实现信息共享及公司远程管控。

图13 工况信息查询及杆件受力曲线图

3.3 安全监控管理

通过结构计算确定关键监控点的布置位置，实际施工过程中按此布置应变片，同时BIM模型中也在对应位置设置数据点，并将实测数据录入监控点。通过该点可以查询实际监控值与理论计算值（见图14），可视化的信息模型提高了查询的效率及增强了信息的准确度。

图14 安全监控信息查询

3.4 过程质量信息集成

施工过程中的质量文件（文档、图片），可通过4D-BIM系统与模型关联（见图15），方便信息查询及文件管理。

图15 螺栓施工过程记录查询

4 结束语

目前，国内的BIM应用仍处在应用探索阶段。BIM理论需要与实际现场施工结合，了解现场的实际需求，并在应用中解决实际问题。使BIM应用落地，才能真正发挥BIM的价值［7］。通过本次应用探索，为BIM技术在钢结构桥梁的工厂加工和现场施工提供参考。相信通过进一步应用探索，一定能更好地发挥BIM技术的优势，使之成为推动行业发展的新动力。

［1］ 曹毅. BIM标准的现状及其发展［J］. 科技创新与应用，2013（29）：256.

［2］ 刘献伟，高洪刚，王续胜. 施工领域BIM应用价值和实施思路［J］. 施工技术，2012，41（22）：84-86.

［3］ 彭鹏. 基于详图描述和建筑性能分析的BIM设计流程研究［D］. 武汉：华中科技大学，2010.

［4］ 王珺. BIM理念及BIM软件在建设项目中的应用研究［D］. 成都：西南交通大学，2011.

［5］ 周春波. BIM技术在建筑施工中的应用研究［J］.青岛理工大学学报，2013，34（1）：51-54.

［6］ 洪磊. BIM技术在桥梁工程中的应用研究［D］. 成都：西南交通大学，2012.

［7］ 刘延宏. EBS在铁路工程建设管理中的应用探讨［J］. 中国铁路，2015（7）：62-65.

杜伸云：中国中铁四局集团有限公司管理研究院，工程师，安徽 合肥，230023
方 继：中国中铁四局集团钢结构有限公司，教授级高级工程师，安徽 合肥，230023

责任编辑 苑晓蒙

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