BIM技术在立交桥大型构件施工中的运用

刘立扬

上海建工集团工程研究总院 上海 201114

1 项目概述

1.1 工程概况

北虹路立交为上海北横通道西边的起点，由高架主线、8条匝道和1条人非行道桥组成，总长度19 km。

1.2 项目特点

北虹路立交段位于北横通道的起点位置，具有项目体量大、工期紧张、管理难度大的主要特征。

北虹立交与周边环境密切相关，项目上跨现有中环线，沿线小区密集，紧贴商业地块，下部结构又与新泾港河道穿插，工程边界条件复杂。本项目采用装配式结构，混凝土标准构件、大型钢箱梁的加工、运输、吊装环节受到地理条件约束较多，施工段位于人流密集、交通繁忙区域，对安全文明施工及施工区域规划等有了更高的管理要求。

1.3 BIM技术的应用目标

北虹路立交作为大体量的市政工程，其BIM技术实施的目标是贯穿设计、施工、运维全生命周期的运用，在虚拟环境中对项目的复杂节点及工况进行模拟并优化，提高项目建设质量，能在各施工阶段及各工程参与方之间无损传递项目信息并不断累积完善的数据信息基础，达到交付运营单位进行运营维护管理的要求。在工程实施过程中，全面运用BIM技术，在设计方案优化、施工方案模拟、交通组织、管线搬迁、质量及安全缺陷管理等方面为工程实施提供技术支持[1-4]。

2 BIM技术在大型构件施工中的应用

市政工程在施工阶段采用BIM技术的案例较多，参数化建模、施工模拟、协同平台管理等应用对方案实施及优化有着显著的作用。BIM模型作为高度信息集成的三维可视化载体，大型构件的施工模拟能辅助方案决策，规避实际操作中的风险，整体加强项目管理水平。

2.1 大型构件施工模拟应用流程

1）确定建模和施工模拟软件，收集基础数据，如周边交通信息、航道信息、周边地物信息、场地图纸等，结合专项方案制订初步实施计划，形成吊装顺序和时间计划。

2）对施工设备、场布、周边环境等进行建模，将施工进度、场地布置等相关信息关联到模型，建立施工组织模型。

3）根据交通组织模拟、航道运输模拟、有限元结构分析等，调整工序间搭接穿插关系，多方案比对，优化施工工序。

4）参照进度计划安排进行吊装模拟。

5）将模拟结果汇总，对工序、资源、平面布置综合优化，将相关内容更新至模型，并编制模拟分析报告。

2.2 进度计划分析及编制

采用WBS编辑器来进行进度分析的编辑，创建进度计划、WBS及施工段划分，创建WBS与Microsoft Project的双向通道；通过BIM模型，对施工进度进行查询、调整和控制，使计划进度和实际进度既可以用甘特图表示，又可与BIM模型相互关联，以可视化的方式提前呈现施工过程，及时发现其中可能存在的问题，分包、供货商、监理可根据自身情况调整各项工序及其持续时间。在制订完成进度计划后，根据施工任务及节点的先后关系，确定项目施工重要节点及开工、竣工时间，并按施工部署要求，进一步明确进度计划中每个任务的开始时间、持续时间和各任务间的搭接关系。

2.3 基于BIM技术的模型创建与标准制订

北虹路立交有建筑、结构、机电等多个专业模型，主体桥梁结构有2条主线、8条匝道，主体结构预制构件较多，预制构件对分类编码、名称信息及颜色有较高的要求。Revit2014作为核心建模软件，为此建立了一份建模标准，对各专业模型命名、构件工作集以及所需信息进行了统一规范。

北虹路立交段有S主线、N主线2条主线，其下部结构及桥面的标高随着地势有浮动，对建模造成了一定的难度，对于模型精度有较高的要求。我们使用了Tekla和Rhino软件辅助建模，最终导入Revit2014进行模型深化及拆分，对应钢箱梁编号及区段号，根据建模标准及施工图使模型深度达到深化设计模型LOD300的要求（图1）。

图1 S、N主线立交桥区段

2.4 施工组织模型

基于施工组织设计及进度计划的要求来建立施工组织模型，北虹路立交周边包含了建筑物、道路、管线等，还包括机械设备、围挡、电箱等临时设施。参照测绘院提供的地理信息来建立环境模型，根据专项方案来确定设备选型以及施工场布，并将工序安排、场地布置、施工进度等信息与模型关联。同时附加材质贴图，促使施工组织模型的美观性及指导意义的整体提升。

2.5 基于BIM模型开展结构分析

基于有限元计算法来进行结构分析模拟是目前较为普遍的方式，有限元计算能够通过一个关联单元的简单计算来模拟出近似无限个关联单元的近似值，且能够适应复杂形状，在北虹路立交桥的结构分析计算中得到了较好的应用。

通过Midas软件建立结构计算模型或通过Revit模型转换成dxf格式导入Midas，利用公式计算出钢箱梁的最大应力及反力值并用色差图来呈现，控制悬臂施工段的预拱度来测试钢箱梁变形的可能性，提高桥梁耐久性及稳定性，使结构变形在可控范围之内，确保吊装工作能够顺利进行。

2.6 基于BIM技术开展施工方案模拟

跨苏州河钢箱梁安装方案结合了大型构件在陆地吊装及水上吊装的步骤，在北虹路立交桥项目中是十分关键的一环。项目周边环境有中环线、SE、WS、NW、WN现有匝道及多处构筑物围绕，苏州河中航道运输及操作区域有诸多限制，地理位置纵横交错且人车流动频繁，对安全文明施工以及合理化操作有更高的要求，为此我们结合BIM对交通组织及施工措施等进行归整细化，进行多方案比较全面深化专项方案。

2.6.1 施工难点

跨苏州河钢箱梁安装主要有以下2个难点：

1）跨苏州河桥梁均为斜交变高曲线桥，且邻近中环线、长宁路等现状构筑物，受特点及场地条件制约，无法采用转体法、顶推法等方案，并且跨河段梁体超高，运输受限。

2）受苏州河航道等级（6级）及沿线桥梁净空限制，只能选择160 t及以下浮吊作业，施工区域河道宽约50 m，并且施工期间需保证航道宽度≥25 m。

针对以上问题，我们部分采用陆地运输，水中设立临时支架悬臂法施工，最后采用160 t浮吊安装合龙段，浮吊作业期间临时封闭航道，安装结束后浮吊靠岸恢复航道交通。

1）运输能力及路线：陆运构件梁高超过4.2 m的高度方向上下分段，梁宽方向一分为三（箱体＋两侧翼板）；水运构件梁高超过5 m的高度方向上下分段，其中3.5 m及以下的采用平舱船运输，深舱船运输应用于水深超过3.5～5.0 m。

2）设备性能及作业条件：水上160 t浮吊，陆地350 t履带吊。

3）悬臂施工变形控制要求：水上悬臂段长度不超过14 m。

2.6.2 交通组织模拟

交通组织模拟是一种通过BIM模型来反映复杂交通现象的交通分析方法，通过Navisworks软件来模拟人流、车流及不同时间段的变化，获取相应的交通行驶数据，以便对施工时间及道路进行合理划分。

2.6.3 航道运输模拟

跨越苏州河进行船舶运输对航道等级、船舶承载力、行驶区域有着规范要求，通过计算机模拟运输的过程规避风险，为项目实施及安全工作提供了有力的支撑（图2）。

2.6.4 履带吊范围影响分析

钢箱梁吊装范围内构筑物较多，履带吊恐会与周边构筑物发生碰撞，为此对履带吊进行操作范围分析模拟（图3），保证安全操作距离，同时对吊装影响的地面进行了沉降分析。这些措施，作为吊装工作重要的参考依据。

图2 航道运输模拟

图3 履带吊操作范围分析模拟

2.6.5 吊装模拟

通过BIM软件进行交通组织仿真模拟、航道运输模拟、履带吊影响分析模拟等，全面还原现场操作环境，为吊装模拟的可行性打下了坚实的基础。吊装方案模拟采用Navisworks软件进行分析模拟，根据专项方案及进度计划实现，模型与时间轴通过timeliner相互关联，来实现大型构件吊装过程的4D模拟。通过三维动态可视化及时间轴的结合弥补了人们对抽象数据理解的不足。

3 结语

通过BIM技术在北虹路立交大型构件施工中的各项运用，系统展示了大型构件施工过程中的关键步骤，并基于BIM可视化、动态化、有序化的特点，使技术人员能更清晰地理解工艺工序，提升现场的施工效率与技术水平。