正向三维设计技术在长安大桥施工中的应用

(1. 北京城建道桥建设集团有限公司，北京 100124； 2. 北京公联公路联络线有限责任公司，北京 100036)

目前BIM技术已广泛地应用于工程建设中，尤其是在异形结构建筑中发挥了极其重要的作用。但正向三维建模及施工阶段的三维设计的应用并不广泛，传统建筑翻模不足以支撑异形复杂结构建造中的BIM技术的实施应用。长安大桥工程大量运用了非一致曲率曲线形成的空间弯扭钢塔以及变截面钢梁，给工程建造带来了巨大的挑战。本工程施工阶段运用三维设计技术，实现了结合BIM技术的高效施工深化，实现了全过程地数字化建造。本文通过对长安大桥施工中三维设计的应用实例的介绍，以期为类似工程提供借鉴[1-3]。

1 工程概况

长安大桥又名长安街西延跨永定河特大桥，是长安街西延项目的标志工程，设计意向为“合力之门”(见图1所示)。主桥跨越西六环、莲石湖公园、永定河、丰沙铁路，与永定河斜交57.4°，主桥全长639m，主跨280m，钢梁最宽处为54.9m，为大横梁连接的分离式钢箱结构。钢塔为迈步空间非一致倾斜的椭圆拱形结构，最大塔高(高塔)为124.26m，断面尺寸为15m×15m至4.6m×3.3m渐变。

图1 长安街西延长安大桥效果图

2 基于BIM 技术建立钢结构安装及检验控制技术与系统

2.1 基于BIM的空间钢结构预拼装理论与技术

项目基于BIM技术，通过施工正向建模在设计模型基础上进行施工深化模型的建立，建立空间钢结构参数化拼装BIM标准构件模型和预拼装BIM模型以及辅助构筑物模型，形成不同的施工工艺的空间钢结构BIM模型数据库[4-5]；结合IT技术，对设计模型与实体构件模型进行对比，研究模型比对中坐标系的转换和控制点的设置等问题，分析结构接口间隙与错边量误差，修正设计理论BIM模型，得到可用于预拼装的包含加工实体精确数据的施工BIM模型；同时引入蒙特卡罗随机理论，对结构的参数进行统计和归纳，研究空间钢结构关键参数的概率分布类型和数字特征，建立基于BIM的空间钢结构预拼装可靠性评估模型[6-7]；综合以上成果，建立基于BIM的空间钢结构预拼装理论，形成可用于工程应用的成套预拼装技术[8]。

2.2 实现空间钢结构安装过程时变分析与仿真技术

基于正向三维施工深化设计的成果，采用有限元分析方法，对钢结构安装全过程、拼装节点及特殊受力点等关键点处的内力分布规律、受力机理及相关参数的影响进行分析；在此基础上，形成全面反映钢结构性态随时间演化的模型库，结合仿真分析与模拟，得到最优的仿真模拟方案，对空间钢结构安装全过程进行时变分析，形成合理的时变分析方法；基于BIM可靠性评估模型，进行空间钢结构安装过程的时变可靠性能分析，建立以承载力、变形和安装误差等多种指标下的失效模式方程，分析钢结构安装过程的失效机理和可靠性，构建基于结构失效概率和可靠度指标的安全判断准则和评估分级；通过空间钢结构安装过程中的偏差统计，建立相应的空间钢结构误差预调标准，从而修正已有待安装BIM钢构件模型，建立基于BIM的空间钢结构安装全过程的动态跟踪控制体系及仿真分析系统。

3 基于三维设计与BIM技术的解决项目建造难点的应用

(1)针对塔梁、墩固结处的塔梁结合区锚拉杆安装精度高，大型构件就位难度大以及超大承压板薄层后注浆质量要求高的难题，项目基于三维设计建立工程施工三维模型，采用BIM模拟技术[9]、孔组误差理论、仿真分析技术等手段制定解决工艺。

1)根据设计模型与BIM工具进行安装模拟，分析塔梁墩固结处就位的影响因素，采用群孔误差理论分析，确定锚拉杆加工、安装、承压板开孔的误差要求，根据误差要求进行有限元分析设计锚拉杆定位架并进行确保定位架刚度与强度，为方便施工设计新式组合定位架体系，对定位板采用精密加工，确保锚拉杆安装位置偏差符合要求；

2)对于大型构件就位难题，采用DELMIA对设计模型进行模拟安装，制定切实可行的就位方案，根据设计模型进行吊耳深化设计，并且研制新型激光对准设备确保测量准确性与就位姿态调整精度；

3)对于超大承压板薄层后注浆质量要求高的难题，采用仿真分析与实体试验相结合的方式进行解决。根据设计模型与设计要求，采用CATIA与专业流体分析方法对注浆过程进行仿真分析，并设计分节段的实体注浆试验对仿真分析结果进行验证，最终实现理论分析与实体试验的吻合，根据分析与试验结果制定施工方案。

(2)针对非一致曲率曲面高强度板单元高精度加工的难题，通过对设计模型的深化设计与数字化加工结合，并通过实体试验进行验证总结的方式进行研究。

1)使用CATIA对设计模型进行深化设计，对非一致曲率曲面板单元进行精确展开指导加工下料、合理布置板单元成型控制点从理论上确保加工精度；

2)根据理论分析结果，制定实体加工试验加板单元试验件，对加工的试验件进行检验，最终实现理论分析与实体试验的吻合，根据分析与试验结果制定加工方案。

(3)针对空间弯扭钢塔节段安装过程中吊装位形、节段就位、支架体系变形与索塔变形的精确调整与控制的难题。

1)采用BIM模拟技术安装模拟技术模拟吊装过程，确定钢节段吊装理论位形，应用研发的新型吊索具对实际吊装中节段的位形进行精确控制，确保安装过程中吊装位形；

2)利用“生死单元”有限元计算方法，对安装过程中索塔与支架体系的协调变形与受力进行分析，并通过多种校核方法复核结果，确保分析结果与实际工况相符合[10]；

3)根据理论分析结果，采用“正拆倒装法”确定索塔安装过程中的预抛高值，使用预抛高的方法实现索塔变形的精确调整与控制。

4 三维设计建模在长安大桥应用中的问题和经验总结

(1)三维设计建模容易出现的误区

1)只能有了全部图纸才能建模；

2)建模只是将图纸的二维信息转化成三维模型；

3)建模应该一次性全精度建模；

4)模型的几何外表就是模型质量；

5)软件什么都能实现。

(2)容易出现错误的地方

1)建模使用的软件版本、数据交互格式以及交互规则；

2)建模的结构树的划分原则；

3)将所有相关的模型绘制到一个文件中；

4)在建复杂模型时，所有内容均使用的原本软件定义的颜色；

5)在建复杂模型时，不注重模型的命名方式。

(3)应对办法

1)建模应该一定图纸的前提即可开始对现有图纸进行确认问题，这样可以及时更正图纸问题，一般按图纸类型进行分类建模，先修改单类图纸中的问题，再纠正综合各专业图纸的问题比较合理；

2)建模类似一种图纸审核的手段，可以提高新员工的图纸的理解，同时更加利于图纸问题的说明；

3)建模应该结合项目情况，分梯度进行建模，这样不至于图纸更新后大面积的带来模型重复制作的情况；

4)模型的质量应该分为层级架构、几何精度、属性信息以及是否方便查找检索等方便。

(4)软件是基于实践的产物，基于当前硬件以及应用环境的考量，必然有一定的适用范围

1)建模使用的软件版本、数据交互格式以及交互规则应当在建模之初尽量确定下来，过程尽量减少变更，降低交互的门槛；

2)建模的结构树的划分原则应当充分考虑分部分项以及施工工艺顺序；

3)将所有相关的模型绘制到一个文件中是一般高效的建模方式，带来的问题就是建模可能模型数据量过大，对硬件要求过高，且后续可修改时繁琐程度增加，应当在建模时考虑模型后续的应用环境后规范下来，提高模型的使用效率；

4)在建复杂模型时，颜色过滤是一个常用的手段。可以根据规则编制相应颜色应用标准，来提高模型辨识程度和过滤效率；

5)通过建立相应的建模命名规范，提高模型的可读性。

5 结语

随着中国城市化进程的加快和经济的迅速发展，未来大型场馆、交通枢纽、工业厂房以及商务高层建筑的投资将不断加速，中国钢结构的市场规模还将稳步增长，以及BIM技术的广泛应用如何有效地提高BIM技术应用的水平成为从业者的目标。由三维模型设计技术引出的建筑模型正向建模就是完成BIM技术应用水平提升的基础，数字仿真技术及三维扫描技术、数字模拟三维扫描虚拟预拼装技术等BIM技术的进一步的深度应用，都将以正向工程建模为基础它对于BIM技术应用的升级有着十分巨大的意义。

本文以长安大桥项目通过此次实践有效地提高了项目团队的BIM技术的应用水平。从实际需求出发展开的BIM技术应用实践，取得了良好的应用效果，不仅优化降低了施工成本，同时为工程的建造节省了资源、缩短了工期、创造了可观的社会价值。