连续梁BIM 建模应用

陈潘峰CHEN Pan-feng

（中铁建大桥工程局集团第五工程局有限公司，成都610000）

0 引言

从工业革命开始至今，人类就在不断追求生产技术的进步。随着我国对高铁基建大量的投资，提出了技术与管理精细化的需求，以达到施工效率高、投资成本低和质量可靠的目标。BIM 技术的提出使建筑业在前期规划、设计、施工和运维阶段实现了信息化管理，提高了造价估算准确性、缩短了工期、优化了施工流程、增加经济效益[1-2]。

由于BIM 技术的优势，住建部发布了《关于推进建筑信息模型应用的指导意见的通知》[3]。目前BIM 技术形成的研究成果和实践经验，使得工程建筑领域出现了“无BIM 不工程”的说法，为整个工程建筑领域的发展增加了活力。就铁路桥梁工程而言，国家重大基础建设中桥梁的数量年增幅较大，其工程造价占比10～20%[4-5]。BIM 技术的应用加强了桥梁施工与管理信息化，有利于我国桥梁行业实现转型升级和高效发展[6]。

本文针对连续梁设计和施工过程，探究BIM 技术的优越性和实施的必要性，为推动BIM 技术在铁路桥梁工程的大范围应用具有实践指导意义。

1 工程概况

本论文以某工程项目高铁客运专线连续梁为研究对象，梁全长177.5m，该桥如图1 所示。施工方法采用挂篮悬臂浇筑施工。

该连续梁施工采用悬臂灌注法施工方案，该桥墩顶梁段采用墩顶灌注，而其余各梁段采用活动挂篮悬臂灌注方案施工，挂篮及附属设备重不得大于100t，挂篮应同步对称移动，位移差不得大于30cm；移动速度不宜大于10cm/min。悬臂灌注时最大不平衡重不大于20t。

悬臂施工时，各中墩采取临时锚固措施，其承受中支点处最大竖向力为77376kN，承受弯矩为117121kNm。临时固结构造图仅供施工单位参考，施工单位也可采用其他构造形式。

本连续梁采用纵横向预应力体系，钢筋管道布置比较密集，较易发生管道与钢筋干涉的情况。施工过程基于先普通钢筋，后横向预应力筋原则进行调整，避免预应力管道变动。采用定位钢筋固定的钢索管道，要保证管道、锚具垫板、喇叭口及波纹管的位置正确。

为提高结构耐久性，混凝土耐久性指标应和施工工艺应符合相关技术条件。该梁段混凝土强度及弹性模量达到设计值时，各梁段预应力钢索才可以进行张拉，并按要求做若干管道的摩阻试验，再按施工顺序从外到内左右对称张拉。对于管道压浆，按时间节点和要求进行压浆。

2 预应力混凝土连续梁BIM 模型的建立

依据连续梁设计图纸，将预应力连续梁拆分成多个桥梁构件，利用Revit 族对梁体结构和结构钢筋进行三维模型建模。

2.1 构建梁体和桥下结构

采用Revit 软件中拉伸、剪切和布尔运算等方式，建立桩基、承台、墩身进行结构模型。并对各个模型的设计尺寸进行参数化定义，以实现模型几何尺寸的参数化驱动，使得模型得到优化调整。

2.2 各结构钢筋、梁体预应力模型。

连续梁钢筋配置需考虑因素较多，其型号和布置形式较为繁杂，建模过程中将梁结构框架族从不同角度剖切，通过布设钢筋实现钢筋数量、长度等尺寸参数化。同时，钢筋与结构主体相关联，实现动态的数据更新。箱梁为三向预应力结构，依据预应力束的线形、位置、分布规律建立预应力钢绞束模型。

图1 有砟轨道连续梁立面图

3 BIM 在连续梁设计中的应用

基于BIM 技术对连续梁进行三维结构检查，在设计阶早起发现结构缺陷，评估工程量。同时，还能进行结构和钢筋设计的优化，有效避免设计中结构冲突及相互干扰。

3.1 优化混凝土结构设计

连续梁内普通钢筋、预应力钢束、支座预埋件结构交互存在并干扰，基于BIM 技术建立其三维模型能够直观地显示结构间相关关系，并能够指导设计者进行钢筋优化。针对吊篮、检查梯，通过建立的三维模型，较为直观地反应出进人孔设计是否合理。避免了依据经验和二维设计图纸进行排除出现疏漏状况，若后期施工阶段发现问题，将会导致不必要的返工，影响了施工的连续性。

基于BIM 模型提出放射式钢筋布置结构，有效避免了传统钢筋布置与墩顶体系预埋构造干扰严重问题，从设计端解决了现场施工困难、质量难以保证的难题。如图2所示，梁体钢筋、墩顶加强钢筋与墩顶预埋件干扰，使得钢筋施工无法进行。经过优化后，如图3 所示，有效避免了干扰情况的发生。

图2 钢筋优化前模型

3.2 二维出图及工程量设计

基于建立连续梁BIM 模型，可以快速导出工程所需的二维图纸，同时将土建、钢筋、安装等专业的工程量进行批量计算。三维模型一旦发生调整，所需二维图纸也将相应发生改变，达到随时生成施工图的目的，节省了制图成本，提高了设计效率。

图3 钢筋优化后模型

3.3 碰撞检测

针对连续梁施工图而言，普通钢筋、预应力钢筋、预应力管道等，其二维图纸直观暴露在设计中存在的问题，施工过程中常常出现“差、错、漏、碰”等碰撞与干扰问题，造成不必要的设计变更或返工。

采用BIM 可视化技术进行碰撞检查，能够在设计初期发现问题，减少施工阶段的返工现象，有利于连续梁设计质量的提高，避免人力和财力的浪费。

3.4 基于BIM 模型的钢筋自动化加工

现有的钢筋自动化加工是在钢筋翻样基础上，打印成钢筋料单，手动录入到钢筋加工设备，完成钢筋加工。该方式人工成本高、效率低，并且对于复杂构件容易出现钢筋冲突，绑扎时需要二次加工，费时费力。

图4 基于BIM 模型的自动化加工

如图4 所示，基于BIM 模型的钢筋自动化加工，直接从BIM 模型中自动提出钢筋加工数据，进而通过钢筋数据管理云平台，将加工数据分配给加工设备综合信息管理系统进行生成分配。打通了BIM 设计数据由设计阶段到施工阶段的路径。

4 BIM 在连续梁施工中的应用

利用BIM 技术建立的可视化连续梁模型，开展施工模拟，优化施工方案，提高连续梁施工效率。

4.1 建立精细化模型

按照施工工序建立连续梁主体结构、桥墩结构、承台结构、贝雷梁支架及基础、滑道及拖拉系统及球绞精细化模型。BIM 模型所见即所得，施工前找出其碰撞位置，通过视图和表格的形实记录下来并对其进行优化，及时消除隐患，指导现场施工，使施工过程能够顺利进行，并为建立BIM 施工管理平台提供数据支撑。

4.2 施工可视化技术交底

利用BIM 技术根据施工工艺，形成连续梁可视化技术交底。利用其模拟仿真功能，将施工过程进行动态展示，使施工人员能够对承接工程的特点、技术要求、施工方案与安全措施等方面进行直观地理解，以有效地组织施工管理和提高施工质量。同时将不够直观，难以精确表达的构件搭接关系，重要工序等进行动画模拟，以避免接底人与交底内容理解有偏差的问题出现，提高了较低的直观性和精确度。可视化交底能够使施工人员直观快速地理解设计意图和施工方案。

4.3 多方案优化

通常将普通方案采用2D 图纸，空间感在一定程度上受到限制。基于BIM 的三维可视化模型，能够全方位的评估设计和施工。还可以凭借智能的机器算法，完成方案设计。本文BIM 模型中，采用支架现浇的连续梁0#号块，支架采用钢管柱+贝雷梁支架体系，由下至上为钢管柱、砂箱、I45a 顶横梁、贝雷梁、I18 分配梁、方木、模板等组成。应用BIM 可视化技术模拟施工过程，能够确定0#支架及桥墩施工过程中搭建构件的相互关系，同时承台上钢管柱支撑和桥墩内预埋件位置也可以精确定位，并且统计出支架所需材料的工程量。

4.4 预应力钢束空间定位

预应力钢束多成空间三维曲线布置（如图5 所示），根据施工需求通过C#二次开发提供不同截面的预应力钢束空间坐标值，施工队伍基于该坐标值能够精确设置预应力钢束定位钢筋，从而实现施工过程中预应力管道精确定位。

4.5 零号块下料孔设计

根据中国铁路总公司工程管理中心关于推广应用悬臂浇筑连续梁相关施工工艺的指导意见，对施工单位进行三维采用BIM 技术进行三维建模提出更高的要求，以利于优化悬臂浇筑连续梁施工工艺和提升施工管理水平。同时，在BIM 平台能够针对钢筋与预应力管道间隙进行合理优化，能够有利于梁面与底板间竖向振捣通道的形成，使得混凝土浇筑过程中达到较高的密实度。

图5 预应力钢束空间三维曲线布置

采用构建的BIM 模型，能够对施工现场的混泥土下料孔、振捣孔布设方案进行研究，确定优化的布置形式，系统解决了连续梁零号段施工病害多、质量难以控制的难题。

5 结论与建议

BIM 技术的应用，现阶段主要基于二维平面的CAD图纸设计完成后，再翻模为BIM 模型。这种方式的应用可以在一定程度上进行碰撞检测、管线综合、方案对比等多方面、多维度的分析，对连续梁设计正确性、施工合理性和管理高效性得到保障。

基于BIM 技术在设计、施工及管理等方面的优势，为推广其应用深度和和广度，提出以下建议：

①现有BIM 三维设计研究在铁路工程领域已得到了初步的应用成果，BIM 技术在铁路行业的全面应用必将打破固有行业的管理模式，促进铁路行业从设计、施工、运营生命全周期管理；

②BIM 对专业技术、计算机、英语甚至相关工装设备的知识层次要求较高，急需培养复合型技术人才；

③BIM 的研发及应用受限于BIM 相关软件的国产化及专业化，后期应加快推进国内基础交通行业的BIM 软件研发。