浅析桥梁工程中基于BIM工具的钢桥架设仿真应用

■蒋雪芹

（中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300459）

从概念上讲，建筑信息建模（BIM）是指在实际建造建筑物之前，利用成熟的信息技术（IT）在计算机上虚拟建造建筑物，以解决建筑业效率低下等各种问题[1][2]。BIM具有“分别建模、协同设计、综合分析”功能，能很好地与建筑行业的各种专业进行融合，因此得到了快速发展与推广[3][4]。

一、工程概况

某π型钢拱桥，由台风引发的山体滑坡而损坏，因此需要重新建设。建设项目主要包括五个部分：(1)π型钢拱桥，总跨度为175（50±75＋50）米，宽度为 10米；(2)两个4米直径的基坑，深度为10米；(3)两个4米直径的基坑支基，深度为20米；(4)引道挡墙，全长37.5m；(5)岩锚框架梁边坡。该项目于2015年12月开工，2017年8月竣工。钢桥架设需要在施工现场进行一系列工序，包括运输、顺序吊装和安装在工厂制造的桥梁构件。由于现场条件远比工厂复杂，每个过程都非常关键，风险也很高,因此详细的吊装计划对于确保在汛期前成功完成吊装极其重要。

二、钢桥吊装施工仿真流程

结合钢桥典型吊装的特点以及BIM施工模拟技术，提出钢桥吊装施工仿真模拟流程。同时,在该实施流程的基础上，构建钢桥吊装施工仿真模拟系统的技术架构和实施框架模型，并根据实施框架模型建立系统的功能模块模型。整体可分为三个阶段来实施钢桥吊装施工的仿真模拟，如图1所示。

(一)信息收集阶段

此阶段的工作内容是施工仿真模拟相关数据的前期收集处理，包括了实施钢桥吊装工程的设计信息、吊装层的材料和结构信息以及吊装层的施工方案，并使用进度管理软件录入施工方案中的施工进度信息。

(二)施工仿真模型建模设计阶段

这个阶段的主要工作是在上一阶段收集的数据信息基础上，使用建模软件分别建立相应的施工子信息模型，如桥梁子信息模型、桥面吊装层子信息模型和施工机械模型等。

(三)桥面吊装施工仿真模拟阶段

此阶段将建模软件生成的施工子信息模型数据导入到施工模拟软件中，导入施工过程信息后，构建成完整的施工仿真信息模型，便可进行钢桥面铺装4D施工仿真模拟（4D是指3D维度上加上时间维度）。

图1 钢桥吊装施工仿真流程图

三、仿真流程自动冲突检查

钢桥吊装施工仿真流程的自动冲突检查通过Revit Architecture软件来实现，主要包括建模(信息转换)冲突、设计冲突以及部分实际情况无法达到建模条件的那部分冲突，其中设计冲突对实际工程具有重要指导意义[5]。

（一）建模冲突

图1显示了本研究中用于验证项目仿真全部的有效性信息，包括钢桥设计信息、桥面吊装信息和施工方案，使用RevitArchitecture软件转换为三维模型。转换过程中的所有冲突和误解需全部咨询负责设计的结构工程师，以减少冲突发生的次数，在后续模拟过程会进一步反馈相关施工过程信息，通过对建模冲突检查，适当修正相关建模信息，可以自动忽略仿真模拟中的建模错误。

（二）设计冲突

吊装过程设计是吊装方案进行4D仿真的基础，结合起重机的特点，本文提出了一种用于桥梁构件吊装的三维起重机模型。三维模型和桥下地形都集成到另一个工具（Navisworks）中，为桥梁架设制作4D仿真动画，这是Navisworks的一种输出形式，通过这一动画过程可以有效地核实起重过程。每一个钢桥构件都由该起重机在计算机上进行虚拟模型吊装，以直观地检查空间冲突和人工吊装能力。由公路局（业主）、结构工程师、总承包商和起重分包商组成审查委员会对4D模拟提出的问题进行讨论，并对实际吊装工程进行照片记录对比。为了避免返工和提高生产率，应当高度重视仿真过程中出现的所有设计冲突，通过对设计方案进行进一步的调整进而重新进行模拟。

（三）其余冲突

其余冲突是指仿真无法100%地还原实际操作，这时需要由结构工程师仔细审查无法模拟的部分。例如，在本文研究的项目中混凝土桥台设计成桥外车道曲率超高，设计高约25厘米。然而本研究所使用的软体无法模拟钢构件的物理性质，因此最后两个钢构件的标高根据超高设计进行了调整，以满足模拟需求，而实际工程则需要工程师反复仔细查看。

本文研究项目通过对Revit Architecture的自动冲突检查，共发现7个空间冲突，如附表1所示。

四、实际工程中的应用

以本文研究项目为例，最初的吊装计划由经验丰富的工程师进行设计，而吊装过程仿真一般由另外工程师咨询了最初的规划师后制作4D仿真模拟，并提出相关吊装问题，最后由项目组进行评审。吊装程序在虚拟4D模型中进行了检查，并与实际现场的后续工作进行了验证。提升臂过短的问题，起重机SCX 2800，吊臂总长67.05+12.2米，工作半径48米，起重量11.6吨。部件重量11吨。在虚拟模型中，可能会发现提升臂视觉上太短，无法成功提升组件，或者可以在桥台边缘使用起重机AC395成功地提升部件，但是起重机挡住了当前的交通。因此在实际的架桥过程中，使用了两台起重机，其中一台安装了较长的吊臂，以弥补4D模拟中出现的问题。除了使用不同类型的起重机外，模拟结果与实际起重情况相似。

最后将传统的二维提升方案与建议的4D模拟进行了比较。对于传统的起重方案，经验丰富的规划师完全控制起重方案，并将起重过程可视化。或者使用BIM工具，所有信息都可以客观地集成到仿真软件中，并可通过视觉或自动方式反复审查。很明显，4D模拟能够改善传统提升方案的效率低下（见附表2）。

本研究的目的是借由模拟一座钢桥的架设，来验证使用BIM工具的有效性。通过将原始的二维大样图转换为三维模型，并结合架设方案（甘特图），建立钢桥架设的4D仿真模型。安装程序在虚拟4D模型中进行了检查，并与现场的后续工作进行了验证。项目组在审查架设方案时，4D仿真结果显示了钢桥在不同时间点的不同状态，有效地指出了在实际吊装前可能会造成灾难性的空间碰撞，及时对施工现场、设备、吊装步骤进行了必要调整，吊装工作在截止期前顺利完成。

附表1 自动冲突检查发现的七个冲突分析

附表2 常规吊装方案与4D架桥仿真方案比较