基于BIM技术的128m简支拱桥施工深化设计应用研究

王安东 张学钢 赵乐刚 章 韵

(1.陕西铁路工程职业技术学院，渭南 714000； 2.中铁一局集团第二工程有限公司,唐山 063004)

引言

随着国内建筑信息化渗透率提升和行业自身不断革新的双重驱动力影响，国内建筑信息化行业发展空间十分广阔，基于最先进的三维数字设计和工程软件所构建的“可视化”的BIM建筑信息模型，为设计公司、施工单位乃至最终用户等各环节人员提供“模拟和分析”的科学协作平台，帮助他们利用三维数字模型对项目进行设计、建造及运营管理，最终使整个工程项目在设计、施工和使用等各个阶段都能够有效地实现节省能源、节约成本、降低污染和提高效率。BIM模型的核心不是模型本身(几何信息、可视化信息)，而是存放在其中的专业信息，虽然BIM正向设计作为BIM应用的信息源头[1]，但是又受限于技术的发展和设计人员掌握BIM的程度等因素[2]，正向BIM设计还很难完全指导施工，往往需要施工单位进行深化才能指导现场具体施工。

1 工程概况

牡佳客专由中铁一局集团第二工程有限公司承建，其中跨哈同高速公路特大桥DK349+920.15结构形式为43-32m简支箱梁+4-24m简支箱梁+1-128m简支拱，跨哈同高速公路特大桥的20号墩～21号墩采用1-128m简支拱上跨哈同高速公路，起讫里程为DK349+740.10～DK349+871.30，全长131.2m。本文以128m简支拱桥BIM三维模型深化为切入点，基于设计模型使用Catia软件进行二次深化设计，在施工过程中应用BIM 技术进行图纸审查、三维技术交底和空间坐标复核等。

2 建模设计软件与深化思路

2.1 Catia软件的优势

目前市场上常用于桥梁BIM建模软件有Autodesk、Bentley、Catia、ArchiCAD、Gery Technology Dassauit系列软件。其中，Catia软件自身拥有强大的曲线、曲面和空间结构设计能力，在应对复杂形体和大规模建筑的建模能力、表现能力和信息管理能力方面都比传统软件更有优势，更加直观、详尽地反映桥梁所处的地质地形及其空间几何构造、内部细致构造等，所以被越来越多的人用于桥梁设计阶段的三维建模。

2.2 Catia 软件深化设计思路

首先，根据《牡佳铁路站前专业施工阶段BIM深化设计应用样板计划及相关工作要求》，在原有128m简支拱桥设计模型的基础上，根据图纸对128m简支拱桥的样板模型进行分解、分析，做到准确、细致、真实地反映桥梁结构。对系梁、预应力管道、钢筋、拱脚、贝雷梁、钢支撑、拱圈、吊杆、K撑等三维信息模型分析研究，根据分析样板文件对需要深化部分进行修改深化，以便于深化后指导施工一线落地实施应用，为后续项目信息化管理提供数据保障。

3 三维模型深化设计的实施

3.1 样板模型文件审查

深化设计之前需要仔细审读样板模型文件，结合施工图纸理解，复核模型中的混凝土结构几何尺寸、钢筋数量、拱圈、钢支撑、预应力钢束布置以及普通钢筋布置信息[3]，确定需要进行深化的部分，可使整个二维图纸审查变得更为直观、精确，建模的过程，同时也是一次全面的“三维校审”过程，见图1所示。

图1 128m简支拱桥模型

3.2 拱脚深化设计

作为128m简支拱桥的重点部位，拱脚包含拱脚处钢筋加工及绑扎顺序以及预埋管安装中定位等(见图2)，设计要求N3、N4、N13与钢管管壁相交处截断焊接处理，但是样板文件未做处理[4]，这样对于施工钢筋下料不能起到作用。N3d与预埋管相交，按设计要求需要在相交处断开焊接[5]，样板文件提供的均值，无法用于加工，为便于施工，将其加工成两段L型钢筋，见图3-4所示。

图2 拱脚整体模型

图3 深化设计前 图4 深化设计后

3.3 拱肋深化设计

拱肋采用钢管卷制而成，厂内集中加工制成，由直线管节焊接拼装成8-10m长度，运到现场后在支架上组拼成型。钢管拱主拱肋分13个节段制造，左右各6个节段对称加工，中间设合龙管节。且吊杆深入拱肋，碰撞较多[6]，极不方便施工安装。例如：拱肋深化设计之前吊杆预埋管与拱肋加强板N4、N5碰撞(见图5)，通过优化将加强板沿拱肋轴线向大里程偏移18cm(见图6)，精确地计算偏移间距[7]，并且方便施工。

图5 拱肋深化设计前

图6 拱肋深化设计后

4 深化设计应用

4.1 模型放样提高测量放样精度

128m简支拱桥施工放样精度要求高，异性构件多，测量难度大，Catia软件建立模型后具体提取任意角度，任意剖面，任意点位的坐标(见图7)，从而快速准确的复核设计坐标[8]，进而提高施工放样精度。

图7 拱脚测量数据模型

4.2 三维技术交底提高施工效率

基于BIM技术的施工项目三维技术交底，可通过三维真实再现施工过程，将每个施工细节通过三维软件展现出来，让现场施工技术交底工作变得更加直观[9]，可从各个角度动态观察其构造细节[10]，使工程施工变得更加简单，还能更加有效地将施工技术通过三维模型传递给施工人员[11]，理解工程项目设计者的初衷[12]，极大地提高了项目技术交底的效率和质量。

图8 锚块钢筋种类交底

4.3 施工模拟指导现场施工

施工模拟即通过直观的三维模型动画，辅助工期进度节点来模拟指导复杂的施工过程。首先运用Catia建立模型，然后通过BIM技术提前进行三维施工预演，进行施工前的三维模拟，可以提前了解施工现场情况，科学进行场地布置(见图9)，对施工的工序、进程[13]以及施工时的环境进行真实模拟与分析，为施工方提供数据报告，让施工人员能够更清楚、更透彻地掌握施工流程，减少了施工质量问题、安全问题，减少了返工和整改的次数，提高了施工效率，降低了管理成本[14]。

图9 施工进度模拟

5 总结

基于Catia的设计样板模型深化设计应用研究，不仅通过3D模拟技术、三维碰撞检查等实现了精确化设计，还有效地指导施工现场应用实施，保证项目高效快速地施工[15]，减少施工过程中因返工造成的材料和劳动力浪费，对缩短工期、降低工程造价产生了积极的影响。并且证实了BIM技术深化设计后，应用于施工一线可为企业带来了可观的经济效益，具有较好的应用及推广价值。