基于BIM的桥梁施工监控技术应用★

朱 维 香

(浙江广厦建设职业技术大学，浙江 东阳 322100)

0 引言

BIM作为建设行业信息化重要支撑，在建筑行业运用已较普遍，而在交通行业正处于探索阶段。斜拉桥作为高次超静定结构，操作过程复杂，影响参数众多，对线形、内力、位移等控制要求也极其严格[1]。本文以杭州湾大道横江桥梁工程为依托，利用BIM开展施工监控，通过建造过程的可视化模拟使得操作过程更直观、更易发现问题，增强对施工过程的预知能力。通过对施工现场数据的动态采集、分析及反馈，为施工提供更准确、更精细的数据支持，为同类型桥梁施工的监测与控制提供一定的借鉴。

1 工程概况

1.1 工程结构

杭州湾大道横江大桥工程桥梁全长234.4 m，其中主桥为总长171 m的独塔斜拉桥，引桥总长60 m的两跨预应力混凝土连续箱梁桥，主桥宽40.5 m，引桥桥宽36.5 m，主桥通航净空为30 m×2.5 m。主桥为空间双索面交叉拱独塔斜拉桥，共设13对钢绞线拉索，主梁为预应力混凝土箱梁。本桥独特之处在于主塔由两个独立的倾斜曲线拱组成，主跨及边跨斜拉索分别拉在两个拱上，形成相对独立的无备索拱塔，具体见表1，图1。

表1 杭州湾大道横江大桥结构组成

1.2 施工工艺

主桥采用支架现浇施工。主梁全长171 m，分为8个施工节段；施工完成承台及墩柱后，搭设支架，预压后，从边跨向主跨侧在支架上浇筑主梁节段，并逐段张拉预应力钢束，直至完成8个施工节段循环。主塔大拱塔划分为17个节段，小拱塔划分为15个节段，同时采用节段对称吊装施工，现场焊接，直至拱顶合龙；张拉大小拱塔之间的临时连接索，由塔底向塔顶依次分节段灌注微膨胀混凝土。待塔内混凝土强度达到设计强度的90%时，大小拱塔同时左右对称张拉斜拉索，斜拉索张拉从塔根由下至上。斜拉索全部张拉结束后，拆除主塔临时连接拉索、支架、主梁现浇支架及塔吊，再是二期桥面布置，最后验收。

2 施工监控方法及内容

2.1 自适应控制法

近年来，桥梁的施工控制越来越被工程界重视，提出了多种监控方法。根据对误差处理方法不同，主要有开环控制、反馈控制、自适应控制等方法[2]。本桥为较新颖的交叉拱独塔斜拉桥结构，无论是计算还是施工都存在很高的要求，技术含量较高，综合考虑本工程选用自适应控制法。

自适应控制方法主要是通过在施工现场获得实测数据进行关键参数识别，然后对结构分析模型进行误差修正，是一个预告→施工→量测→计算→参数识别→分析→修正→预告的循环过程。通过几个工况反复识别，计算模型与实际结构基本一致，从而达到对施工状态更好的控制，为后续高精度监控奠定基础。控制原理见图2。

2.2 施工监测内容

本桥施工过程复杂，为了防止不利受力情况出现，准确的主塔节段定位、合理的索力和合理的主塔主梁合龙工艺非常重要，需要采取严格措施，如控制主塔节段定位坐标、主塔混凝土浇筑时间、主梁混凝土浇筑方量误差、预应力钢束张拉、施工荷载的堆放、控制施工步骤和工况、施工工艺以及增加高程测量和索力测量次数，并限制其主塔两侧不对称性等。

本桥施工主要监测内容有主桥监测、定位侧移沉降监测、钢锚箱的应变—应力测量、斜拉索索力测试、现场混凝土试验等几大方面。主桥监测主要内容有：1)钢混组合交叉曲线拱主塔监测。主要有主塔钢节段施工定位控制监测、主塔塔顶侧移的工况监测、索塔钢结构应力—应变监测、测点的温度测量、气温记录等。2)预应力混凝土主梁监测。主要有主梁全线标高的测量、主梁关键截面应力—应变的监测、主梁斜拉索锚管空间空位控制、横梁监测等。3)钢绞线斜拉索监测。主要对斜拉索索力进行监测。4)主桥基础监测。主要是对沉降和变形开展监测。5)混凝土材料性能监测。在桥梁施工过程中，对主塔C40与主梁C50的实际抗压强度、抗压弹性模量及主梁C50的抗弯弹性模量等进行混凝土材料试验。6)预应力钢束损失参数的验证。通过实际有效永存应力现场试验，验证设计参数正确性。7)混凝土裂缝检查。每个节段施工完成后对主桥结构进行关键重点部位的裂缝普查，对出现的裂缝进行长期监测，防止和避免裂缝出现引起意外问题。

2.3 施工监测点布置

根据监测内容，开展施工监测测点布置，主要有主塔定位及变形监测点、主桥变形测点、主桥沉降监测点、主梁主塔结构应力及温度场监测点、斜拉索索力监测点等方面。其中主塔施工定位及变形监测点布置见图3。

本桥拱塔采用钢节段现场焊接拼装工艺，大拱塔分17个节段，小拱塔分为15个节段，各包括一个合龙段。每个待拼装钢节段设置4个空间坐标监测点，每个已拼装钢主塔设置2个空间坐标监测点，施工过程中主要监测每个塔柱J节段的空间坐标定位及已拼装主塔节段的位移。主塔封顶后监测各节段的2个坐标监测点，并在塔顶设置2个全站仪观测棱镜，观测塔顶三维变形。施工中应注意测点的保护，测量数据应保持连续性，测量时间应符合监控要求。

3 施工监控BIM应用

斜拉桥施工控制BIM应用流程中信息获取是其控制管理的基础和关键阶段，信息分析阶段可利用BIM技术进行可视化的对比分析，然后是进行施工控制评价，最后是对信息进行集成管理，BIM应用实施流程详见图4。

3.1 施工模拟

本工程施工模拟主要是可视化模拟及有限元模拟两方面。通过BIM呈现动态可视化模拟，分析工序及资源配置等可行性，处理模拟中出现的问题，提前排除危险，优化方案。同时，BIM模型是一个数据集成体，通过相关插件转化成有限元模型，进行施工监测分析，减少重复劳动。

3.2 施工监测

建立构件监测传感器信息智能化采集系统，结合三维激光扫描、GIS测量等自动化量测技术，将桥梁施工现场线形测量数据进行实时获取并集成到施工监控BIM应用系统平台，项目管理人员可通过手机等获取BIM平台信息，精准掌握构件的线形及内力状态，实现数据实时动态显示[3]。

3.3 数据可视化分析及反馈

在BIM模型中将施工现场监测数据及有限元模拟的理论数据以应力、变形“云图”的样式呈现，达到监控数据可视化分析及评价[3]。结合环境等因素，偏差对比分析，自动纠偏，取得关键指标，再下达后续指令，达成全过程监控；若应力变形超过误差界限，则自动预警，暂停动工，调整方案。

3.4 信息协同管理

施工监控BIM应用系统是相关单位协同管理的基础，各单位的相关数据资料都集成于BIM中。在施工监控过程中，信息发生变更，可实时进行信息变更，并及时通知项目各参与方，实现信息协同管理。

4 施工监控结果分析

本桥的施工步骤较多，工艺复杂，影响结构误差因素也多，需在每个节段给出指令进行施工指导，对实测数据误差分析并进行动态调整等。其中主塔由MS1号张拉至MS13号过程中其根部应力数据见表2。

表2 MS1号张拉至MS13号过程中主塔根部应力数据 MPa

主塔在混凝土灌注过程中大小塔柱塔顶测点X向面内位移坐标变化部分结果见图5。

从实测值与理论值的对比的图、表可知，主塔在斜拉索张拉过程中结构稳定，结构的理论变形及应力变化与实测值数据基本吻合。施工工序应按监控工序进行，现场斜拉索按超张拉5%，施工中应注意多次检查主塔塔根索外侧混凝土。

5 结语

在杭州湾大道横江大桥施工过程中，按照自适应控制法进行施工监测，运用BIM技术进行桥梁施工全过程控制，实现施工可视化模拟及信息协同管理，为施工监控提供更准确、更精细的数据支持及协作平台，最终大桥施工顺利完成既定目标。