基于BIM+FEM的大倾角高塔柱智能建造技术研究

李 正 全， 赵 贵 朋

(中国水利水电第七工程局有限公司 一分局，四川 彭山 620860)

1 概 述

斜拉桥作为大跨径桥梁的一种代表桥型，其优异的跨越能力和独特的景观造型获得许多城市的青睐，异形大倾角高塔柱已成为撑起城市天际线的地标。但大倾角、变截面、施工时的环境影响等造成了其空间定位难、设施预留预埋复杂、线形控制难等施工难题。随着我国基础设施建设的飞速发展，BIM(建筑信息模型)技术在建筑、车站隧道、大型桥梁等建设过程中得到了充分的应用，如在国家速滑馆建设过程中，使用BIM技术对其构件进行精细化编码，提高了施工效率， 缩短了施工工期[1]。在桥梁施工过程中，经常会遇到预制构件过多、施工工艺复杂、人员管理不协调等问题，因此需要对项目施工不断进行优化[2]。而根据BIM三维模型和项目施工信息，可以对施工工序、施工进度、施工安排等进行动态模拟，发现可能出现的问题，从而进行方案的修改与变更[3]。BIM不仅是将简单的数字信息进行集成，其还可以将数字信息进行创新管理与应用[4]。采用BIM技术可以优化施工组织方案与施工工艺，落实质量与安全保障措施，提高沟通、管理、资金等资源配置的效率，节约时间，降低经济成本[5]。阐述了以金堂县韩滩双岛大桥为对象，将BIM技术应用于城市斜拉桥的百米级主塔施工，对桥塔施工的各方面和各进程进行指导，通过爬模的改进以及智能技术的研究与应用，实现主塔机械设备的高效利用、智能化线型控制，确保施工进度满足要求，提升工程项目建设管理信息化水平的过程。

韩滩双岛大桥位于成都市金堂县沱江上游600 m处，主桥全长860 m，主跨430 m，W0、E0主塔结构均为钻石型主塔，塔高137.5 m，下塔柱高12 m，采用闭合多箱室结构。中塔柱按双肢布置，高度为72.5 m，塔柱呈77.593°内倾角，横向中心间距由46.4～14.5 m渐变。中塔柱外轮廓截面尺寸：纵桥向宽度为8.8 m，横桥向宽度为5.5 m。上塔柱按双肢布置，高度为53 m，横向中心间距为14.5 m；上塔柱外轮廓截面尺寸：纵桥向宽度为8.8 m，横桥向宽度为5.5 m。中横梁外部结构尺寸：高度为5 m，横向宽度为6.8 m；内部结构尺寸：高度为3.8 m，横向宽度为5.6 m，采用单箱单室预应力结构。上横梁外部结构尺寸：高度为3.8 m，横向宽度为6.8 m，采用单箱单室预应力结构。桥塔采用C55混凝土。大桥主桥采用半漂浮体系，塔墩固结、塔梁分离，钢箱梁在索塔下横梁和边墩上设置竖向支撑。索塔、桥墩纵向均为滑动支座，索塔处设置纵向阻尼器。索塔横向设置抗风支座用以限制横风位置以及地震响应。

大桥的传力路径为主梁-斜拉索-主塔-基础，其传力路径明确，主塔在其中扮演着重要的角色。风荷载、温度力、地震力等作用对桥塔倾斜具有很大的影响。受相关因素影响及业主要求，大桥施工周期短，主塔空间线形控制难度大，施工安全风险高，钢锚梁安装精度要求高；除此之外，大桥结构复杂，施工环境对工程的进度履约影响大，而传统的施工组织设计在实际应用中缺乏迅速指导施工组织优化方向的优势。因此，研究如何通过信息化手段、结合有限元分析实现对类似大型复杂结构的精准控制成为采用BIM技术的必然。

2 基于BIM+FEM的大倾角高塔柱智能建造技术

目前国内外常用的BIM建模软件平台众多，各个设计单位与施工单位所使用的软件亦不相同。用于桥梁工程方面的BIM软件主要包括美国的Autodesk平台与Bently平台，法国的Dassault平台，芬兰的Tekla平台，中国上海的鲁班 BIM 系列软件及其平台。项目部经细致调研比较后，最终决定以CATIA软件为主，通过Digital-link矩阵将FEM分析结果录入数据库，建立带数据中台的BIM模型。该数据中台除包括设计状态、施工预期状态外，还将现场测试数据及时录入并建立评价模型以便为结构状态的实时评估提供决策。介绍了具体的研究与应用过程。

2.1 塔柱形体及变形控制技术研究

采用BIM技术模拟主塔施工过程，可以加载各类设备的预留预埋，提前预测偏心偏距以及设备附着安装是否存在干扰等。为做好线性控制工作，从建好的BIM模型中抓取了各点模拟主塔施工过程的施工坐标系坐标，从而实现了BIM模型任意坐标系坐标向施工坐标系坐标的转换；同时提取了主塔模型坐标用以指导现场模板安装，从而有效控制了主塔线型。如图1所示提取了模型坐标，有效避免了人工计算产生的误差。控制点坐标见图1。通过BIM模拟确定主动横撑安装位置，抵消了中塔柱内倾带来的偏心力，从而确保了主塔线型与设计要求的一致。研发出一种索塔横梁混凝土分区浇筑装置，引进了塔式布料机，从而大大减少了劳动强度。将最终的主塔成型线型数据与设计线型数据进行对比得知：其垂直度低于30 mm(塔柱高度/3 000)，表明主塔线型控制良好。

图1 控制点坐标示意图

2.2 大节段爬模施工技术研究

该桥采用6 m长大节段爬模施工。而在大斜度主塔采用大节段爬模施工尚无成熟的经验可以借鉴。传统的液压爬模一般按高度4.5 m进行分节，其施工周期长，满足不了该工程的工期要求。根据项目建设工期要求以及经济性考虑，项目部研究决定采用6 m分节施工。而在如此大斜率的塔柱上采用大节段爬模，对爬模的刚度和变形要求更高，爬模导轨的变形更加难以控制，模板面板变形的控制难度大，中横梁处爬模变截面自动爬升实施难度大，爬模中塔柱部位爬升过程中爬升不同步，安全风险较大。同时，如何保证爬模同步爬升，解决爬升导轨变形、模板面板变形以及中横梁处爬模变截面自动爬升等问题成为此次研究的重难点。

由于爬模采取6 m分段且中塔柱部位为斜爬施工，不同塔柱面爬架的重量及角度均不同，爬升过程中受力状态复杂且其均靠导轨作为支撑，爬模施工过程中的安全风险较大。为降低液压爬模施工的安全风险，在液压爬模施工前，运用BIM+有限元分析爬模的施工过程，在有限元建模时荷载为侧模及爬架的自重，轨道采用板单元模拟，挡块采用实体单元，此时导轨的危险工况出现在爬升机构作用在导轨中部时，因此可以得出原设计方案中的9 m爬模导轨不能满足现场施工需要、变形过大的结论，需要增加导轨并采取相应措施进行加固。爬模设计情况见图2。

图2 爬模设计图

BIM+有限元分析爬模导轨模型见图3。通过BIM+有限元提前对爬模导轨危险工况进行分析研究，提前规避了爬模使用过程中因导轨变形造成的安全风险，研发出一种爬模导轨加固装置，有效保证了爬模施工安全。由于中塔柱部位塔柱的向内倾角达77.6°，爬模为斜向爬升，爬升过程中塔柱的四个面需保持平行同步爬升，否则将会导致爬升不同步，安全风险大。经对所出现的问题进行分析并得出爬升不同步是由于四个面爬架受力不同、供油系统供油不足而导致爬升不同步的结论。为解决该风险，在四个塔柱面增加了分油阀，当个别面爬架出现爬升过快时，通过调节分油阀控制油压、减缓爬升速度，取得了四个面同步爬升的效果。

图3 BIM+有限元分析爬模导轨模型图

此外，项目部还研发了液压爬模锁定装置、防止混凝土错台的模板锁定装置以及一种简易模板拉杆等多项专利技术，充分保障了主塔成型质量及施工安全，确保了施工进度满足要求，施工质量达到设计标准。

2.3 基于BIM仿真技术实施主塔防碰撞检查

该桥主塔预埋件包含施工电梯、泵管、爬模、横撑、索导管、塔吊附着件、景观照明等，其数量多且安装位置复杂；同时，主塔本身钢筋网密集，尤其是预应力锚固区牛腿及预应力筋纵横交织，各构件之间极易发生碰撞和遗漏。以施工电梯为例，若电梯预埋件与爬模预埋件发生碰撞，将导致施工电梯无法继续使用，整个项目将面临停工。

通过运用BIM仿真技术，可以提前发现主塔各构件之间的碰撞，从而为主塔施工辅助体系的平面布置提供依据，提前做好策划，调整钢筋与预埋件的位置，有效保证了现场施工进度与施工质量。内部构件布置情况见图4，主塔BIM仿真干涉碰撞检查情况见图5。

图4 内部构件布置图

图5 主塔BIM仿真干涉碰撞检查示意图

2.4 钢锚梁高精度定位技术研究

钢锚梁施工主要存在以下问题：预应力锚固区钢筋密集，预埋件多，易发生碰撞而影响到钢锚梁的安装；索塔内空间狭窄，钢锚梁与内壁的间隙仅为5 mm左右，无法实现在塔柱混凝土浇筑完毕再安装整体式钢锚梁的要求；而传统分段式钢锚梁安装需采用两台起重设备精准吊装、连接，安装难度极大，施工成本高；塔内操作空间狭小，无可供施工的作业平台，安全风险高，精调困难。

通过BIM仿真技术以及所研发出的一种斜拉桥整体式钢锚梁及其施工方法和一种钢锚梁安装及精调辅助操作平台，大大简化了施工工艺，节省了人力及工期，实现了钢锚梁精确快速定位，提升了塔内施工的安全系数及钢锚梁的安装精度，施工质量得到了有效保证；同时，钢锚梁的精确安装定位为斜拉索后期一次张拉调整到位奠定了坚实的基础。钢锚梁BIM模型见图6。

图6 钢锚梁BIM模型示意图

3 结 语

通过采用BIM+FEM技术在韩滩双岛大桥项目施工技术、进度、质量管理等方面进行的探索与应用，实现了桥塔施工过程动态模拟控制、设计的校核、精细化核算、模板系统架设等重难点施工工艺的仿真；借助 BIM 技术协同了碰撞、空间定位、多关系预演、复杂空间立模定位，保障了大桥混凝土浇筑质量和锚梁安装精度，解决了施工中的诸多难点，优化了施工方案，依据可视化模型为施工人员直观地展示出桥梁施工过程并用于指导现场施工。BIM+FEM技术的运用使韩滩双岛大桥大大缩短了塔柱施工工期，节约了施工成本，保证了项目能够顺利高效的进行，取得了良好的应用效果, 所取得的经验对BIM技术在其余大型桥梁中的研究与应用具有重要的参考价值。