BIM技术在桥梁工程施工建设中的应用

闫 创

(中铁二十局集团第五工程有限公司 云南昆明 650200)

1 工程概况

陕西省东庄水利枢纽工程泾河大桥位于淳化县与礼泉县交界处，横跨泾河，上游距泾河水利枢纽坝址约500 m，下游距已建成泾河斜拉桥3.0 km，右岸连接对外交通T型交叉口，左岸与谢家山隧道对接。

泾河大桥为中承式空间Y型钢箱拱桥，结构设计新颖，在国内属于首例。桥梁总长284 m，主梁边、中跨连续设置，墩台及拱上横梁处设竖向支座，跨径布置为(19.5＋220＋19.5)m。吊杆为柔性吊杆，布置间距6 m，共29对，吊杆两端采用钢锚箱分别与主梁、主拱连接，主拱端张拉，主梁端锚固。主梁采用双箱双室π型结构，梁长274.7 m，标准断面顶宽18 m，全宽19 m，观景平台处顶宽36 m，总宽37 m。主副拱及主梁均采用Q420qDNH钢，板厚8～50 mm，采用工厂节段预制，现场拼装施工，全桥工程量约7 000 t，见图1。

图1 主桥模型

泾河大桥具有跨度大、结构复杂、线形控制难度大、空中对接精度要求高、安全风险高等特点，对施工组织管理工作提出更高的要求[1]。

2 施工重难点分析

2.1 桥梁设计位置地势陡峭，地形复杂，施工场地规划难

桥梁横跨泾河两岸，左岸位于淳化县，右岸位于礼泉县境内。桥址区河谷呈“V”型。两岸基岩裸露，山坡陡峻，自然坡度 60°～75°，局部为 75°～85°。在施工场地规划过程中需要对工程周边地形有整体认识，仅靠传统的测量手段及二维图纸难以了解场地全局情况[2]。

2.2 桥梁结构形式新颖，上部拱肋采用缆索吊吊装，施工难度大

泾河大桥为中承式空间“Y”型钢箱拱桥，在平面和立面上均呈“Y”型结构，桥梁结构设计新颖，在国内属于首例。采用单双结合，主、副拱联合受力的新模式，为空间三维曲线拱，桥梁上部拱肋采用缆索吊吊装施工，施工需考虑的影响因素多，施工难度大。需使用BIM技术进行方案论证，以提高方案合理性、可行性[3]。

2.3 桥梁上部结构均为钢结构，拼装变形监测要求高

拱肋吊装节段重量在27～115 t之间，吊装形体大、重量大，对钢结构拼装过程中的变形监测、质量、安全控制要求高。使用BIM＋智能全站仪对吊装过程中节段的姿态、位置、接头对位进行监测，提高拼装精度，采集相关数据，实时指导构件吊装就位，最终控制拱桥线形。

3 BIM技术在桥梁工程中的应用

本项目应用BIM技术，以数据支持的高精度BIM信息模型为基础，开展工程量计算、吊装工序模拟、施工方案规划等基础应用工作，同时结合智能全站仪、无人机倾斜摄影技术探索BIM＋技术在本项目上的应用，通过提高BIM模型信息应用深度进而提高工程施工效率、质量[4]。

3.1 三维模型创建

使用 Bentley系列软件 Microstation、CNCCBIM open roads designer、Open bridge创建精度为LOD400的泾河大桥结构模型、缆索吊模型、塔架模型、施工便道模型等，保证模型格式统一，辅助三维漫游与交底，并可与三维实景模型整合(见图2)，进行钢结构、土方等工程量提取[5]。

图2 BIM模型叠合三维实景模型

3.2 碰撞检测

在Microstation软件中设置碰撞筛查条件，及时发现桥梁结构间的碰撞冲突问题(见图3)。依据发现问题进行设计方案变更，提前规避了设计方案中错误、遗漏等问题，避免影响工作效率、工程质量，确保按期完工[6]。

图3 图纸问题反馈

3.3 BIM电子沙盘

基于BIM施工管理平台，将BIM模型与GIS地理信息集成，制作项目BIM电子沙盘，实现地理场景漫游展示，地理坐标、高程信息查询等。

3.4 工程量提取

基于缆索吊塔架BIM模型，可按照构件、清单快速统计出工程量，辅助现场进行计量工作[7]。依照BIM模型计算的工程量，通过对比图纸量、预算量，可反映现场预算工作的准确性，还可对材料消耗进行分析，辅助进行成本管理。

3.5 缆索吊系统模拟

基于桥址区地质地貌、交通状况，为安装桥梁上部钢结构，特设计修建一套缆索吊装系统。该系统按其工作性质分为4部分:主索、工作索、塔架和锚固装置，其中工作索包括起重索、牵引索、扣索等。主索是缆索吊装系统中的主要承重构件，共3组，每组由8根直径60 mm钢丝绳组成，跨径布置(68＋430＋65)m，空索跨中垂度20.5 m，吊车组最大垂度47 m，最大荷载135 t。起重索采用6根直径26 mm钢丝绳，在每个炮车上设置1根起重索，用于起吊和控制构件升降高度。其一端在主索炮车下的起重滑轮组内缠绕后与吊钩相连接，另一端经塔架顶转向接入右岸卷扬机。牵引索为3根直径30 mm钢丝绳，牵引索一般由炮车向两岸引出，接到两岸的卷扬机上，利用两岸的卷扬机，一侧收紧，另一侧放松，以牵引炮车在主索上往返运动。扣索用于悬挂边跨段拱肋，其一端系于边段拱肋接头附近，另一端通过扣索塔架接入卷扬机，通过收紧卷扬机调整拱肋接头部位标高。在泾河两岸分别设置钢塔架。塔架采用吊塔和扣塔合二为一的构造形式，塔架为3柱门式结构，每根立柱由6根直径为630 mm钢管(壁厚14 mm)组成，钢管立柱之间通过万能杆件连接成整体。在左右两岸设置锚锭作为锚固装置，锚固形式为桩锚，桩基深入基岩8 m。通过BIM技术模拟缆索吊系统塔架拼装及缆索吊运行情况。

3.6 通过模拟，验证吊装方案的安全性、可行性及合理性

本桥钢结构采用工厂节段预制，现场组拼，缆索吊装施工。其中拱肋共38节段，主梁共30节段。现场布设(96×40)m预拼场及存梁场一处，用于工厂制造节段的现场存储及拼装。左岸布设二次吊装平台，用于部分梁段的二次吊装。

左岸预埋段拱座砼等强度期间即可施工桥面支架，采用缆索吊系统安装桥面单拱侧L1至L2及双拱侧L30～L28。拱肋安装采用缆索吊装，两岸对称吊装至跨中合龙的斜拉扣挂法施工，边跨拱肋每节段设置4吊索、2扣索及2道横风缆。吊装就位后采用高强螺栓与已安装拱肋节段连接，张拉扣索，并以相同方式逐段对称架设其他节段，安装拱上横梁，架设横撑。期间根据土建工期安装右岸拱座预埋段；循环安装ZS11B、11B'后，在两拱肋间增设临时风撑一道。

在二拼场完成右岸 ZS6B、ZS7A、ZS7B三段较宽拱肋的拼装，并使用缆索吊转运至左岸支架段桥面临时存放；继续安装拱肋，利用拱上牛腿及吊杆安装L25至L21梁段，循环安装右岸单拱侧拱肋。在左岸双拱侧预设的二次吊装平台上架设扁担梁，用以吊装其他因拱肋安装而无法就位的梁段；完成后从左岸双拱侧吊装ZS6B、ZS7A、ZS7B至右岸进行拼装，随后依次完成其他拱肋节段的安装。测量合龙口长度、标高，确定合龙段长度，选择合适的温度，按照两侧对称循环的顺序进行合龙，依次安装主拱肋、连接肋、副拱肋，待合龙完成后，调整拱肋线形、标高，从拱脚至合龙口依次焊接成型。拱脚拱箱内灌注微膨胀混凝土，达到强度后张拉拱脚预应力，拆除扣索，完成体系转换，见图4。

图4 拱肋缆索吊装方案模拟

待拱座混凝土达到强度后，利用支架安装右岸L3～L5梁段；利用缆索吊将L19、L20梁段从右岸单拱侧吊运至左岸于转换平台扁担梁上放置，将缆索吊吊钩转至扁担梁上，利用扁担梁吊装就位并完成安装。按照相同方法从两侧向跨中依次安装剩余梁段，直至完成合龙。安装桥面梁段的同时依次安装吊杆，最后完成下梁口及加宽段的嵌补。通过调整吊杆索力调整桥面线形，并安装桥面附属设施。

基于BIM模型和三维实景模型模拟从拱肋、主梁存放地到拱肋节段起吊、安装及箱梁吊装一整套施工流程，验证吊装方案的安全性、可行性、合理性，提前发现吊装过程中可能存在的碰撞点，及时调整方案避免延误工期[8]。同时基于视频向现场人员进行技术交底，使用形象的三维模型让施工人员更加直观地理解施工工艺中的具体要求，从而达到提高交底效率、保证施工质量、确保施工安全的目的。

3.7 使用无人机倾斜摄影技术生成地形三维实景模型，辅助施工方案规划

使用搭载五头高精度摄像机的无人机，配合RTK定位仪器，通过增加不同角度镜头，对现场进行附带坐标系统的影像采集，获得同一位置、多个不同角度、高分辨率的数据影像，采集地貌及位置信息，见图5。通过采集的航测数据，在Context Capture倾斜摄影数据处理软件中进行影像预处理、区域联合平差、多视影响匹配等一系列操作后，可以生成质量高、精度高的三维实景模型，从而达到场地测量、土方量计算、模拟施工方案等目的，大大减少了人工测量的时间和成本[9]。

图5 左、右岸拱座开挖模型

3.8 基于三维实景模型的构件运输和施工便道路线规划

施工区域两岸山坡陡峻，既有道路狭窄，填挖方量大，而钢结构吊装节段体积、重量大，运输困难。基于三维实景模型测量路线宽度、测算施工便道填挖方量，结合BIM模型调整k0＋000～k0＋339.029的平、纵断面曲线要素值，使调整区域便道和原有施工便道、设计便道平滑连接。并在衔接处设置三角缓冲区域，便于车辆的避让，降低安全隐患，同时减少挖填土方量，见图6～图7。

图6 构件运输路线模拟

图7 施工便道路线模拟

3.9 土方工程量计算

通过BIM技术应用，可以实现土方工程量计算。先将三维实景模型转换成点云数据及三角网格数据，再按以下步骤进行操作[10]:

(1)通过Bentley Descartes软件对网格数据进行处理，对局部剖面数据进行修订，从而生成三角网格模型。

(2)将三角网格模型导入CNCCBIM open roads designer软件中，形成实体地形模型，在该模型中进行挖填方操作，并直接获取体积、面积、长度等关键信息。

3.10 施工现场智能放样测量

利用智能全站仪测量出吊装构件数据信息，与模型中的数据信息进行核对，可以发现构件与模型间的数据差异，指导技术人员调整构件姿态、位置，便于精确焊接，见图8[11]。本项目主要用于对吊装过程中节段的姿态、位置、接头对位的监测，实时指导构件吊装就位，提高拼装精度[12－13]。

图8 智能全站仪跟踪测量软件输出数据

4 结束语

通过BIM技术的应用，可以直观化、多角度化、精细化地对施工过程进行全方位展示，更好地指导项目施工，为项目提出最佳的优化设计解决方案。通过模拟施工、精确算量，为项目决策层提供可靠的技术依据。通过碰撞检查，减少了由于结构间的碰撞造成的返工及变更，提高施工效率。通过使用无人机倾斜摄影技术和智能全站仪，提高工作效率，降低人力消耗。BIM技术在桥梁工程建设中的综合应用改变了传统工程施工方案和操作模式，促进了建设管理模式随着新的需求向高效、科学的方向转变，推动了BIM技术的发展，促进了行业进步。