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1、BIM 技术在拱桥施工阶段的应用初探 谢松林 王起才 王云天 郭玉柱 兰州交通大学土木工程学院 摘 要： 对 BIM 技术在拱桥施工中的应用进行了初步探索。利用 BIM 设计软件Autodesk-Revit 建立了上承空腹式箱形拱桥的三维可视化模型, 在三维模型的基础上进行了项目工程量的统计和 CAD 出图, 并将模型导入到 Autodesk Navisworks 软件进行了 4D 施工模拟。结果表明, BIM 技术能给拱桥的施工带来巨大的便利, 能大大提高施工水平, 具有在拱桥及其他复杂桥梁的施工中推广应用的价值和广阔的前景。关键词： BIM; 拱桥; 施工; 应用; 研究; 收稿日期：20
2、17-03-29基金：和创新团队发展计划滚动支持项目, 项目编号 IRT_15R29Preliminary Discussions on Application of BIM Technology in Arch Bridge ConstructionXIE Song-lin WANG Qi-cai WANG Yun-tian GUO Yu-zhu School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University; Abstract： The application of BIM technology in arch bridge constru
3、ction is preliminarily discussed.The 3D visualization model of the overhead arch bridge is established by using BIM design software Autodesk-Revit.On the basis of the three-dimensional model, the statistics and CAD plot of the project are carried out, and the model is introduced into Autodesk Navisw
4、orks software to make 4 Dconstruction simulation.The results show that BIM technology can bring great convenience to the construction of arch bridge, which can significantly improve the construction level and have the value and broad prospects for the application of arch bridge and other complex bri
5、dges.Keyword： BIM; arch bridge; construction; application; study; Received： 2017-03-29建筑信息模型 (Building Information Modeling, BIM) 思想由乔治亚理工大学的 Chuck Eastman 教授于 1975 年首先提出1, 随后 Jerry Laiserin 等人2以及 McGraw-Hill 公司等单位又对其概念进行了进一步的定义。2007 年美国颁布了国家 BIM 标准, 并对其进行了较为完整的定义:BIM 是工程项目设施实体和功能特性的数字表达;BIM 是一个共享的知
6、识资源, 在项目全生命周期的不同阶段, 项目的不同参与单位通过在 BIM 模型中插入、提取、更新和修改信息, 以支持和反映各自职责的协同工作3。由于 BIM 具有可视化、协调性、参数化和模拟性等特性, 使得 BIM 技术迅速在工程建设行业中得到了大规模的应用, 被认为是继 CAD 之后工程建设行业的第二次革命。在国外, BIM 技术的研究和应用都比较早, 北美和北欧一些发达国家, 比如美国和挪威, BIM 技术在实际工程中的应用已经达到了 60%70%4。在国内, BIM 技术起步较晚, 但也有不少学者和机构对 BIM 进行了研究, 也在不少的著名工程中应用了 BIM 技术, 比如上海中心大厦
7、和国家游泳中心水立方5。桥梁工程作为土木工程的一个重要分支, 具有结构复杂、体积庞大和施工环境多变的特点, BIM 技术在其中的应用尚处于探索阶段6-8。本文以海东大道三号桥为背景, 对 BIM 技术在拱桥施工阶段中的应用进行了初步探索, 建立了全桥的精细化模型, 对工程量进行了精确统计, 进行了 CAD 出图及 4D 施工模拟。1 工程概况海东大道三号桥, 位于海东大道经三路繁荣北街段, 属于公路拱形桥梁, 桥梁起点桩号为 K3+271.500, 终点桩号为 K3+388.632, 桥梁全长 117m。结构形式为上承空腹式箱形三铰拱, 拱轴线形采用悬链线 (拱轴系数 m=4) , 其立面布置
8、图如图 1 所示。桥涵设计荷载为:汽车荷载城-A 级, 人群荷载:3.0kN/m。桥面宽布置为:4 m (人行道) +14.5m (车行道) +0.5m (防撞护栏) +5m (中央分隔带) +0.5m (防撞护栏) +14.5m (车行道) +8m (人行道) 。在拱圈上设置立墙、腹拱圏及侧墙。主拱圈箱形截面高度 1.2m, 顶底板厚度均为 0.2m。拱上立墙顺桥向厚度 1m, 同样采用箱型截面, 顶底板厚度 0.18m。腹拱圏厚度 0.4m, 腹拱拱脚处均采用铰接的方式与立墙连接, 靠近桥台的一个腹拱采用三铰拱形式。图 1 海东大道三号桥立面 下载原图2 模型的建立2.1 平台的选择BIM
9、 作为一种思想被提出, 在项目的全生命周期中展现了其无与伦比的优越性。为把这种思想应用到实际的工程项目中, 不同的公司开发了不同的软件。目前国际上主流的 BIM 设计软件主要有 Autodesk-Revit 系列、Bentley-Bentley Architecture 系列、GraPhisoft/Nemetschek AG-ArchiCAD 系列和 Tekla Corp.Tekla Strueture, Xsteel。不同的软件又具有不同的特点和优势, 可以根据项目的特点和要求选择不同的平台。由于本项目为城市公路拱形桥梁, 拥有较多不规则的构件, 还考虑到本文主要侧重研究 BIM 技术在桥梁
10、施工阶段的应用, 结合多种 BIM 软件的特点及适用性, 最终选取了 Autodesk-Revit 软件来进行桥梁 BIM 模型的建立。Autodesk-Revit 软件具有参数化程度高、三维模型双向关联和有丰富的材质库等众多特点, 所以在国际国内应用非常广泛。2.2 族库的建立在 BIM 模型中, 整个设计项目便是一个完整数据库, 这个数据库中包含了建筑设计中的所有设计信息, 比如构件实体模型、项目视图和设计图纸。项目实体就是由各种各样的族构成, 构件族中记录了构件实体的几何尺寸、材质和用于热工计算的各种参数;项目中的标高轴网、二维视图标注和设计图纸图框也都是由族来实现, 族中包含了字体大小
11、和线宽这些参数。正是因为有了族的存在, 才使得 BIM 具有强大的生命力。目前 BIM 主要还是在房屋建筑工程中应用, 软件中自带的构件族大多还是针对房屋建筑中的构件, 比如梁和柱, 第三方人员自己建立的族也是主要针对房建, 比如装修中的各种家具。由于本次项目属于箱形截面拱形桥梁, 拥有较多的异形构件, 比如箱形拱圈, 采用软件自带的族难以实现三维模型的建立, 所以先在 Revit 的族编辑器中用不带任何特性的公制常规模型族样板创建项目中要用到的各种族, 然后将族载入到项目文件中, 通过精确的定位, 最终形成可视化的三维模型。在创建族之前应对要用到的各种构件的特点进行分析和分类, 尽量减少族的
12、种类, 以减小工作量和项目文件的大小。下面仅对一些比较复杂的族进行介绍。2.2.1 混凝土模型的建立(1) 桥台族的建立。在本项目中, 桥台设计采用了箱形桥台的形式, 由于要求建模的精细化, 所以族里要用到的参数比较多。考虑本座桥中 4 个桥台具有相似的几何外形, 只是在尺寸上有区别, 所以只需要建立一个桥台族。通过把族中参数按照桥台的具体几何尺寸进行取值便可得到每个桥台的具体模型。箱形桥台模型如图 2 所示。图 2 桥台族 下载原图(2) 主拱圈族的建立。主拱圈采用空腹式箱形截面形式, 拱轴线采用的是悬链线形的拱轴线, 拱轴系数 m=4。由于其拱轴线的线形复杂, 轴线位置难以精确确定, 故在
13、本文中对其拱轴线的线形在精确性允许范围内进行了适当的简化。根据施工工艺将主拱圈共为 4 个施工段和 5 个后浇段, 也要考虑如何在项目中进行精确的定位。和桥台一样只需要建立一个主拱圈族, 采用“拉伸”和“空心放样”工具进行建立, 其模型如图 3 所示。图 3 箱形主拱圈内部构造 下载原图(3) 立墙族的建立。在该桥梁结构中, 立墙有采用箱形结构的, 也有采用实心结构的。对实心截面形式的立墙采用“拉伸”的方法来进行创建, 而箱型截面的立墙采用“拉伸”和“空心放样”的方法来进行建立, 其模型如图 4 所示。图 4 立墙族 下载原图(4) 腹拱圈族的建立。在本座桥梁的施工中, 浇注的立墙达到强度要求
14、后可进行腹拱圏的施工。该腹拱圏为内外径相差 400mm 的拱形结构, 且其拱轴线为规则的曲线线形, 故经过拉伸便可实现族的建立, 腹拱圈模型如图 5 所示。(5) 整体混凝土模型的搭建。在所有的族都建立完成以后, 便可在项目中进行搭建, 最终得到全桥的可视化模型。首先要创建一个项目文件并建立标高和轴网, 然后把之前建立的族全部导入到项目中, 通过对每个构件的参数进行设置并定位到精确的位置, 最终得到全桥模型, 如图 6 所示。图 5 腹拱圈族 下载原图图 6 全桥混凝土模型 下载原图2.2.2 钢筋模型的建立在 Revit 中自带有放置钢筋的工具, 可以对房屋建筑工程中各种常规构件进行配筋,
15、比如梁和柱中钢筋的放置。但是对于桥梁工程来讲, 构件大多属于不规则构件, 其中又以拱桥为甚。本座桥梁拱圈均为曲线线形, 截面为空腹式箱形结构, 钢筋结构造型复杂, 曲线线形不宜控制, 所以和混凝土模型一样, 先建立钢筋族, 然后再放置到项目中。图 7 所示为桩基和承台钢筋模型, 其中螺旋箍筋的建立比较麻烦, 要求钢筋模型螺旋式上升, 还要控制钢筋笼直径和上升的圈数。图 7 桩基和承台钢筋模型 下载原图3 桥梁 BIM 模型的应用3.1 工程量统计对施工单位来说, 在投标的过程中, 必须对业主提供的工程量进行复核, 以确定投标报价和调整投标策略, 在施工过程中, 精确的工程量有利于安排机械台班数
16、量、确定人工投入及合理安排工期, 这些都便于施工的目标控制。BIM 中对构件数据信息的智能化和参数化的设计表达, 使得计算机能自动识别模型中的不同构件, 并根据模型中内嵌的几何物理信息对各种构件进行统计计算。本文利用 Revit 算量功能对全桥混凝土工程量和左幅桥桩基与承台中的钢筋工程量进行了统计, 分别见表 1、表 2。表 1 海东大道三号桥混凝土用量 下载原表 表 2 左幅桥桩基与承台中 1-HRB400-32 和 1a-HRB400-28 钢筋用量统计 下载原表 3.2 CAD 出图在 CAD 中进行设计, 必须在每张图纸每个视图中分别作图, 很容易出现不同的图纸中设计不一致的情况, 当设计需要变更的时候又必须在每张图纸中分别进行修改, 工作相当繁杂且容易出错, 同时图纸的审核也相当麻烦。但是在 BIM模型中进行出图时, 由于模型在各个视图中相互关联, 当在一个视图中对模型中进行了修改, 在
