【BIM技術(shù)應(yīng)用】長安大橋系列設(shè)計(jì)

概述：長安大橋最大特點(diǎn)之一就是塔柱壁板的超常規(guī)扭曲面造型，這使得傳統(tǒng)的二維平面設(shè)計(jì)手段無法完成該橋塔柱的設(shè)計(jì)。同時(shí)大橋還存在諸如局部節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜、需要局部分析的細(xì)節(jié)構(gòu)造多、制造及架設(shè)難度大、精度管控難等諸多難題。通過引入BIM技術(shù)，協(xié)同設(shè)計(jì)管理，使大橋在設(shè)計(jì)、制造及施工等各個(gè)環(huán)節(jié)的難題都得到了有效的解決。

1、項(xiàng)目概況

長安大橋（圖1，單位：m）斜跨永定河蓮石湖區(qū)，斜交角度約57°，大橋主橋主跨280m，主梁變寬變高，橋梁標(biāo)準(zhǔn)段寬度為47m，最寬位置約54.9m。由于大橋與河道斜交，為滿足行洪要求，主塔塔肢根部在順橋向有25m“邁步”，使主塔變?yōu)閮A斜不對稱扭轉(zhuǎn)變截面鋼箱拱形塔柱。

圖1 長安大橋方案模型

2、 BIM技術(shù)在長安大橋中的應(yīng)用

2.1 概念設(shè)計(jì)階段

在概念設(shè)計(jì)階段，建筑師采用Rhino（犀牛）軟件進(jìn)行橋梁景觀設(shè)計(jì)。建筑師利用三維模型進(jìn)行場地環(huán)境分析、光學(xué)分析、夜景照明分析等優(yōu)化橋梁景觀方案，實(shí)現(xiàn)大橋景觀與環(huán)境的融合統(tǒng)一。

2.2設(shè)計(jì)階段

橋梁方案確定后，設(shè)計(jì)階段選擇了具有強(qiáng)大曲面功能的CATIA平臺完成細(xì)化設(shè)計(jì)工作。

長安大橋在設(shè)計(jì)階段的主要技術(shù)應(yīng)用點(diǎn)如下：

1）協(xié)同設(shè)計(jì)

長安大橋全橋骨架如圖2所示。

圖2 長安大橋“骨架”模型

通過協(xié)同設(shè)計(jì)很好的解決了結(jié)構(gòu)上的同步設(shè)計(jì)問題，提升了整體設(shè)計(jì)水平，降低了實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)。

2）參數(shù)化設(shè)計(jì)

長安大橋在設(shè)計(jì)過程中對一些使用頻率高，比較特殊的參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)置，如板厚、加勁肋高度、孔的尺寸等，方便了后期的調(diào)整修改。

圖3 高塔參數(shù)

3）模板的使用

長安大橋設(shè)計(jì)過程中也建立了一些通用性較強(qiáng)的模板資源，如拉索錨區(qū)模板、壁板加勁肋模板、橫隔板模板、塔內(nèi)爬梯模板、塔內(nèi)維護(hù)結(jié)構(gòu)模板、塔柱密封門模板等，提高了建模效率。

4）協(xié)同仿真分析

長安大橋由于塔柱截面的扭曲變化，橋梁整體計(jì)算時(shí)的截面建模工作量非常大。借助BIM三維模型的優(yōu)勢，能有效提升局部計(jì)算模型的建模效率與分析精度。

圖4為塔柱錨區(qū)的局部實(shí)體單元有限元分析模型。

圖4 錨區(qū)局部有限元模型

5）碰撞檢查

碰撞檢查是BIM技術(shù)中的一項(xiàng)比較特殊且實(shí)用的功能，對結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)檢查意義重大，是三維模型校審的一個(gè)有力工具。通過碰撞檢查可以比較容易發(fā)現(xiàn)相關(guān)問題所在，可以有效地消除施工期間由于結(jié)構(gòu)沖突產(chǎn)生的變更，使施工工期更為可控。

表1給出了高塔右柱錨區(qū)與壁板加勁肋在設(shè)置間隙小于50mm時(shí)的碰撞檢查間隙報(bào)告，通過檢查報(bào)告可以快速獲得板件間的碰撞及間隙參數(shù)。

表1 高塔右柱錨區(qū)與翼緣板加勁肋間隙報(bào)告

6）二維圖紙的轉(zhuǎn)化

通過CATIA平臺曲面展開功能將大橋塔柱扭曲面轉(zhuǎn)化為二維平面圖，準(zhǔn)確表達(dá)出扭曲板件的平面幾何尺寸，從而指導(dǎo)加工下料。除了塔柱曲面外，長安大橋結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)也比常規(guī)橋梁復(fù)雜很多，二維圖紙轉(zhuǎn)化工作量非常大。借助CATIA的二維出圖功能，有效地提升了設(shè)計(jì)圖紙質(zhì)量。

2.3 施工階段

長安大橋利用BIM設(shè)計(jì)模型通過深化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為BIM施工模型并應(yīng)用于4D進(jìn)度管理，可以有效的優(yōu)化加工制造工藝方案及施工組織方案，縮短了施工工期，提升了加工質(zhì)量，降低了施工成本。同時(shí)利用信息化的物料管理系統(tǒng)及質(zhì)量安全管理系統(tǒng)等，對所有加工材料及質(zhì)量安全實(shí)施全程監(jiān)控，有效地提升了施工管理水平，增強(qiáng)了施工方案的可實(shí)施性。

1）加工制造及物料管理

鋼結(jié)構(gòu)加工制造單位利用三維設(shè)計(jì)節(jié)段模型（圖5）進(jìn)行加工制造圖紙的繪制，能夠有效地提高扭曲板下料加工時(shí)的準(zhǔn)確性。通過編碼后的節(jié)段模型開展物料管理，實(shí)現(xiàn)了加工制造過程的精細(xì)化管控。

圖5 節(jié)段模型

2）施工措施深化設(shè)計(jì)

以大橋高塔塔梁墩固結(jié)部位為例，塔梁結(jié)合部底部設(shè)置有150mm的承壓板結(jié)構(gòu)，通過高強(qiáng)螺桿與橋墩結(jié)合為一個(gè)整體。因高強(qiáng)螺桿的定位要求很高，施工過程中需要在墩柱中事先預(yù)埋好高強(qiáng)螺桿臨時(shí)定位架（圖6），輔助高強(qiáng)螺桿精確定位，通過碰撞檢查分析，有效降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 高強(qiáng)螺桿臨時(shí)定位架

3）節(jié)段吊裝仿真分析

因塔柱結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，優(yōu)化吊點(diǎn)設(shè)計(jì)的仿真分析工作量非常大。在三維節(jié)段設(shè)計(jì)模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展吊點(diǎn)設(shè)計(jì)，并完成吊點(diǎn)仿真分析，節(jié)省了大量的建模時(shí)間，提高了吊點(diǎn)設(shè)計(jì)質(zhì)量及效率。

4）施工組織管理

圖7為施工單位進(jìn)行場地吊裝方案的模擬優(yōu)化，通過方案模擬能夠發(fā)現(xiàn)施工過程中可能產(chǎn)生的不合理工作流程，避免施工過程中產(chǎn)生碰撞問題等，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 高塔節(jié)段現(xiàn)場吊裝模擬

圖8為實(shí)際施工中高塔北肢底部首節(jié)段現(xiàn)場安裝就位，完全按照事先模擬的的方案實(shí)施，各方面施工指標(biāo)均滿足要求。

圖8 高塔北肢首節(jié)段安裝

利用設(shè)計(jì)模型信息并結(jié)合施工模型建立施工管理平臺，能夠有效地解決施工過程中信息交叉多，協(xié)調(diào)工作量大等問題，達(dá)到提升施工管理水平，降本增效的目的。

3 、運(yùn)維管理展望

長安大橋在前期設(shè)計(jì)模型及施工模型等方面進(jìn)行了大量的技術(shù)積累工作，如果將BIM技術(shù)延續(xù)到運(yùn)維階段，對后期項(xiàng)目運(yùn)維管養(yǎng)將大有裨益。

4、 結(jié)束語

長安大橋項(xiàng)目作為國內(nèi)市政工程領(lǐng)域較早直接采用BIM技術(shù)進(jìn)行正向設(shè)計(jì)的工程，在前期方案、設(shè)計(jì)及施工等各階段都取得了較好的效果。項(xiàng)目爭取能夠繼承前期的技術(shù)優(yōu)勢，將BIM技術(shù)延續(xù)到運(yùn)維管養(yǎng)階段，讓長安大橋項(xiàng)目能夠真正實(shí)現(xiàn)基于BIM技術(shù)下的項(xiàng)目全生命周期管理的新理念。

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