BIM虚拟施工技术在装配式钢结构桥梁中的应用研究

王占飞， 冯 瑾， 梁 伟， 张 强， 孙宝芸

(沈阳建筑大学 交通工程学院 沈阳市 110168)

装配式桥梁由于钢结构施工方便、抗震性能良好，愈发成为工程设计人员的首选方案之一[1]，但另一方面，也存在着制约其发展的因素。首先，装配式构件多数采用工厂预制的方式获得，对预制精度要求较高；其次，在装配式钢结构桥梁的施工过程中，墩与基础的连接尤为复杂，设计人员需要与施工人员进行细致地技术交底，以保证现场施工人员对工程有更明确的判断和把握[2-3]。

基于此，通过建立Revit+Fuzor模式将BIM虚拟施工技术引用到装配式桥梁施工中，创建出适用于桥梁结构的可视化施工模拟体系，并以实际工程为例归纳总结模拟过程。在施工之前，该体系可实现关键施工技术的预先演示、碰撞检测、机具部署与吊装模拟，进而预先发现并减少施工过程中可能出现的问题，消除施工隐患、提高施工精度、优化施工方案，最终提高施工效率。

1 理论基础

1.1 装配式钢结构桥梁

对于装配式钢结构桥梁的研究最为关键的是桥墩与基础的连接形式[4]。既要求其具有良好的承载能力和稳定性以抵抗上部荷载的作用，又要保证现场拼装施工的可操控性与精度。因此，对于装配式钢结构桥梁的施工，主要通过工厂预制钢构件，再运输至施工现场采用机械设备进行拼装。这种施工方式打破了传统粗犷的现浇式施工的局限，是未来桥梁的重要建造方式之一[5]。其中桥墩的连接形式与拼装步骤作为现场施工过程中的重点与难点，成为我们主要研究对象，我们需要考虑如何在桥梁结构复杂的施工环境中使现场拼装作业有效进行。

1.2 基于BIM的虚拟施工技术

BIM以三维数字技术为基础，拥有强大的三维建模能力，具有可视化、协同交互、信息集成等特点[3]。利用BIM技术创建结构的三维模型，能够实现信息的关联和实时更新。而虚拟施工技术是在虚拟环境的基础上，对施工过程进行可视化模拟，通过计算机协同工作，在不耗费实际资源的情况下，预先对施工过程进行模拟和检验。

目前，BIM虚拟施工技术在建筑工程中具有一定的应用，然而在桥梁工程中的应用较少。

2 虚拟施工技术框架

2.1 技术手段

BIM虚拟施工技术主要依托于BIM平台相关软件进行，在本文中，将不再采用固有的Revit+Navisworks模式，而是提出Revit+Fuzor模式进行桥梁的施工模拟,如图1所示。在设计阶段，借助Revit三维建模软件，创建工程所需的参数化模型，并基于该模型对施工过程进行分析模拟，同时Revit具有强大的交互能力，尤其与Fuzor软件可实现完美的实时交互，可以集成控制以实现信息交流。在施工阶段，借助Revit创建如临时支架等辅助设施的三维模型，并结合Fuzor软件自带的施工机械模型根据施工方案对场景进行布置，实现施工过程模拟。

2.2 技术路线

对于虚拟施工技术在装配式钢结构桥梁中的应用，我们主要从施工方法的可行性、资源成本的合理性和方案的优化几个方面着手，为此，我们需要做如下工作：

(1)利用Revit建模软件建立钢结构桥梁、辅助设施的三维模型。

(2)将模型载入到Fuzor施工模拟软件，分别在桥梁设计、施工、运维阶段进行模拟、检测。模拟施工环境与关键施工工艺，检测工程故障。

(3)在模拟过程中如发现施工工序不当、构件碰撞等情况，软件将自动发出提示，技术人员可直观地发现问题并进行更改。

(4)进行多方案可视化对比，确定最优施工方案，如图2所示。

采用Revit+Fuzor模式进行桥梁的施工模拟的具体流程如图3所示。

3 具体实例

3.1 工程概况

某4跨连续梁桥，如图4、图5所示，跨度40m, 上部采用工字型钢板主梁，全桥宽度12.0m，梁高2200mm，主梁之间的间距2500mm。下部采用独柱式钢桥墩，各构件采用工厂预制现场吊装的形式进行施工，桥墩高度12.2m，盖梁长12m；墩身截面为箱型截面，宽度为1.8m，并设有纵向加劲肋，加劲肋的尺寸为220×28；承台宽度8.5m，厚度2.2m；基础形式为群桩基础，桩基直径为1.2m，墩身与承台基础的连接采用锚杆连接。本文将着重归纳总结钢桥墩拼装等复杂施工工艺的虚拟施工的实现过程。

3.2 虚拟施工技术体系

3.2.1参数化模型建立

模型的建立是指导施工的前提[6]，利用Revit建模软件创建桥墩和辅助设施的参数化模型，将桥墩模型与设施模型集成，导入到实际地形，用于指导工程实际。

对于本桥的建模，最为关键的是对桥墩与基础连接处的处理。本工程的下部结构钢桥墩与混凝土承台拟采用带有钢锚杆加强板连接方式，这种连接方式需要在工厂预制留有锚杆孔的桥墩外环板、预埋在基础中的加强板和固定于板上的锚杆，对预制精度要求较高，所以必须做到准确建模。由于仅利用Revit软件进行参数化建模过程已有众多学者进行研究[7-8]，故本文不再赘述，创建完成的桥墩模型如图6、图7所示：

3.2.2虚拟施工

Fuzor施工模拟软件是随着BIM技术的发展而产生的一种基于Revit的插件，Fuzor不仅能与Revit完美实现双向互通，而且拥有与Navisworks相同的碰撞检测功能，同时又能够以动画的方式实现对施工工程的模拟与检测。通过建立Revit+Fuzor模式进行可视化虚拟施工模拟，能很好地弥补传统虚拟施工模拟方法的局限。

首先在施工组织设计阶段，在Revit中点击“Launch Fuzor”将创建完成的模型载入到Fuzor软件中，利用其三维可视化技术将模型进行虚拟检测。如在Fuzor中探查设计图纸是否出现漏、错、碰等问题，如图8所示，若发现问题可进行实时更改并双向同步，深化设计的整体布局。

其次在现场施工阶段，Fuzor可实现一模多用，具体应用有如下几个方面：

(1)技术交底。在完成对模型的检查后，需对施工方进行技术交底，需按照施工工序添加时间信息并制定构件运动关系，进而根据施工进度计划进行技术交底，让施工方更加清晰施工流程与设计意图。

(2)三维场布。在实际施工进行之前，根据施工场地与施工情况进行科学合理的场地模拟布置，有利于施工顺利进行。

(3)复杂工艺指导施工。对于施工过程中的复杂工艺，易导致施工人员理解不清晰，便可利用虚拟动画进行预先学习，了解其施工工艺。本工程下部结构的桥墩与基础的连接作为复杂技术，其施工方式为将钢桥墩的外环板与浇筑于混凝土承台中的带有钢锚杆的加强板连接。为准确地指导施工，让施工人员充分理解，可将其施工工艺进行动画模拟，其具体模拟结果如图9所示。

(4)路径模拟。利用直观的三维动画对进场的构件进行路径模拟，可以有效地避免施工中的安全隐患。在桥梁装配式施工中，大型构件的进场与吊装对施工路径要求较高，尤其需要确定吊车工作范围，验证吊车的行进和转动是否与现场环境、已装配好的桥梁构件、支架等发生碰撞，如图10所示。

(5)施工组织优化。多方案的可视化对比，可以确定高效可行的最优施工方案。技术人员从施工角度进行多次可视化模拟，同时应用软件的统计功能，统计出工程用量，计算工程成本。最后可通过比较施工可行性、施工成本，确定最优方案，实现节约施工成本和时间的目标。

最后在运维阶段，可通过传感器等监测装置将桥梁运维信息反馈到Fuzor的可视化模型中，一旦出现故障，其中的故障信息可以反馈到软件中并发出警报，工作人员可以准确定位并及时解决出现的问题。

4 结论

(1)装配式钢结构桥梁由于其构件工厂预制现场吊装的施工方式，减少现场湿作业，满足绿色施工的理念；基于BIM的虚拟施工技术具有可视化、协同交互、信息集成等特点，可以在现场施工前预先对施工过程进行预演，提高施工效率，故将二者集成应用到实际工程中，给桥梁事业的发展注入了新的动力。

(2)提出采用Revit+Fuzor模式建立适用于桥梁结构的可视化施工模拟体系的一般方法。包括Revit建模，Fuzor可视化分析，碰撞、故障检测，优化调整等步骤。

(3)Revit+Fuzor模式可贯穿于桥梁的全生命周期，实现设计、施工、运维阶段的信息共享。尤其在桥梁施工阶段，Fuzor软件在技术交底、三维场布、复杂工艺指导施工、进场模拟方面实现了全面覆盖，有效地保证了施工安全，节约了施工成本。

(4)以某实际工程为例，详细说明了将BIM虚拟施工技术应用到装配式钢结构桥梁的施工中，能够有效减少现场施工隐患。通过桥墩构件的精准参数化建模，既满足了预制构件的精度要求，又实现了装配式钢桥墩施工关键技术的模拟和优化，确保施工质量，提高施工效率。