基于BIM技术的大跨径连续刚构桥施工监控研究

刘 流

(苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017)

为了解决在大跨径连续刚构桥施工当中出现的安全隐患以及偏差超限问题，本文详细阐述了大跨径连续刚构桥BIM模型建立过程进行分析，希望能够为桥梁施工监控计算分析提供模型技术支持。BIM技术的使用与落实很多时候能够更好的提升桥梁建设质量，从而保证建设整体效果。

1 桥梁施工监控中BIM技术研究现状

公路桥梁建设属于一项非常庞大与复杂的系统化工程，这一工程需要建设团队内部可以开展多个专业的密切配合，尤其是在这一过程中需要频繁的开展多种方式信息交互，比如说业主、设计单位、施工单位、监管控制等等多个方面进行沟通与协作，将设计成果转化成为实际桥梁。大跨径连续刚构桥属于墩梁固结无支座、无需转化体系，并且较大的顺桥向抗弯刚度和横桥向抗扭刚度满足大跨径的受力要求，柔性桥墩或者双臂桥墩设置有利于提高抗震性能，减少墩顶负弯距峰值的作用。除此之外，桥梁工程尤其是一些比较特殊的大跨径桥梁，自身技术较为复杂，因此更需要在规划与设计的过程中保存海量的数据和信息，方便建设人员随时查询，从而保证建设质量与建设效果。图1为大跨径连续刚构桥的实际示意图。

图1 大跨径连续刚构桥的实际示意图

国外学者在研究的过程中意识到了BIM技术在桥梁工程建设当中的作用与效果，先后制定了不同的推广政策与相关推广方式，并且也成立了对应的协会和组织，主要目的就是未来在桥梁工程建设当中制定出完善标准与相关规程。在桥梁施工的过程中，针对于桥梁工程也设定了对应的软件平台，同时在一些实际桥梁工程当中BIM技术的使用相当成功[1，2]。

大跨径连续刚构桥采用了悬臂浇筑的施工方法，施工周期较长，并且每段梁体都需要经历挂篮立模、浇筑混凝土、拆模、张拉预应力、挂篮移动等等循环步骤，直到桥梁合龙，梁体悬臂浇筑阶段处于悬臂静定结构，虽然受力形式较为简单，但是施工阶段结构所受荷载较为多变，随着梁体逐渐加长，梁段挠度增大，怎么保证施工安全、悬臂结构强度、刚度满足要求，以及成桥后桥梁受力合理、应力、应变满足规范要求，这些施工阶段质量将会关系到成桥之后运营阶段桥梁混凝土开裂以及下挠程度，也就是说施工过程中必须要保证施工质量，尤其是需要控制施工监测量，保证桥梁顺利合龙，保证桥梁应力、线形符合设计的标准与要求。

2 大跨径连续刚构桥BIM模型

桥梁信息模型的建立属于桥梁全生命周期的关键基础，同时也是开展桥梁施工监控信息化、可视化的关键基础，通过BIM类型建模软件构建大跨径连续钢桥的三维基础模型，可以将BIM技术与桥梁施工监控有限元计算模型结合，为桥梁施工监控信息管理平台奠定基础，为桥梁施工监控投标、技术较低、成桥荷载实验提供三维信息模型。公路桥梁建设属于一项复杂庞大的系统工程，在这一工作开展的过程中需要建设团队内部的多专业之间的密切配合，频发的进行多种形式的信息交互，这需要业主、设计单位、施工单位、监理等等多个建设参与方进行的沟通与写作，共同将设计成果实现为公路桥梁实体。除此之外，桥梁工程，尤其是较长的桥梁工程自身技术复杂，需要在规划、设计、施工、制造、管养、监测、加固、拆除等等方面的海量信息进行保存与查询。国外学者在这一过程中已经意识到了BIM技术在桥梁工程当中应用的必要性和紧迫性，并且在这一过程中先后制定了推广政策、成立了对应的协会，制定了相关标准和规程。桥梁施工的过程中，针对于桥梁施工监测开发了对应的软件平台，并且在一些桥梁工程设计当中引用了BIM技术。图2为使用BIM技术来对大跨径连续刚构桥的修复与应用。

图2 BIM技术对大跨径连续刚构桥的修复与应用

在对大跨径连续刚构桥建模的过程中，需要根据桥梁结构特点，结合相关技术来建立满足BIM技术要求的BIM技术模型。BIM模型建立之后，不同阶段的BIM模型可以满足对应阶段的项目管理整体需求，具体来说需要满足八点原则。第一，需要根据桥梁结构的实际特点，归纳对应的通用参数，从而更好的提升建模整体效率。第二，桥梁结构命名需要在很多时候具有一定的逻辑，保证条理处于清晰的状态。第三，桥梁结构构建材质与皮肤需要保证统一，使用针对性的贴图。第四，桥梁构件需要根据不同阶段来区分建模的详细程度，针对于本文来说，桥梁施工阶段模型需要达到计算分析的相关精确度。第五，模型建模的过程内阁中可以使用不同建模阶段来分析模型，同时还可以根据不同的建模进度来对模型进行深化或者轻量化。第六，在实际建模的过程中需要根据模型制作出更加标准化的建模分享方式，保证所有的参与者都能够共享模型信息。第七点则是，构建需要通过制作标准来实现不同阶段不同工程师的实际需求，具体来说就是可以利用同一个原则来修改对应的模型。第八，建模需要保证逻辑顺序，首先开展主体部分，随后搭建附属部分，也就是首先在整体上明确相关位置的主体内容，随后在主体结构上填充对应的构件[3，4]。

而当下实际情况是，目前面向公路桥梁行业的结构物参数化设计，各BIM软件厂商尚且没有成熟的产品，很多都是用户直接使用制造行业或者建筑行业的软件来开展桥梁建模和隧道建模，这些主要是通过软件的参数化功能交互来创建出结构物整体模型，但是这些软件依旧存在很多的问题，比如：

第一，这些软件不符合工程设计的实际习惯，仅仅是满足了三维几何建模的相关要求。第二，建模并不针对于实际情况的三维线路，定位方式也是使用坐标而非工程当中的桩号和高程，这不符合工程设计的实际习惯，一旦发生线路变更，那么将会导致结构物难以做出对应调整。第三，通过这种方式的建模很多时候都属于轻量化建模，模型的体量受到了限制。第四，复杂的参数约束不仅仅导致建模过程较为麻烦，同时处理效率较低，这很多时候导致一些复杂建筑物难以使用这种方式进行设计。第五，由于没有给予线路模型进行设计，因此很多时候无法获得线路资料，设计精度受到了严重的限制。第六，由于桥梁几何计算以及出图需要针对于路线信息进行设计，因此这类软件很多时候难以满足实际出图需求。针对于这一问题，未来需要进一步开发相关软件，逐步实现桥梁参数化设计。

3 大跨径连续刚构桥施工监控分析

施工控制计算很多时候需要包括设计符合性计算、施工控制初期方针计算、跟踪方针计算。设计符合性计算愮根据设计图纸来提供对应的施工工序和结构池逊，同时设计图纸和设计规范给出的餐料参数需要得到计算与分析，同时与设计方校对参数取值、便捷条件、计算结果。施工控制初期仿真计算需要根据施工组织设计确定的施工程序来开展，从而获取各个施工阶段以及成桥状态下的结构受力和相关变形情况，从而更好的控制计算目标数据。跟踪方针计算需要根据实测数据、数据分析、反馈控制等等得到的更新和参考数值以及相关施工流程进行分析，进行工程的总体计算，主要是为了得到后续施工各个阶段以及成桥的结构受力和变形等控制计算目标数据。为了优先的沟通设计单位、施工监控咨询单位、施工单位关于桥梁施工监控计算模型，避免发生重复建模的情况，同时也能够成功的远离信息孤岛，让大家实现信息数据的共享。针对于BIM技术，通过参数化的方式建模来生成的三维模型，还可以将BIM模型导入分析软件开展分析计算，实现高效的施工监控分析计算工作[5，6]。图3为BIM模型与施工监控方针计算结合流程。

图3 BIM模型与施工监控方针计算结合流程

对于大跨径连续刚构桥施工监控工作来说，在这一工作当中需要注重对于监测数据进行采集与分析，通过已经建立的BIM模型进行仿真分析，同时还需要注意利用桥梁结构损伤识别机理和云端数据库来及时的更新结构自身状态和力学性能信息，实现对于桥梁结构施工阶段和成桥后安全评估和预警。通过这一方式，能够拥有施工监控数据浏览、统计分析、监控报表、监控预警等等功能，让参与建设各方掌握实时监控数据，同时监控人员还可以通过平台自动生成桥梁施工监测应力测试记录表、标高测量记录表、几何测量记录表、温度测试记录表、立模指令表等等。在大跨径桥梁施工监控的过程中经常会遇到实际桥梁线形与理性线形、实际预应力与设计预应力、实际应力与理论应力不相符的情况，这些情况在所难免，因此对于施工监控管理人员也提出了更高的分析决策要求，需要做出理性的分析，才能够尽量避免误差的存在。

在桥梁建模总体原则当中，主要分为八个步骤：首先是根据桥梁结构的特点进行分析，归纳对应的参数，提高建模的整体效率。其次则是需要针对于桥梁结构进行命名，在这一过程中需要保证桥梁条理更加清晰。再次则是需要保证桥梁结构构建的材质与皮肤需要统一，针对性的完成贴图。第四额则是需要保证桥梁构件则是需要根据不同阶段来区别建模的详细程度，针对于本文的桥梁施工阶段模型达到计算的分析精度。第五，模型建模的过程中可以通过不同的建模阶段来共享模型，根据不同的模型精度来深化或者轻量化模型。第六则是需要根据模型制作标准化，让所有参与人员都可以共享模型信息。

目前来说面对公路桥梁行业的结构物参数化设计，各BIM软件厂商还没有成熟的产品，有些用户直接使用制造业或者建筑业的软件来进行桥梁建模和隧道建模，目前主要利用这些软件的参数化功能来交互的创建结构物模型，但是由于这些软件主要是面对制造业和建筑业来开发，使用他们来进行结构物设计存在很多的问题，比如说不符合工程设计习惯，只满足了三维几何建模的要求；建模不是基于实际的三维线路，定位方式采用坐标而不是桩号高程，不符合设计习惯，线路发生变更，那么结构物难以做出调整；模型体量受到限制和影响；复杂的参数约束不仅仅导致建模过程较为麻烦，同时处理效率较低，导致其无法真正解决复杂的结构物；由于没有基于线路模型进行设计，这导致无法准确的获取线路资料，设计精度受到了一定的限制和影响；由于桥梁几何计算及出土必须要针对于路线信息来开展，这类软件很多时候难以满足实际生产过程中的详细设计出图要求。

因此，针对于这些问题，未来需要进一步开发对应的软件，逐渐实现桥梁的参数化设计工作，而想要解决桥梁参数设计问题，重点在于以下几个工作方面。参数化要求需要实现全桥构件的关联化，同时在这一过程中还需要实现桥梁与线路的关联化，这样才能够保证设计变更的快速完成，方便开展多个方案的对比与筛选，进而实现桥梁几何模型的以及结构的分析模型一体化，保证桥梁构造模型实现完全关联。这样一来将会大大的简化整体结构分析建模过程，同时也能够避免数据传递的错误，轻松完成方案的变更以及多个方案的比较，同时也能够实现三维模型与二维图纸之间的关联，三维设计完成之后可以自动生成对应的二维图纸，并且在三维模型发生变更的情况下，随时更新对应的二维图纸。

4 结束语

根据大跨径连续刚构桥施工监控项目的实际要求可以看出，在未来使用BIM技术进行建模的过程中，需要根据桥梁实际情况以及BIM技术的优缺点来做出一定的权衡，保证整体监控水平。国内外针对于BIM技术的实际应用已经开展多年，但是针对于施工阶段中质量监测管控软件平台的研发依旧处于初步阶段，未来想要更加系统的开展BIM技术在大跨径连续刚构桥施工监控当中的使用，就需要针对于质量监测管控平台进行研究与加强。