BIM技术在城市景观桥梁施工中的计算应用

王承亮 黄远栋 程振庭

摘要：随着城市景观桥梁的不断发展，施工难度不断加大，施工计算的内容也更多变，且缺乏连续性。文章以乌兰木伦河3号桥项目为例，分别从桩长计算、工程量计算、应力计算、拱肋重心计算、锚杆定位计算等方面，介绍了BIM技术在城市景观桥梁施工中的计算应用，实现了地质结构三维可视化、桥梁构件工程量快速统计、支架体系应力模拟，吊装钢丝绳设计、吊耳优化设计、锚管精确定位校核，可为城市景观桥梁的建设提供参考借鉴。

关键词：建筑信息模型;BIM技术;施工计算

中图分类号：U442文献标识码：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.004

文章编号：1673-4874（2021）01-0012-04

0引言

施工计算是一门复杂的多学科综合计算技术，是一种为施工控制和管理需要的计算，具有实用性、针对性强，涉及面广[1]等特点。随着城市景观桥梁造型设计不断发展，对桥梁的施工技术也不断提出更高精度的要求。但在造型奇特的城市景观桥梁施工中，传统的计算方法计算过程繁琐复杂且效率较低，计算的精度也难以保证。利用BIM技术可视化、模拟性、协调性等优点，在城市景观桥梁施工中能实现更高效准确的应用，辅助桥梁高精度施工。

1工程概况

项目位于内蒙古自治区鄂尔多斯市，呈南北走向，为控制性工程。乌兰木伦河3号桥为双飞翼式造型的中承式复式钢箱拱桥，全长348m，总投资4.2亿元，工程概算5.532 亿元。桥梁主体结构包括主拱、副拱、钢箱梁、桥墩、桥台等，主拱、副拱、钢箱梁均采用钢结构，桥墩、桥台采用混凝土结构，桥台采用重力式U台+桩基型式。主拱向道路中心线外倾斜17°，副拱向内倾斜45°，桥梁上构部分均采用钢箱梁及钢箱拱，采用装配式超高矩阵支架法设计。副拱采用3种截面类型：直线变截面段、直线等截面段、曲线等截面段。主拱采用曲形曲作施工工艺，拱肋吊装极为复杂。

2桩长计算

桩基础承载能力高、适用范围广，被广泛应用于高层建筑、港口、桥梁等工程中。传统的桩长计算方法只能通过勘测点平面布置图进行布置，然后再结合多张钻孔物探得出的钻孔柱状图进行桩长的计算，这样并不能将桩基地质情况真实地整理到同一平台上进行桩长的合理计算，其合理性也不能实现可视化。针对这些问题，项目总结出一套更为合理的对桩基长度的计算方法。

（1）根据施工图纸建立桥梁BIM模型，桩基础的长度h设置可变参数，方便后期调整桩基长度参数。见图1。

（2）根據勘测点平面布置图，结合多张地质勘探得出的钻孔柱状图建立精准的地质BIM模型，见图2。

（3）将地质BIM模型链接到桥梁BIM模型中，通过地质BIM模型与桩基自动附着，准确直观地反映地层关系。通过桩基础的参数化调节桩基长度，合理计算桩长，指导现场施工，有效规避风险，保证施工安全与质量。

根据工程地质勘察报告建立地质模型，P2主拱座基坑软基部分为中风化砂岩，淤泥流沙较多，桩基需深入微风化砂岩层才能满足桥梁建造要求。这种能结合地质BIM模型，直观反映桩位地质条件的方法，在桩长的计算上更能统筹地质情况，合理计算桩长，且大幅提高了计算的效率。

3工程量计算

传统的工程量计算方式是根据二维图纸计算工程量，这种方式工作量大、繁琐、容易出错、耗费时间，受人为因素影响比较大，且靠传统二维图纸手动进行统计的工作方式效率较慢且容易出错[2]。在乌兰木伦河3号桥项目中，利用BIM工程量计算的方法，对钢结构支架、复杂节点钢筋、基础结构混凝土等均能快速准确统计其所需材料数量，为桥梁的施工建造提供了可靠的下料数据支撑，便于成本管控，大大提高了工作效率。计算过程如下：

（1）桥梁模型建模：按照二维图纸进行BIM模型的建立，对桥梁中的构件实体模型赋予相关的信息，如构件材质、型号、供应商等，按照图纸用revit绘制模型后，为后期选择需要的材料明细表参数打好基础，确保生成的明细表清单准确性及信息的完善性。

（2）BIM模型构件分类：桥梁模型进行拆分后模型文件数量也较多，因此清晰、规范的文件命名将有助于参与人员提高对文件名称理解的效率和准确性，为后期工程量的计算打下基础。一个标准的文件命名系统使识别更容易，数据也更具系统性。在一个项目中文件名要具有唯一性，这样才能在不同的建筑物类型中识别它们。①项目文件命名：项目名称-专业名称-日期-[编号];②桥梁构件命名：结构部位.材料类型_[部位编号];③路基：里程位置_类型_[部位编号]，如“主桥上部结构_钢箱梁_CO-4-1b_”。所有数字采用“1，2，3…”，不采用中文。

（3）建模主要原则：建模原则标准内容如表1所示。

（4）编辑明细表属性：根据需求，编辑明细表属性，确定计算规格，选定要计算工程量的构件信息，如材料名称、型号、材质、规格大小等信息。

（5）导出工程量计算结果：生成工程量清单，导出工程量数据，为方便后期数据的查看，导出为Excel表格。

利用BIM算量技术，进行工程量计算，以BIM技术为基础集成建设工程项目各相关信息的工程数据模型。基于BIM的工程量计算，能在保证工作质量的前提下大大提高工程算量的效率。主要针对各分部合同成本部所提的需求，针对具体项目的复杂项、争议项等进行工程量复核与溯源，形成工程量复核清单和差异工程量溯源报告。

4拱肋重心计算

目前拱桥建设工艺发展速度较快，越来越多的景观桥梁采取空间异形拱肋。随着人们对桥梁异形桥型有着更具观赏性及实用性的要求[3]，桥梁拱肋的吊装难度也随之加大。以乌兰木伦河3号桥项目为例，该桥主拱截面为曲线等截面，副拱截面为直线等截面、直线变截面、曲线等截面，拱肋截面类型多，角度变化大，其吊装难度极高，传统的吊点计算方法已无法满足要求，异型拱桥需要新的吊装工艺来计算拱肋的重心，以确定钢丝绳长度及吊耳的位置，计算过程如下：

（1）根据图纸建立拱肋轴线BIM模型，按照图纸比例大小在轴线上划分拱肋各个节段。见图3。

（2）根据拱肋节段施工图纸，利用BIM软件对拱肋进行精细化建模。见图4。

（3）利用BIM软件求出该拱肋节段重心坐标，找到該坐标点并在模型中加以标识。

（4）将该拱肋节段代入建立的轴线模型中，利用软件的对齐功能将拱肋节段精细化BIM模型对齐桥梁拱轴线模型，使拱肋节段的轴线和截面与轴线模型相重合，此时拱肋节段的角度与设计相符。

（5）在拱肋节段的重心点向上竖直延伸出一条线段，该线为重垂线，用于模拟吊车吊钩的形态。见图5。

（6）根据钢丝绳的长度，沿重垂线顶端与拱肋节段连线，延伸出的线段上顺桥向前后各布置吊点。见图6。

（7）这种基于BIM的钢结构重心计算方法具有以下优势：①基于BIM综合考虑各种控制因素，精确计算拱肋重心、吊耳位置、钢丝绳长度，确定最佳吊装方案;②确保不遗漏有价值的方案，利用软件模拟吊装过程，排查因不合理的吊点位置导致吊装失败的因素，提高吊装精度;③降低高空作业，按照得出的最优方案，拱肋起吊时角度基本与设计值一致，省去传统的需工人在高空中用手拉葫芦修正的高空作业;④提高吊装效率，相比传统方式吊装，这种有着数据支撑的吊装方法更为可靠高效。

5应力计算

将建好的模型采用Midas软件分析结构体系及受力情况，验算材料的可行性及施工安全性，为支架的安装提供了安全可靠的数据支撑，确保方案的可行性。以乌兰木伦河3号桥项目拱肋钢管支架体系为例，开展应力计算：

（1）设置特性值，定义材料参数和材料截面。

（2）模型建立，根据图纸建立该节点计算模型，模型采用Midas软件进行建模。见图7。

（3）输入边界条件、自重荷载、应力荷载，设定好后运行结构分析。

导出计算结果如表2所示。

以上工况中，最不利结果出现在运梁后支点工况，最大组合应力为87.7MPa<容许正应力σ=145MPa;最大剪应力为31.8MPa<容许剪应力τ=85MPa。应力计算满足要求。

6锚管定位校核计算

在桥梁中，锚管作为吊索受力点，当锚管偏位时，会引起全桥受力不均衡;锚管垂直度倾角过大，会使吊索与锚管交角变小，很容易在吊索张拉时对吊杆造成破坏[4]。为了提高锚管的安装质量，采用SolidWorks软件进行锚管定位校核计算：

（1）建立拱轴线模型。根据图纸坐标值建立桥梁拱轴线模型。见图8。

（2）对成品钢箱拱底面及锚杆进行测量得出相应坐标数据。

（3）根据测量得出的坐标数据建立拱节段的底面及锚管位置模型。见图9。

（4）将建立好的底面及锚管位置模型导入拱轴线模型，并利用软件对齐功能将模型对齐到桥梁拱轴线模型中，使测量模型与桥梁拱轴线模型重合。见图10。

（5）根据施工图纸输入锚管的坐标值找到锚管的设计位置，确保吊杆与锚管的误差值≤cm，当锚管误差>1cm时，需将拱节段装配得出的误差值对锚管进行调整，然后对成品拱肋进行测量再导入模型中进行校核，直至误差达到合理值。见图11。

7结语

本文依托BIM技术的计算优势，以国内首座双飞翼景观特大桥——乌兰木伦河3号桥在施工中的计算应用为例，通过将BIM技术应用于施工计算中进行桩长计算、工程量计算、应力计算、拱肋重心计算、锚杆定位校核计算等，表明BIM技术在桥梁施工中的计算应用中具备很强的实用性，也进一步验证了BIM技术在施工计算中的优势。其不仅能够极大地改善施工的质量、提高施工效率，降低施工误差导致的成本，还为项目安全有序地施工建设提供有力的数据支撑。

参考文献

[1]江正荣.我国建筑施工计算技术的应用与发展[J]建筑技术，2012，43（2）102—104.

[2]蔡新宁，南志，桥梁施工常用计算实例[M].北京：人民交通出版社，2015.

[3]马也犁.BIM技术在非对称外倾拱桥施工中的应用研究[D].成都：西南交通大学，2016.

[4]聂唯.BIM技术在独塔斜拉桥设计和施工阶段的应用[D].武汉：华中科技大学，2018.