基于BIM的小半径大横坡桥梁施工应用研究

农左 周鑫

摘要：在小半径大横坡桥梁施工管理中，BIM模型数据与现场的实际施工情况交互效果较差，常常出现BIM信息断链的问题，导致BIM信息技术无法高效应用到小半径大横坡桥梁施工环境中。文章依托小半径大横坡桥梁——黄艾大桥预制箱梁架设工程，提出了基于BIM的小半径大横坡桥梁信息化技术体系，创建了BIM信息模型，建立参数化构件族，模拟关键施工工序，提高箱梁架设准确性，降低失稳风险，避免了重点工序冲突的返工现象，实现了BIM技术在小半径大横坡桥梁施工中的应用，提高了施工品质，保证了施工质量，为今后小半径大横坡桥梁的施工提供参考。

关键词：BIM技术；施工模拟；小半径；大横坡；预制桥梁

中图分类号：U445.3A240795

0引言

在复杂结构工程中，利用BIM技术的可视化优势可以加强施工与数据之间的协调交流，为施工工作提供数据支撑，因而BIM技术在桥梁工程中的应用越来越广泛［1］。

现阶段，BIM技术在桥梁的施工过程中具有动态管理的特点，通过集成各参建方的信息数据，建立桥梁的三维模型，通过可视化处理，实现重难点结构处的施工模拟。同时，BIM技术在设计、施工、运维等过程中均有重要的应用。龙波等［2］以大跨径钢管混凝土拱桥为应用点，利用BIM模型实现桥梁结构的屈曲稳定分析，改善了桥梁空间布局与成果表达信息缺失的问题；陈刚［3］以预制T梁为目标，采用基于BIM技术的Revit软件的三维建模钢筋碰撞检查优势，探讨了钢筋之间的干扰问题，优化了T梁施工过程中的钢筋安装情况；周群等［4］以南宁市快环综合整治项目（北湖立交）改造工程为实例，利用BIM技术的信息化特点针对装配式市政桥梁传统设计管理提出了有效方案，提高了BIM技術在桥梁设计管理的应用能力；张胜超等［5］提出了一种基于Dynamo插件的预制箱梁BIM模型参数化建模方法，实现了预制箱梁BIM模型的快速精准建模，提升了预制箱梁曲线建模的精度。

在小半径大横坡桥梁施工过程中，传统的二维图纸在桥梁整体与细部结构中难以实现精细化展示，且工作量较大。同时，如桥梁建设受到环境影响产生图纸变更，则需要修改大量的二维图纸［6］，耗费大量的人力成本，这一现象在跨越山沟和村道复杂环境下，特别是桥梁走线涉及池塘及农田的情况下尤为突出。目前，预制梁这一工艺的出现使得桥梁上下部结构物可以同时进行施工，虽然能够缩短建设工期和保证预制梁的施工质量，但装配式桥梁工程质量的好坏，不仅取决于预制梁的施工，还取决于其安装效果［7］。由于桥梁线性弧度影响，外悬臂梁与内部梁的横隔板常会出现错位现象，特别是在小半径大横坡的桥梁工程条件下，横隔板错位问题尤为突出。本文依托小半径大横坡桥梁——黄艾大桥预制箱梁架设工程，提出了基于BIM的小半径大横坡桥梁信息化技术体系，创建了BIM信息模型，建立参数化构件族，模拟关键施工工序，提高箱梁架设准确性，降低失稳风险，避免了因重点工序冲突的返工现象，实现了BIM技术在小半径大横坡桥梁施工的应用，提高了施工品质，保证了施工质量，为今后小半径大横坡桥梁的施工提供参考。

1工程概况

黄艾大桥采用5×20 m装配式预应力混凝土箱梁，先简支后连续，桥梁全长107.5 m，桥梁宽度为12.15 m，交角为90°。桥位平面位于R=155 m的左偏圆曲线，桥面横坡为单向8%，桥面最横坡大高差为97.2 cm，桥面纵坡为-2.45%。大桥预制箱梁共20片，单跨预制箱梁5片，桥梁前进方向右高左低，从右至左每跨梁片编号为主梁1#～5#。桥墩采用矩形盖梁柱式墩，桥台采用桩柱式桥台。黄艾大桥桥梁平面布置如下页图1所示，立面布置如下页图2所示。该桥工程难点是转弯半径小、横坡大，架梁施工安全隐患多、安全风险高、难度大，亟须一种有效合理的可视化手段确保工程安全高质量施工。在按常规设计和架设施工工艺不可能完成的情况下，通过BIM建模及施工模拟提前发现可能存在问题，从而优化施工工艺，最后成功完成梁片架设。

2工程关键性难点

黄艾大桥为跨越山沟和村道而设置，大小桩号两端地形陡峭，小桩号前进方向左侧为池塘及农田，由于造价定额限制，改移大桥位置，将大桥横坡放小、将转弯半径放大的施工较为困难，因此从设计的方向去解决大桥建造问题不切实际。通过BIM技术建模，将桥梁所处的地形以及桥梁上下构结构物按结构详细尺寸进行建模，再将建立好的模型按照坐标位置放样，将得到的成果模型对比设计指标要求，提前预判该桥施工过程中出现的问题［8］。黄艾大桥在施工过程中面临的关键性难点如下：

（1）对有转弯弧度的预制梁的预制施工，通常是在梁端两侧通过对端头角度和边梁悬臂参数的调整，从而完成对桥梁线性弧度的调整。在大曲线半径的上构预制及施工过程中，桥梁横隔板错位较小，可忽略不计，但在小半径大横坡的桥梁工程条件下，横隔板错位问题尤为突出。经在模型中的测量，该桥在第三跨外悬臂梁相邻内部一片梁的横隔板错位严重，达到37.2 cm（见图3）。

（2）预制梁和现浇梁的横坡正常设置为2%～4%，黄艾大桥桥面横坡坡度达8%（见图4）。预制的标准箱梁横断面坡度为2%，这需要保证上构箱梁稳定且不影响桥梁的受力情况下，在支座垫石处、桥面处位置调出余下6%的横坡。

（3）箱梁架设的风险问题。由于盖梁顶部存在着接近1 m的高差，架桥机在箱梁架设和过孔时存在较高的倾覆风险；桥梁的转弯半径过小，正常喂梁时梁体与架桥机存在过大的角度，梁体无法进入架桥机，常规双导梁架桥机可能无法完成所有梁片架设。

3BIM模型的建立

3.1BIM技术应用目标

在小半径大横坡的桥梁工程中，BIM技术可通过图纸与参数值的三维呈现传递有效施工信息，信息在传递过程中应注意数据之间的积累，结合现场的施工顺序，将设计数据、专业信息以及精细模型集成至工程对象中［9］。在小半径大横坡桥梁中部分桥身结构和桥墩结构为异型结构，箱梁横截面高度在纵桥方面为曲线走势，常规的建模手段无法连续建立完整的异型桥结构，因此需采用参数化建模手段。本研究提出了基于BIM的小半径大横坡桥梁信息化技术体系，主要应用目标体系（如图5所示）。

3.2创建桥梁中心线

小半径大横坡黄艾大桥的桥位平面位于R=155 m的左偏圆曲线，建模初期需满足桥梁中心线的确定，因此本研究提出了一种桩号坐标定位中分法提取桥梁中心线。通过已知的桥墩桩号坐标数据（如表1所示），输入对应的坐标，生成连贯的坐标体系，以桥墩号坐标作为参考值，分别计算出对应的中心点坐标，获取连续的中心坐标后，以R=155 m的圆曲线连接对应所有中心坐标生成连续线，即可创建桥梁中心线，如图6所示。

3.3创建参数化桥梁异型构件

通过桥梁模型的创建，连续梁桥的异形结构主要集中在箱梁与桥墩位置，考虑到能够与施工相结合，在设计阶段会涉及不同结构的箱梁与桥墩，因此设计了参数化模型，通过改变尺寸和类型即可驱动生成不同结构的模型形状，主要目的在于以参数变量的形式提高模型修改效率，进一步提升BIM模型的建模效率与精度［10］。参数化创建构件流程如下页图7所示。

在这一过程中，可使用剪切、拉伸与放样三种功能在实体中挖去多余实体以创建桥墩不规则模型；连续箱梁模型创建过程中需要考虑横纵坡的设置，可通过角度参数设计横坡。参数化模型如下页图8所示。

3.4桥梁模型的创建

以桩号坐标定位中分法获取桥梁中心线，并采用参数化建模完成异型桥墩与箱梁模型的建立，通过建立不同阶段的模型，提高建模效率，降低容错率，进一步提升了工作效率，最终完成小半径大横坡黄艾大桥的三维模型创建，如图9所示。

通过对大桥三维模型的建立，将设计图纸和参数值反映至模型最终成桥状态，查看成桥状态的不合理之处。由于该桥转弯半径太小，操作空间受到极大制约，正常喂梁时梁体与架桥机存在13°夹角，梁体无法进入架桥机，常规双导梁架桥机不能完成所有梁片架设。为减少架桥机两道承重主梁和后支腿对Ｔ梁喂梁时的位置限制，做了以下优化改造：（1）缩短架桥机主梁长度，仅保留40 m；（2）减小横向宽度；（3）根据梁片角度变化调整后支腿的位置和高度；（4）充分利用优化后的操作空间，尽量减小架桥机横移轨道的不平行角度，降低架桥机横移的难度和脱轨的风险。通过对架桥机改装后的受力验算分析，架桥机稳定性满足施工要求。但架桥机过跨后无法在横移轨道上一次完成单跨T梁架设任务，需调节后支腿的法兰盘和横移轨道才能完成边梁架设。当法兰盘调节完成并连接后，架桥机主梁存在一定扭矩；当后支腿作为支点时架桥机前支腿将产生较大位移，存在较大安全隐患。为消除这部分扭矩造成位移带来的安全隐患，采取法兰盘和横移轨道同时调节、多次微调的方法，大大减小了前后支腿位移的差异，也减少了主横梁因轨道不平行而产生的扭矩，安全地完成边梁架设。

3.5施工工艺模拟

创建黄艾大桥三维模型，并针对重难点的复杂工艺进行准确的施工模拟后，可发现钢筋空间冲突、施工步骤、结构扭曲以及桩号定位等问题，并做出相应的整改方案。依据BIM技术的可视化特征辅助项目施工，实现钢筋碰撞检查，并通过模拟施工完成项目施工人员的技术交底工作，加深管理人员以及施工人员对小半径大横坡的大桥桥梁结构的了解，进一步提高小半径大横坡桥梁施工质量。

从预制梁制作至桥梁施工，结合工艺模拟，通过BIM技术在小半径大横坡大桥施工过程的应用，可总结以下注意事项：（1）梁片吊装前或喂梁前，必须做好设备的检查工作及试吊，做好前期的工程测量放样；（2）过孔中必须保持架桥机平稳缓慢前行，保证前支架的稳定与垂直状态，前、后支腿起顶以及保险跺支撑是否牢固；（3）过孔选用的配重梁均为需要架设的3#或4#中梁，过跨成功后，可以直接将配重梁“对号入座”地安装；（4）梁片起吊前，先用钢垫板保护T梁底角和T梁翼板角，再用钢丝绳兜底扣住钢垫板，确保T梁梁体不受损，钢丝绳兜底位置应靠近Ｔ梁两端支座预埋钢板；（5）架桥机前支腿和中托对应的横移轨道要通过枕木和水准仪调平，钢轨道两端各3 m范围要用槽钢或工字钢加固，同时要与盖梁固结好，以防架设边梁时架桥机在轨道上偏心，导致钢轨道受剪断裂；（6）喂梁时，当梁体吊离运梁车2 cm时，暂停作业，在细致观察后，确认一切正常方能继续起吊；（7）落梁时，需等梁片做好临时加固后，方可卸下吊装钢丝绳。

4结语

随着社会经济的发展，山区公路路网建设日益完善，尤其在复杂地形山区公路上，小曲线半径大横坡的预制梁预制安装设计应用日益广泛，但其施工难度高。本文以BIM技术设计小半径大横坡桥梁信息化技术体系，创建BIM信息模型，建立参数化构件族，模拟关键施工工序，提高了箱梁架设准确性，降低了失稳风险，避免了因重点工序冲突的返工现象，实现了BIM技术在小半径大横坡桥梁施工中的应用。通过优化设计，对常规的施工进行精准把控和工艺创新，从源头入手，用BIM基础的建模及模型调整的方法，模拟特殊施工工艺，找出错位与碰撞现象，克服施工难点，安全完成架设任务，并在黄艾大桥预制箱梁工程中顺利应用，为小半径大横坡桥梁施工积累了宝贵经验，可为同类工程桥梁设计施工提供借鉴。

参考文献

［1］ 卢卓君.浅谈BIM技术在枢纽互通中的应用［J］.黑龙江交通科技，2022，45（11）：135-137.

［2］龙波，凌塑奇，梁若洲.基于BIM的钢管混凝土拱桥三维设计与稳定分析［J］.西部交通科技，2022（5）：112-115.

［3］陈刚.BIM技术在预制T梁钢筋设计优化中的应用［J］.西部交通科技，2022（1）：112-114.

［4］周群，黄莹，荣浩，等.基于BIM技术的装配式市政桥梁设计管理研究［J］.西部交通科技，2019（6）：102-107.

［5］张胜超，郭新贺，鲍大鑫.基于Dynamo的预制箱梁BIM模型参数化建模技术［J］.土木建筑工程信息技术，2021，13（3）：107-111.

［6］汪家华.基于Revit的连续刚构桥BIM正向设计与应用研究［D］.重庆：重庆大学，2020.

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［8］毕玉，张明闪，吴昊柱，等.桥梁混凝土节段梁钢筋数字化制造技术研究［J］.公路，2022，67（8）：172-177.

［9］張晓光，刘冲，李乐，等.BIM技术在桥梁工程施工中的应用［J］.科技与创新，2022（13）：166-168，171.

［10］ 李宝元，张灵通，陈亚飞，等.某大桥基于Revit软件的桥梁BIM模型设计［J］.四川建材，2022，48（8）：142-143.

作者简介：农左（1993—），工程师，主要从事交通工程建设与BIM技术应用管理工作。