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    基于BIM技术的桥梁大跨度钢桁架施工技术

    时间：2023-01-18 12:30:55来源：百花范文网本文已影响人

    李春金

    （广西路桥工程集团有限公司，广西 南宁 530201）

    计算机技术的飞速发展，推动着全球进入智能化和信息化的全新时代［1］。信息技术已经成为当今社会的主流生产力，是影响全球经济的主导力量，信息时代的到来促使全球技术型工业化向着智能信息化时代发展，因此信息技术对经济的发展具有不可替代的作用［2］。建筑信息模型（Building Information Model，BIM）技术是信息时代的产物，它在建筑领域发挥了重要的作用，特别是在桥梁大跨度钢桁架的施工过程中，利用BIM技术对桥梁大跨度钢桁架施工方法和工艺流程进行深化设计，可以对施工过程中的具体问题进行具体分析，科学合理地选择支撑体系，实时检测结构的应力［3］，进而确定桥梁大跨度钢桁架施工过程中的受力状态的切合状况。

    李福生等［4］基于悬臂拼装提出了一种桥梁大跨度钢桁架悬臂架设施工技术，在蚌埠市淮河大桥项目中采用爬行架与吊机组合，结合MIDAS/Civil软件实现钢桁架的悬臂架设模型的构建和分析，结果证明，利用悬臂拼装的桥梁钢桁架的悬臂架可以实现体系的转换，完成了无应力合龙等关键的施工步骤，符合桥梁大跨度钢桁架的悬臂架内应力的设计要求。林国伟等［5］提出了一种基于常规梁体的铁路桥钢桁梁抬升设计方案，实现铁路桥钢桁梁在运行过程中的抬升需求。首先将常规的铁路桥钢桁梁抬升设计方案与基于常规梁体的铁路桥钢桁梁抬升设计方案进行对比，根据实际抬升过程中的工作进度，判断抬升过程中需要修改的轨道尺寸，然后根据吊重量需求的不同，设计了一款可以行走的主梁，实现铁路桥钢桁梁的行走形式提升吊架，在两端相邻的铁路桥钢桁梁之间配备一台提升吊架，实现铁路桥钢桁梁连续抬升的需求。

    根据以上研究背景，本研究利用BIM技术设计了桥梁大跨度钢桁架施工技术，以期提高钢桁架施工的经济效益和工期效益。

    1.1 布置桥梁大跨度钢桁架拼装场地

    桥梁大跨度钢桁架拼装场地的最小需求标准为6.2 m×42 m，标准层钢桁架所需的最小拼装场地为46 m×4.9 m，桥梁顶部的最小拼装场地需求标准为20 m×40 m，经过对比分析，桥梁大跨度钢桁架的现场拼装场地的最小标准为46 m×5.6 m（如图1所示）。

    图1 桥梁大跨度钢桁架拼装场地示意图

    桥梁大跨度钢桁架拼装场地是指桥梁施工现场的临时钢桁架拼装场地，现场拼装场地主要包括桥梁大跨度钢桁架的现场拼装，以及桥面和桥顶的设计拼装。根据现场施工的实际情况，对桥面设计的具体承载能力进行分析，对桥面钢桁架的现场拼装区域进行加固［6］。钢结构的现场拼装阶段，需要就近寻找适合现场拼装的材料堆积场地。

    在施工现场需要寻找合适的场地，对拼装成形的钢桁架进行分段组装，通过大型塔吊运到桥面上，在主吊机控制范围内进行吊装分段与拼装。

    1.2 安装桥梁大跨度钢桁架

    根据桥梁大跨度钢桁架施工项目的结构特点，将钢桁架单元焊接成吊装节段，对吊装节段的尺寸进行检查［7］，待检查合格后，通过水运方式运输到吊装现场。

    在安装桥梁大跨度钢桁架时，首先对桥梁进行施工，然后利用龙门吊对桥梁的临时墩进行施工。桥梁大跨度钢桁架的安装步骤如下：①利用履带吊对桥梁工程进行施工；
    ②安装100 t的龙门吊；
    ③采用履带吊对桥梁大跨度临时墩进行施工，而位于中间段的临时墩需要采用龙门吊进行钢桁架的吊装；
    ④利用龙门吊在每一个桥墩处的中间节段进行吊装［8］，横断面方向采用对称的方式吊装；
    ⑤吊装与中间节段相邻的横撑和平联；
    ⑥对桥梁主桥墩处的节段进行吊装；
    ⑦对桥梁大跨度的临时墩进行施工，将浮吊安装在合龙段，考虑到航道通航给钢桁架安装带来的影响，将驳船的长度控制在30 m以内，桥梁的宽度控制在50 m以内，利用2台龙门吊吊装桥梁中跨的合龙段，在起吊过程中需要保证两边门机的同步性；
    ⑧经过对称吊装之后，对合龙段及相邻横撑和平联进行吊装，完成桥梁大跨度钢桁架的安装。

    根据桥梁大跨度钢桁架的安装步骤，得到钢桁架安装的详细过程，具体步骤如下。步骤一：当下一根钢柱和相应的钢梁完成后，进行钢筋网格板的装配。步骤二：在铺筑之前，开始点对点放置铺面时的基准线，将基准线对齐，安装板块固定，然后将其他板材分别固定，板块的连接处使用卡子固定。板与板的拉钩要牢固，防止在灌装混凝土时发生渗漏。步骤三：在到达安装地点后，必须将垂直的钢筋、底部模具与钢梁焊接在一起。步骤四：在完成预铺区后，为了保证钢筋网架的横向稳定性，应适时进行加固。根据以上步骤的设计安装桥梁大跨度钢桁架。

    1.3 划分桥梁大跨度钢桁架施工阶段

    桥梁大跨度钢桁架施工阶段，根据钢桁架的刚度和强度验算标准，通过选择桥梁大跨度钢桁架的力学行为划分具体的施工阶段。桥梁上部钢桁架主要通过钢桁架单元划分，在对桥梁大跨度钢桁架的整体单元进行分析的过程中，钢桁架和连续桥梁的连接可以不考虑桥梁大跨度钢桁架与混凝土的耦合性［9］，主要考虑桥梁大跨度钢桁架的整体节点。因此，对桥梁大跨度钢桁架施工阶段进行划分时，主要考虑桥梁钢桁架与桥梁主梁之间的刚性连接（如图2所示）。

    图2 钢桁架与桥梁主梁的刚性连接

    对桥梁大跨度钢桁架施工阶段进行分析前，需要根据施工阶段的步骤构建桥梁模型，还要根据施工方案对桥梁大跨度钢桁架建立不同边界组和荷载组［10］，然后根据不同施工阶段的具体操作步骤，分析每个钢桁架的荷载能力，以达到桥梁大跨度钢桁架施工的真实模拟过程。

    在设定好桥梁大跨度钢桁架施工阶段划分的边界条件后，要对边界组进行定义，桥梁大跨度钢桁架施工阶段划分的边界条件如下。

    （1）为了更好地模拟桥梁大跨度钢桁架施工过程，首先要考虑桥墩沉降的压缩力，以及主梁在整个施工过程的荷载能力，并在模型构建初期考虑桥墩的构建［11］。桥墩的底部一般采用6个自由度进行支撑，桥墩的顶部主要利用悬臂式工法实现刚性连接，采用悬臂施工技术开展连续桥梁大跨度钢桁架的施工。

    （2）对于桥梁大跨度钢桁架桥墩的边支座，由于桥梁采用大跨度设计，导致其在整个施工的过程中都会受到拉力的牵制，因此在整个施工过程中必须关注受力的实际状况。在边跨完全合龙前，要考虑钢筋的应力作用，对自由度进行限制，完成活动支座的构建。

    （3）桥墩支架的拆除会影响整个桥梁的受应力，导致失衡问题，因此在整个施工过程中还要考虑临时桥墩的处理问题。为了准确获取临时桥墩在桥梁大跨度钢桁架施工过程中的受力状态，利用BIM技术构建临时桥墩模型［12］，在施工划分的过程中，临时桥墩要与主梁进行刚性连接。

    通过上述阐述发现，利用有限元模型对桥梁大跨度钢桁架施工阶段进行划分［13］，将模型得出的结果与实际情况进行对比分析，对施工阶段的桥梁大跨度钢桁架划分进行实际模拟，实现桥梁大跨度钢桁架与连续桥梁的组合施工，对施工阶段进行划分后，利用悬臂施工法进行分段浇筑施工，等待全桥合龙后，方可对桥梁大跨度钢桁架进行建模。

    1.4 桥梁大跨度钢桁架建模

    对桥梁大跨度钢桁架建模的过程中，可以采用三维模型作为可视化模拟的基础，在Revit软件平台上构建桥梁大跨度钢桁架模型，也可以考虑与云端数据库的结合，在云端下载设备的空间操作方法及空间的移动方向。在完成桥梁大跨度钢桁架的建模后，利用设备模拟机制对桥梁大跨度钢桁架施工过程进行模拟，完成三维建模后，可以实现实际施工过程中的模拟效果。因此，设置施工设备的参数时，还要对空间运转设备的操作机制进行设计。塔吊的空间操作机制分析图如图3所示。

    图3 塔吊的空间操作机制分析图

    桥梁大跨度钢桁架结构中的构件种类较多，对拼装的精度要求也很高，图3选取的参数对整个桥梁大跨度钢桁架构建过程十分重要，需要对样板文件中的几何参数和位置关系进行有限元设计［14］。

    桥梁大跨度钢桁架的建模过程，主要采用焊接箱进行截面焊接，钢桁架宽度为780 mm，钢桁架高度为1 200 mm，钢板厚度为29～38 mm。腹杆采用“H”形截面，高 600 mm，外宽650 mm，板厚22～28 mm。桥梁大跨度钢桁架主桁弦杆和腹杆的连接主要采用高强度螺栓，具体建模步骤如下：①构建常规模型的样板文件，再根据施工步骤设计总项目流程；
    ②根据二维图纸进行建模，分别在样本文件中设置几何参数和位置关系标签，并进行关联；
    ③按照上面设置的几何参数，绘制三维桥梁大跨度钢桁架模型；
    ④根据关联材质标签，完成桥梁大跨度钢桁架的建模工作，形成参数化的样本模板，分别载入建模数据库中。

    根据塔吊的空间操作机制分析图，对样板文件中的几何参数和位置关系进行有限元设计，完成桥梁大跨度钢桁架的建模。

    1.5 基于BIM技术模拟桥梁大跨度钢桁架施工流程

    将BIM技术与桥梁大跨度钢桁架施工进度进行关联，构建3D桥梁大跨度钢桁架施工模型以及相关的4D演示视频，可以更加直观地观摩整个桥梁大跨度钢桁架施工的进度。基于BIM建模的过程［15］，在施工阶段要对施工的工序进行严格的把控，在这一方面，BIM技术针对的不仅是施工流程和方法的模拟，还是对整个施工流程可行性的验证，最终选择最优的施工方法进行桥梁大跨度钢桁架施工建设，促使施工流程中各种预设都可以满足施工进度，避免施工拖延问题。

    利用BIM技术模拟桥梁大跨度钢桁架施工流程如图4所示。

    图4 桥梁大跨度钢桁架施工流程

    2.1 工程概况

    某一特大桥与河面斜交呈87°，主桥部分为三跨变截面的钢桁架桥，该桥梁的跨径布置为80+150+80=310 m，桥面的宽度为58 m，分为左右两幅，每一幅宽度为28 m，中央分隔带为2 m，桥梁纵坡与线路竖曲线相同，位于缓和曲线段。

    该桥梁的主桥面板是由30 cm厚的混凝土浇筑而成，局部进行了加腋处理，厚度为40 cm，混凝土桥面板通过“T”形板与钢桁架连接，对桥梁混凝土面板进行分段浇筑，桥面预应力根据桥面节段进行分批张拉施工。

    2.2 制订施工方案

    为了保证实例分析的严谨性，在实例分析中，制订两种施工方案，具体如下。

    （1）方案一分为4个阶段：阶段一为桥墩结构的施工；
    阶段二为完成150 m跨径及150 m跨径以前的桥梁结构施工；
    阶段三为完成150 m跨径及150 m跨径以后的桥梁结构施工；
    阶段四为完成钢桁架施工。

    （2）方案二分为5个阶段：阶段一为桥墩结构的施工；
    阶段二为完成150 m跨径及150 m跨径以前的桥梁结构施工；
    阶段三为完成150 m跨径及150 m跨径以后的桥梁结构施工；
    阶段四为安装150 m跨径及150 m跨径以后的钢桁架；
    阶段五为完成钢桁架施工。

    2.3 结果分析

    为了验证文中施工技术在某一特大桥梁大跨度钢桁架施工中的可行性，引入钢桁架的最大变形和最大应力指标，对上述两种施工方案各个阶段钢桁架的最大变形和最大应力进行测试，结果如下。

    施工方案一中各个阶段钢桁架的最大变形和最大应力测试结果如图5所示。

    图5 方案一：最大变形和最大应力测试结果

    图5的结果表明，采用基于BIM技术的桥梁大跨度钢桁架施工技术时，方案一的4个阶段的钢桁架最大变形在4 mm以内且前两个施工阶段的钢桁架最大变形比较小，在2 mm以内，满足桥梁大跨度钢桁架施工对变形量的控制要求；
    在钢桁架最大应力测试中，方案一的4个阶段的钢桁架最大应力为3～9 MPa，对桥梁大跨度钢桁架的影响比较小，可以忽略不计，验证了文中施工技术的可行性。

    施工方案二中各个阶段钢桁架的最大变形和最大应力测试结果如图6所示。

    图6 方案二：最大变形和最大应力测试结果

    从图6的结果可以看出，第二种方案采用文中施工技术时，测试得到的钢桁架最大变形和最大应力都比较小，考虑到桥梁大跨度钢桁架施工的现场组织情况，方案二的钢桁架最大变形和最大应力满足桥梁大跨度钢桁架施工的要求，进一步验证了基于BIM技术的桥梁大跨度钢桁架施工技术在实际应用中的可行性。

    本文提出了一种基于BIM技术的桥梁大跨度钢桁架施工技术，经实例分析得出，该施工技术可以降低钢桁架的最大变形和最大应力，具有一定的可行性。但是本文的研究还存在很多不足，在今后的研究中，希望可以考虑施工过程中的劳动力安排，从而提高施工效率。

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