摘要：研究了应用于钢箱梁顶推施工的BIM模型建模方法、钢材用量校核方法及施工方案模拟优化的关键。建立了考虑预拱度的钢箱梁模型、含钢筋的桥墩模型，整合形成桥梁施工BIM模型。进行用钢量统计并进行了与设计统计结果及实际施工材料消耗结果的校核，分析了设计质量统计误差原因。完成了钢箱梁吊装、顶推、落梁全过程施工方案模拟检验与吊装作业优化。关成果证明BIM技术在桥梁顶推施工中具有很好的适用性，为项目管理人员进行精细化施工质量控制提供了信息化技术手段。
关键词：建筑信息模型;钢箱梁;顶推施工;模拟;信息化管理;
基金：交通运输行业重点科技项目(2018-MS4-115);
论文以交通运输部第三批绿色公路典型示范工程524国道通常汽渡至常熟三环段改扩建工程钢箱梁顶推施工项目为依托，基于高精度钢箱梁BIM模型和实景模型，进行了钢材用量统计校核，建立了全要素施工BIM场景模型，进行了钢箱梁顶推作业的数字推演，优化设计了吊装机械选型、吊装作业路径以及场地布置，有效提升了钢箱梁顶推作业质量，保障了施工安全，为工程品质化建设提供了很好的技术支撑。
1钢箱梁高精度BIM模型构建针对钢箱梁构件数量多、不同类型交叉碰撞复杂的特点，依据工程二维CAD图纸，采用PowerCivil制作线形，MicroStation与OpenBridgeModeler建立构件并装配成整体BIM模型，具体流程如下。
(1)上部结构线形绘制。根据设二维钢箱梁平面位置设计图纸，在PowerCivil中制作平面线形。综合钢箱梁纵面线型设计数据与预拱度设计数据，制作纵面线形。完成平纵线形的关联工作，获得并导出alg三维线形文件，如图1(a)所示。
(2)上部结构纵向构件建模。对于顶板、底板、腹板、加劲肋等钢箱梁上部结构纵向构件，采用横断面依据线形放样的方法完成建模工作。利用OpenBridgeModeler创建横断面模板，导入三维线形文件，依据线形拉伸横断面，完成纵向构件的建模工作，如图1(b)所示。
(3)上部结构横向构件建模。补充完成翼缘板、横隔板及相应加劲板等构件的模型建模工作，导入三维线形文件，依据设计位置完成横向布置模型，如图1(c),1(d)为横隔板建模与放置过程。
(4)上部结构构件模型合并。合并所建立的上部结构构件，生成钢箱梁上部结构模型，如图1(e)所示。
(5)上部结构模型拆分。依据项目模型拆分原则，利用软件按曲线剪切实体功能绘制多边形，完成钢箱梁模型节段拆分工作，如图1(f)所示。
在完成上述建模工作基础上，进一步采用专业建模软件与对应建模方法完成桥墩混凝土构件及内部钢筋建模，合并桥梁上部结构构件，生成本项目公路桥梁整体模型。具体模型如图2所示。
2BIM模型在工程建设中的应用2.1钢材用量统计校核钢箱梁结构具有工程造价高、构件种类多、线形复杂、工程量统计难度大的特点，传统的依据二维CAD设计图纸开展全桥的钢材用量统计工作时具有以下难点。
(1)钢箱梁加劲肋、横隔板、护栏断面均为曲面异形，且横隔板和封板均存在过人孔洞，采用人工计算或者平面量取的方法将产生较大误差;
(2)钢箱梁段全长179.6m，横断面跨越25m，属于大型桥梁，由横隔板纵向分成62个部分，因此人工计量方法将十分繁琐和费时;
图1钢箱梁上部结构建模流程下载原图
图2公路桥梁整体模型下载原图
(3)桥梁纵面线形为曲线，相应顶板、腹板、底板、护栏等部件都要随线形弯曲，难以用传统的平面统计方法统计。
(4)面对设计变更，造价工程师需要手动检查设计变更，找到对成本的影响，过程缓慢，可靠性低。
BIM模型作为一种以数字化几何模型，能够真实反映建筑工程的真实几何信息，使高信息化的几何分析成为可能。如图3所示，使用Microstation打开钢箱梁高精度三维模型，在属性一栏可以查询底板加劲构件单元的体积为0.5732m3。
将所建立的钢箱梁模型导入MicroStation，采用报表功能，添加几何元素，选择体积命令，即可一键式导出桥梁上部结构各类构件的几何体积，操作时间共计8分钟。构件几何体积乘以钢材密度得到钢材质量，按照钢箱梁的构件总类进行分类汇总，生成钢材用量统计清单，并将其与设计质量统计结果、实际工程材料消耗统计结果进行对比，结果如表1所示。
其中，BIM统计差值率=(BIM统计质量-实际施工消耗质量)/实际施工消耗质量×100%
图3BIM构件几何信息查询下载原图
设计统计差值率=(设计统计质量-实际施工消耗质量)/实际施工消耗质量×100%
钢板公差质量=小计质量×10%/2
合计质量=小计质量+钢板公差质量
焊缝质量=合计质量×1.5%
项目总计(不含损耗)质量=合计质量+焊缝质量
从表可以看到，在未考虑钢板公差、焊缝及施工损耗的情况下，BIM模型统计质量比实际施工消耗质量少69951.22kg，比实际施工消耗质量少2.36%，设计统计质量比实际施工消耗质量少221509.605kg，比实际施工消耗质量少8.05%;在考虑钢板公差、焊缝及施工损耗的情况下，BIM模型统计质量比实际施工消耗质量少126754.02kg，比实际施工消耗质量少2.36%，设计质量统计未考虑钢板公差、焊缝及施工损耗。
表1钢箱梁钢材用量统计下载原图
通过上述方法可以看出，BIM统计质量与实际施工质量有较高的一致性，而设计统计质量与实际施工质量之间的差值较大，分析误差原因，通过梳理，总结本项目设计工程量统计产生较大误差原因如下:
(1)施工过程中进行了顶板厚度及护栏长度等设计变更，最初的设计统计质量结果无法进行自动化调整;
(2)设计统计质量计算方法忽视了预拱度及构件间的扣减关系，无法很好量测桥梁竖曲线线形、预拱度以及桥面横坡等异形对构件宽体积造成的影响，几何计算准确度较低;
(3)设计统计质量计算方法忽视了人孔、焊接等施工作业过程对钢材的损耗;因而具有较大误差。
综上，基于桥梁上部结构钢箱梁BIM模型的参数化体积统计结果完成钢量用量校核，并对误差进行分析，为钢箱梁节段预制场的材料管理决策提供了有力的数据支撑。
3吊装施工方案模拟与优化3.1吊装碰撞检验与机械选型优化履带吊吊装方案的制定过程包括:首先明确吊装构件的起吊位置及安装位置，结合施工场景特点初步完成吊装机械选型工作，之后依据吊装构件重量及机械性能确定吊臂安全角度范围，最后结合吊臂长度确定吊装施工点位。
项目最初吊装作业施工方案基于二维图纸完成，依据二维信息对履带吊型号进行初选，结果为主臂长度为44米的SCC2500C履带吊汽车起重机，如图4所示。
图4传统二维CAD工况图下载原图
为确定履带吊选型的合理性，对上述吊装施工方案过程进行三维检验。首先根据SCC2500C履带吊汽车起重机主臂起重性能及梁段重量信息，确定每一钢箱梁节段起吊回旋半径。
采用所建立的三维施工环境模型，依据目标安装位置，将履带吊放置在满足回旋半径范围内的场地位置，进行三维吊装模拟，排查吊装方案设计的碰撞隐患。经三维空间检验，发现在满足工作半径的情况下，履带吊吊装施工受活动范围约束的影响，仍存在履带吊与临时支架碰撞问题发生的可能性，如图5所示。
为消除施工碰撞，证施工安全与作业进度的顺利推进，决定将履带吊主臂长度调整为46.5m。建立主臂长为46.5m的SCC2500C履带吊三维模型，并将其导入所建立的三维施工场景模型重新进行空间碰撞检验。发现在驾驶员安全作业的条件下，优化后的履带吊型号能有效减小吊装过程吊臂与周围障碍物体发生碰撞的机率。
图5三维吊装碰撞检验下载原图
3.2吊装点位设计原二维钢箱梁吊装施工方案仅给出吊装顺序说明，没有考虑道履带吊进场路线及吊装点位的相关方案内容。为了进一步消除吊装施工碰撞隐患，帮助驾驶员更好的克服由于吊装作业场地狭小、临近支架桥墩密集带来的困难，在完成履带吊选型优化与碰撞检验的基础上，进行履带吊吊装点位优化设计。设计原则为在满足安全回旋半径的条件下，尽量减少履带吊的移动次数，使履带吊在同一点位可以完成尽可能多的梁段的吊装工作。
依据吊装顺序，获得第一片吊装节段的质量及履带吊安全工作半径，以目标安装位置为中心，确定满足安全工作半径的作业区域，如图6(a)所示，其中绿色区域为G5节段安全吊装范围，对应荷载重量为38.79t，安全吊装工作半径为22m。采用相同的分析方法，确定第二片吊装节段的安全吊装范围，如图6(b)所示，其中蓝色圆形范围内为G6节段的安全吊装范围，对应荷载重量为64.56m，安全吊装工作半径为14m。重合履带吊安全吊装区域，选获得可同时满足G5与G6节段安全吊装的作业范围，如图6(c)所示。
重复上述作业流程，即可获取拥有最大重叠次数的吊装工作范围。不同的纵向钢箱梁节段至少需要确定1处吊装点位，根据前后吊装范围位置进行最短距离优化分析，并结合实际施工场地场景特点，可确定最优点位。在三维场景复刻模型上获取吊装点位的空间坐标信息，由目标安装位置计算得到每一梁段的起吊工作半径及对应主臂调放水平夹角。上述工作为履带吊驾驶员提供了详细的吊装作业参考，实现了更加合理与精确的吊装设计。
图6多节段重叠安全吊装范围的确定下载原图
3.3场地布置优化基于前期确定的履带吊吊装点位，进行钢箱梁吊装场布虚拟现实体验，对场布中缺乏合理性以及需要优化的部分进行了解和掌握，进而对其实施相应的科学改良以及优化操作。
宽8.3m的城市河流横跨施工场地，使施工场地存在部分区域软土，承载力较差。在吊装施工作业之前，为满足桥墩及临时支架施工的要求，施工人员已完成了部分区域场地的整平与硬化工作，如图7所示，其中绿色区域为已完成硬化范围，红色区域为原状土(未硬化)区域。由履带吊吊装点位确定工作路径，经虚拟分析发现，部分吊装点位作业区域存在场地硬化不完整的问题，如图7中由J5节段吊装点位确定的部分履带吊作业区域(黄色部分)未完成硬化。在施工过程中，钢箱梁节段质量大，履带吊在吊装作业开始或结束动作时会产生较大动荷载，动荷载将直接传递到施工场地，这要求施工场地能够提供足够的承载力以保障履带吊作业的稳定性与安全性。为防止履带吊倾覆事件的发生，有必要对履带吊作业区域进行提前硬化。
图7施工场地硬化区域的确定下载原图
依据全过程吊装点位及移动路径分析，提前确定软土加固区域面积293m2，辅助场地清理整平加固处理。上述施工场地布置合理性分析有效减少了施工安全隐患与资源浪费，保证了后期梁段吊装工作的顺利进行。
4结论(1)探索了高精度钢箱梁桥梁施工BIM模型建模方法。在建模前期对BIM建模内容、建模精度、模型拆分原则进行了梳理，为建模工作的顺利开展提供了有效约定。建了LOD400精度、考虑预拱度及钢箱梁80节段预制流程的施工BIM钢箱梁模型，同时搭建了包含钢筋的桥墩高精度BIM模型，为后续BIM技术工程应用扩展提供了基本数据。
(2)进行了精确化钢箱梁材料用量校核。工程造价管理的核心任务在于工程量统计，基于CAD图纸的工程量统计具有工作量大、费时、繁琐等特点。采用一键式出量统计方式精确得出箱梁整体用钢量，与设计统计结果进行对比与误差分析，提高了工程预算质量与进度。
(3)完成了钢箱梁施工方案精细化设计。对项目钢箱梁吊装施工方案进行了全过程虚拟推演，找出了机械选型潜在问题，优化了吊装作业施工过程与场地布置，避免了由于设计碰撞、考虑不周造成的经济与工期损失。
当前，我国桥梁建设技术正处于快速发展阶段，BIM技术为高质量工程管理的实现提供了突破口，如何有效利用BIM技术解决工程实际管理问题是当前的工作重点，本项目针对我国桥梁施工管理质量发展需求，从BIM模型建立、用钢量校核、施工方案模拟与优化三个方面展开应用实践，对于我国桥梁顶推建设的工程质量管理具有一定的借鉴意义。
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