1 工程概况

　　本文以100m跨钢管混凝土系杆拱桥为工程实例开展应用研究，桥梁系梁全长102.7m，计算跨度100m，矢跨比f/L=1.5，拱肋立面投影矢高20m，拱肋采用二次抛物线，拱肋立面投影方程y=4×20(100-x)x/100²。拱肋在横桥向内倾8°，呈提篮式样，拱顶处两拱肋中心距11.283m。拱肋横断面采用哑铃形钢管混凝土截面，截面高h=2.8m，钢管直径为1.0m，由16mm厚钢板卷制而成，每根拱肋的两钢管之间用δ=16mm厚腹板连接。钢管内灌注C50补偿收缩混凝土。

　　拱肋之间设1道一字撑和4道K撑。一字撑由外径1.0m圆形钢管组成，斜撑由外径0.8m圆形钢管组成，钢管内均不填充混凝土。吊杆采用平行布置，吊杆间距均为5m，全桥共设15对吊杆。

　　系梁采用单箱三室预应力混凝土无悬臂箱形截面，梁高2.8m，梁端加宽至3.0m，顶板厚0.35m，底板厚0.35m，边腹板厚1.2m，中腹板厚0.4m。系梁桥面板宽18.6m，底板宽18.6m(见图1)。

　　

　　图1 钢管混凝土系杆拱桥立面 

　　 

　　2 BIM建模软件体系

　　要实现对工程项目的全过程管理，建立一个完备的、切实可行的BIM建模软件体系至关重要，是开展全过程项目管理工作的基础。Revit软件可作为BIM技术的核心基础软件，运用Revit软件进行三维建模可将实际工程项目建立为三维空间、四维进度、五维成本于一体的综合应用模型，为BIM软件体系的其他软件提供基础建模信息^[1,2]。

　　在桥梁工程领域，结构分析软件是与BIM核心基础软件配合度较高的软件，结构分析软件可对桥梁结构及其附属临时结构进行可视化建模和力学分析，分析结果可对桥梁结构及其附属临时结构体系及特性进行优化，同时将优化的结果反馈到BIM核心建模软件，实现设计和施工的信息实时交换更新。本项目采用Midas Civil结构分析软件，可与Revit建模软件配合使用。

　　3 设计阶段BIM应用

　　3.1 结构设计

　　通过深化设计模型的建立，解决结构碰撞、设计不合理等问题，减少图纸的错、漏、碰、缺，解决设计图纸错误，为施工阶段提供精确的施工图纸，减少施工过程中的设计变更^[3]。桥梁结构的Revit基础模型和Midas结构模型如图2所示。

　　

　　图2 桥梁建筑信息模型 

　　 

　　3.2 施工方案初步模拟

　　根据桥梁的结构形式和场地条件制订初步施工方案，本项目涉及的关键施工方案包括系梁满堂支架施工方案和拱肋钢管临时支架施工方案，在设计阶段提出的初步方案如图3所示。

　　

　　图3 系梁搭设满堂支架与拱肋搭设钢管临时支架初步方案  

　　 

　　由图3可知，设计阶段提出的施工方案只是提供方案的方向，后续施工阶段还须通过BIM施工模拟和方案比选优化施工方案，得到可实施性高、成本低、工期短的最优施工方案。

　　3.3 BIM设计模型移交

　　传统设计模式下，设计单位完成初步设计和施工图设计后，将CAD二维图纸成果移交给施工单位，施工单位在施工阶段按图施工。

　　运用BIM技术的可视化功能，设计单位在对施工图纸进行设计交底时可直观展示三维桥梁结构，可提高施工设计图的交底质量。BIM设计模型包含设计阶段的全部项目信息，这些信息能完整地移交给施工单位，施工单位在此基础上进行深化研究完善，延续了工程项目的信息化、可视化管理^[4,5]。

　　4 施工阶段BIM应用

　　施工单位在接收到设计单位提供的BIM设计模型和设计图纸后，对BIM模型进行进一步深化研究，生成符合施工要求的BIM施工模型。运用BIM施工模型可协助完成施工方案的可视化模拟和有限元力学计算分析、可视化的施工技术交底和安全交底、可视化的施工进度管理等一系列工作，在施工现场有效指导施工。通过施工阶段的项目管理，逐步完善BIM施工模型，完工后整合所有施工信息，形成一套真实可靠的建筑信息竣工模型^[6]。

　　4.1 施工方案模拟

　　与传统的施工专项方案编制相比，基于BIM技术的施工方案编制过程中，建立BIM结构模型实现了有限元力学分析和整体稳定性分析，建立BIM基础模型实现了施工专项方案的三维可视化和四维预施工。

　　4.1.1 施工方案力学分析

　　本项目涉及的关键施工方案包括系梁满堂支架施工方案和拱肋钢管临时支架施工方案，其中拱肋钢管临时支架施工方案经结构优化后力学性能和整体稳定性能^[7]如图4与表1所示。

　　

　　图4 拱肋钢管临时支架施工应力云图 

　　 

　　  

　　表1 拱肋钢管临时支架整体稳定系数 

　　 

　　 

　　

　　表1 拱肋钢管临时支架整体稳定系数

　　根据上述结构分析可知，在钢管拱肋吊装过程中，拱肋支架最大压应力为55.2MPa，最大拉应力为59.3MPa，整体稳定系数为73.7;在拱肋混凝土浇筑过程中，拱肋支架最大压应力为143.3MPa，最大拉应力为75.3MPa，整体稳定系数为12.0，拱肋支架在各施工阶段受力性能较好。

　　4.1.2 施工方案三维模拟

　　运用BIM技术可对桥梁结构及其附属结构、临时设施构件进行全方位模拟，快速提取各构件的具体属性及工程用量;结合施工进度计划，可在Revit软件和Midas软件中对施工顺序进行模拟，有利于施工技术人员直观地分析判断方案的可行性、了解方案的具体工艺流程、优化方案中的临时设施结构等，从而保证在现场施工前解决技术难点和排除操作障碍，减少后期调整方案所引起的投资浪费，同时避免盲目施工、凭经验施工等可能出现的返工和突发事件^[8]。经优化后的施工方案基础模型如图5所示。

　　

　　图5 系梁满堂支架与拱肋钢管临时支架优化后施工方案 

　　 

　　4.2 施工技术交底

　　现场施工前，要将施工方案的具体内容对施工管理人员和施工作业人员进行技术交底和安全交底。运用BIM施工模型，让参建人员对桥梁主体结构和临时设施结构每一个构件的属性、功能和施工顺序等进行可视化了解，同时进行现场4d施工模拟可视化交底，对施工过程的施工细节和可能遇到的问题进行详细讲解，分析施工过程中存在的危险源和危险因素，确保所有参建人员都在施工前对施工方案取得清晰认识、掌握防范措施^[9,10]。

　　本项目涉及施工阶段和施工方案较多，在技术交底时，以三维视图直观表达，提高技术交底的效率和效果，为施工过程提供技术基础。

　　4.2.1 系梁施工

　　系梁施工分为A,B节段浇筑，流程如下。

　　1)浇筑系梁A节段硬化施工场地，搭设跨线满堂支架并进行预压，其预压质量不小于系梁及拱肋自重的120%;在支架上浇筑系梁A节段混凝土;混凝土强度达到设计值的95%，弹性模量达到设计值的100%，且龄期≥5d后，张拉纵向预应力钢束T1,B1;交错张拉A节段中横梁横向预应力钢束。

　　2)浇筑系梁B节段在支架上浇筑拱脚混凝土及系梁B节段混凝土，要求对其一同一次浇筑，拱脚与梁部的交界面及拱脚全高范围内均不得设置施工缝;混凝土强度达到设计值的95%，弹性模量达到设计值的100%，且龄期≥5d后，张拉剩余纵向预应力钢束;交错张拉B节段端横梁及中横梁横向预应力。三维技术交底如图6所示。

　　

　　图6 系梁施工技术三维交底  

　　 

　　4.2.2 拱肋施工

　　在桥上搭设用于拼装拱肋的钢管临时支架;将拱肋各分段吊装就位并焊接，焊接拱肋之间的横撑及斜撑;调整拱轴线，焊接拱肋合龙段;泵送拱肋下管管内混凝土，待下管混凝土强度达到100%后，泵送拱肋上管管内混凝土，对称、均匀灌注拱肋腹板内混凝土，待拱内混凝土强度达到100%后，拆除拱肋支架。三维技术交底如图7所示。

　　

　　图7 拱肋施工技术三维交底 

　　 

　　4.2.3 吊杆施工

　　安装吊杆，在梁部顶面上方同时单端张拉对称吊杆(即每次张拉4根)，吊杆分2次张拉;张拉完成后拆除梁部支架。三维技术交底如图8所示。

　　

　　图8 吊杆施工技术三维交底 

　　 

　　4.3 施工进度管理

　　基于BIM技术的施工进度管理主要是运用Revit,Navisworks,Project等软件进行进度计划管理。将Revit模型提供的基础信息导入Navisworks软件，再将BIM工作小组编制的总体进度计划project文件导入Navisworks软件，创建4d进度BIM模型^[11]。

　　在施工进场前，通过业主单位、设计单位和施工单位的统一研究确定总体进度计划管理，将编制的进度计划project文件和BIM施工模型进行匹配，得到三维可视化的施工进度模拟。

　　根据本工程特点，对可能制约进度的因素进行分析，如针对涉及高速公路施工手续办理因素组建专门团队加快手续办理、针对工序相互制约因素制订三维施工技术交底方案、针对新增变更因素设置BIM模型管理专员加强设计与施工的信息对接等，更加准确地分析施工总体进度计划的合理性，确保进度计划切实可行。在施工过程中，根据施工现场的实际进展情况，可对实际进度和进度计划进行对比分析，必要情况下可对进度计划进行调整。同时，统筹规划BIM施工模型中时间、工程量和造价等数据信息，制定施工材料、机械及劳动力的计划，确保本工程项目的顺利实施^[12]。

　　4.4 施工成桥后力学性能分析

　　在桥梁各结构关键截面埋置或绑扎好传感器，实时采集相关基础数据，运用BIM结构模型，专业技术人员对实测数据与理论数据进行对比，超出限值系统即发出预警^[13]。施工过程中须收集的桥梁结构受力性能基础数据包括:(1)拱肋结构变形、应力等;(2)系梁结构变形、应力等;(3)吊杆结构索力、拉索振动等。

　　施工成桥后基础测试数据对比分析如图9～11所示。

　　

　　图9 成桥后拱肋应力 

　　 

　　由成桥后拱肋的实测数据可知，拱肋上、下缘都呈现压应力^[13]。就拱肋上缘而言，拱脚压应力较小，压应力最大值出现在1/4跨位置;就拱肋下缘而言，拱脚压应力较大，压应力最小值出现在1/4跨位置(见图9)。

　　由成桥后系梁的实测数据可知，系梁上、下缘都呈现压应力，梁端截面处压应力最小，跨中截面处压应力最大(见图10)。

　　

　　图1 0 成桥后系梁应力 

　　 

　　

　　图1 1 成桥后索力测试结果 

　　 

　　吊杆索力设计值与实测值最大偏差为6%，内力值基本符合要求，若施工过程中个别吊杆索力与理论值差别较大，则须进一步调整^[14](见图11)。

　　在拱桥成桥后对拱肋、系梁和吊杆力学数据进行测试，并与理论值进行对比分析，实现全生命周期记录力学性能数据，更便于对桥梁结构承载效果进行预判^[15]。

　　4.5 建筑信息竣工模型的整合与移交

　　项目实施过程中已对桥梁结构的Revit基础模型和Midas结构模型进行实时更新完善，项目完工后须对基础模型和结构模型进行最后的整合与调试。

　　BIM工作小组组织各参建单位整理竣工资料，审查各单位提供资料的完整性和准确性，包括工程变更的相关资料，整合成为建筑信息竣工模型的基础资料。对建筑信息竣工模型的整合效果进行检测，运用BIM基础模型和BIM结构模型进行演示，检查各类信息的整合情况。

　　建筑信息竣工模型整合了设计和施工阶段的所有信息，尤其是在施工过程中根据现场的实际施工结果，对BIM模型进行了实时更新，使建筑信息竣工模型包含设计、施工全过程的项目信息，这些信息能完整地移交给运维单位，实现了全生命周期的项目管理^[16]。

　　5 结语

　　本文探索的是BIM技术在钢管混凝土拱桥项目中的应用，运用BIM技术进行高效管理，提高项目信息化管理水平，提高项目管理工作效率，主要结论如下。

　　1)设计阶段运用BIM模型完成方案设计、结构设计和深化设计，优化施工图纸，减少图纸的错、漏、碰、缺，为施工阶段提供精确的施工图纸，减少施工过程中的设计变更。

　　2)施工阶段基于BIM技术进行施工方案编制、施工技术交底、施工进度管理和施工成桥分析等。本项目运用BIM结构分析软件优化各阶段施工方案，运用BIM核心基础软件更新输入优化后的施工方案，优化资源配置计划，对参建人员进行三维技术交底，分析制约施工进度的各项影响因素，施工完成后运用BIM结构分析软件计算力学性能，分析桥梁承载效果，实现了全过程系统化的项目管理模式。

　　3)本项目建立了BIM全生命周期信息共享平台，项目业主、设计、施工、监理等参建各方可根据需要实时提取和更新项目信息，实现全过程、全方面信息共享，加强参建各方之间的项目数据联动，提高了项目管理工作效率，使项目更科学地调配资源，为项目决策创造条件。