| 标题 | 高速铁路系杆拱桥BIM技术研究 |
| 范文 | 谢兴定 摘要： 为使高速铁路某系杆拱桥在施工阶段实现信息化，建立了全桥BIM模型，进行了主要施工阶段复杂构件的碰撞检查，避免了工程事故的发生，实现了三维出图，4D虚拟施工，场施工测量中密切结合BIM模型提供的三维数据进行核对，不仅实现了三维可视化放样模拟，而且提高了放样精度；BIM技术运用在拱肋施工监控中，利用可视化指导了拱肋的定位拼装，使其更接近设计值；实现了BIM的物理模型与有限元软件ANSYS的计算模型进行转换，减少了工程师建立ANSYS模型的工作量，实现了三维可视化模型与ANSYS有限元模型之间的及时转化，可极大地减少ANSYS有限元建模时间；其与GIS的集成基本实现了宏观区域性管控基础建设信息的能力。结果表明：通过BIM技术的应用，提高了高速铁路系杆拱桥施工建造过程管理的信息化水平，可为同类工程BIM技术应用提供借鉴。 Abstract： In order to make tied arch bridge of high-speed railway informational in the construction phase， we used BIM technology achieving the goal of impact checking， three-dimensional map， construction monitoring， 4D virtual construction in engineering； The BIM technology in the construction survey provides a powerful three-dimensional visualization effect to control the setting error more accurately； BIM technology is used in the construction monitoring of arch ribs， which accurately guides the positioning and assembling of the arch ribs to make it closer to the design value； The combination of the physical model of BIM and the calculation model of the finite element software ANSYS makes the numerical analysis more accurate and greatly improves the computational efficiency； Its integration with GIS basically realizes the capability of macro regional management and control of infrastructure information； The results show that it improves the informatization level of the construction process management of high-speed railway tied arch bridges by using BIM technology， and it provides some reference value for the application of BIM technology in such bridge engineering. 關键词： 高速铁路；BIM；施工监控；有限元；GIS；信息化管理 Key words： tied arch bridge of high-speed railway；BIM；construction monitoring；finite element；GIS；information management 中图分类号：TU17 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）18-0163-03 1 概述 BIM即Building Information Modeling，意为建筑信息模型，是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为基础，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息，通过三维建筑模型，实现工程监理、物业管理、设备管理、数字化加工、工程化管理等功能，被业界视为继CAD之后建筑行业的第二次革命[1]。它具有信息完备性、信息关联性、信息一致性、可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性八大特点[2]。 建筑业信息化是建筑业发展战略的重要组成部分，也是建筑业转变发展方式、提质增效、节能减排的必然要求，对建筑业绿色发展、提高人民生活品质具有重要意义[3]。 从长远看，BIM技术必将引领建筑信息化的发展潮流，从各个方面很大程度的提高土木工程信息集成化的程度[4]。 2 BIM技术应用 2.1 BIM三维出图 本文以一座高速铁路尼尔森体系系杆拱桥的建造过程为例，阐述了BIM在桥梁工程中的具体应用。本桥计算跨径为128m，拱肋采用悬链线线型，拱肋在桥横向内倾9°，形成提篮式。吊杆布置采用尼尔森体系。拱肋构造复杂，安装精度要求高，同时也具有很高的技术风险。使用BIM技术后，利用BIM技术的自身优势，可在一定程度上降低上述风险隐患，为安全施工提供技术保障。 图1为采用Bentley-Prostructure软件建立的系杆拱桥三维BIM可视化模型，对于复杂的桥梁结构利用BIM模型的三维表达较传统二维图纸更清楚、更易理解。 通过进行参数化三维实体模型的建立可以很方便的依据实际需要进行优化调整，能够直观地将设计理念及效果以三维可视化模型为载体传递给项目决策者 [5-7]，使用三维出图可视化技术进行交底及作业指导如图2所示，使管理人员能及时了解施工工艺，将建设单位、设计单位、施工单位、监理单位等项目参与方置于同一平台上，共享同一建筑信息模型[8]。 2.2 BIM碰撞检测技术 在以往的工程设计中，某一工程项目往往由多个专业、多个设计人员共同参与设计完成，由于二维图纸仅由设计模型在某一平面内的投影所生成，受限于设计人员的空间想象力，不可避免地会造成体积碰撞冲突。一般情况下，都是在施工过程进行中才发现问题然后返工。 BIM技术最明显的特征就是三维可视化，可以在施工前期、中期进行碰撞检查，彻底地消除碰撞隐患，避免设计变更及返工。在BIM模型建立过程中发现，根据设计院给出的吊杆上下锚头坐标，内外吊杆下部发生了碰撞且拱肋与梁端之间吊杆穿过不在一条直线，如图3所示。与设计院沟通后更正了设计方案成功避免了返工。 2.3 施工测量中的BIM技术 放样一直在测量学科中占据很重要的位置。就其数学原理和精度的控制其实早就发展得很成熟了，同时也有很多成熟的方法。随着BIM应用的不断深入，使得放样的作业理念也发生了革命性的变化。以往放样时使用的多数是二维的图纸，在放样前需要对放样数据进行计算和整理，放样点之间的几何关系和相对位置不清楚。但是BIM技术的引入使得放样过程变得更加简单，配套相应测量设备和BIM图纸就可以在三维模型中直接导出坐标值，直观地将待放样点位直接放样出来[9]。 通过将系杆拱桥BIM模型移动至放样点处，其所有结构的坐标就转换到了施工单位使用的大地坐标中，例如可导出吊杆下锚块處坐标，见图4。 通过分析，发现理论计算大地坐标结果与BIM导出大地坐标结果相一致，两者误差不大于1mm，满足施工放线要求[10]。 2.4 施工监控中的BIM技术 施工监控是桥梁工程中不可或缺的一部分。BIM是一个具备强大的信息集成的容器，将施工监测信息按照特定规则进行动态的集成和存储，可以加强对监测信息的有效管理，提高信息的统一性和条理性，即此时BIM己成为施工监测信息管理和共享的平台，为施工的决策提供支持 [11]。 桥梁施工控制的任务就是控制桥梁结构在施工过程中的稳定性、结构应力、结构变形等始终处于一个合理的范围内，确保成桥线形和结构内力符合设计要求[12]。 将拱肋测点相对坐标值导入BIM模型中，各测点分别在模型中标出，将相对坐标进而换算到全局坐标中，通过在模型中计算可得出各个测点在理论状态中全局坐标中的坐标，将理论坐标和现场实测数据进行比较分析，当数据分析后误差在范围以内，方可进行下一节段拱肋拼装；当测点的实测坐标超出误差范围，开始进行纠偏措施，图5为基于BIM的拱肋线性监控。 施工监控组织设计应用BIM技术的4D虚拟施工特性，不仅可以更直观的三维展现施工进度信息，更可以结合工程量信息整合项目成本控制，使施工备料、人力资源安排、资金与进度控制等方面得到动态精细化管理[13]。图6为拱肋施工动态模拟，以动画形式模拟施工步骤，方便施工技术交底及计划进度安排等。 2.5 BIM与有限元ANSYS集成 目前BIM技术各核心软件缺乏与其他建筑行业相关软件的接口，导致BIM技术的应用仍停留在三维出图、工程算量、4D工程项目管理等层面上，难以与有限元软件相结合来验证整体设计方案的安全性。传统数值分析中，由于计算软件模型功能有限，造成了建模工作量大和模型精度不高的问题[14]。将BIM技术与有限元软件ANSYS相结合共同应用于桥梁工程中，既能发挥BIM强大的建模功能，又能运用有限元软件来精确分析桥梁工程中各个建造阶段的安全问题。 通过将建立的拱脚BIM模型以parasolid格式导入大型有限元分析软件ANSYS，依次赋予钢管拱肋为shell181壳单元、拱肋内混凝土及拱脚混凝土为solid185单元，并赋予各部分其相应的材料，施加系梁水平向荷载及拱肋压力，拱脚底面为不动面约束，划分网格后进行计算如图7。 2.6 BIM与GIS集成 地理信息系统即GIS是用于管理地理空间分布数据的计算机信息系统，以直观的地理图形方式计算、分析和显示与地球表面位置相关的各种数据[15]。 BIM与GIS集成应用，可使大规模区域性工程的管理能力得到质的提升。BIM的应用对象往往是单个建筑物，利用GIS宏观尺度上的功能，可将BIM的应用范围扩展至道路、铁路、隧道、水电、港口等工程领域。 GIS的出现为基础建设的智慧化发展奠定了基础，BIM的出现附着了建筑物的整体信息，两者的结合创建了一个可管控大规模区域信息的虚拟建筑模型，而这正是智慧建造的基础[16]。图8为BIM与GIS集成的铁路选线开挖图，精确地定出了高速铁路线，包括铁路、桥梁及隧道，且以经济性为目标快速地统计了填挖方量，为建设单位提供了可视化工程量统计平台。 3 结论 本文通过对高速铁路某128m系杆拱桥建立BIM全桥模型，在工程开工前进行碰撞检测结果为多处交叉碰撞，良好地预防了施工阶段返工及设计变更问题；在施工过程中，利用BIM模型的精确坐标定位指导施工放样，极大地减少了各种人为误差；把BIM模型与实测信息实时关联，实现监控信息在BIM模型中直观的展示，优化了进度安排，提高了决策效率。BIM与有限元软件ANSYS的联合应用提高了施工过程阶段可视化，及有限元模型生成的效率，BIM与GIS的集成将为建成以物联网为基础的智慧建造与运维管理提供了可行性，也为工程顺利地进行提供了数字化安全保障。 参考文献： [1]张建平，李丁，林佳瑞，颜钢文.BIM在工程施工中的应用[J].铁道标准设计，2012，41（371）：10-11. 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