该简支系杆拱桥为下承式简支拱, 整体呈提篮式, 上跨地方交通要道, 紧邻城区河网, 如图1所示。梁部全长99m, 计算跨度96m, 为单箱三室预应力混凝土箱形截面, 梁高2.5m。拱肋线形为二次抛物线, 内倾8°, 横截面为哑铃形, 高2.7m, 上、下弦管均采用厚20mm的钢板卷制而成且直径1m。拱肋间设置1道一字横撑及4处K撑作为横向连接。全桥共设置13对吊杆, 吊杆间距6.0m。系梁共13个节段、分3次浇筑完成, 每侧拱肋分为9节段进行安装 (含拱脚预埋段) 。

简支拱桥的施工工艺复杂、管理难度大, 主要表现为: (1) 系梁预应力体系复杂全桥共76道纵向预应力筋、133道横向预应力筋, 预应力筋布置密集, 且横向预应力筋大部分都通过预留孔洞与下锚箱锚固, 易出现构件之间的碰撞; (2) 构件预埋工作量大、安装精度要求高共涉及4处拱脚段、26个下锚箱的预埋, 预埋精度一旦超出容许范围, 后果不堪设想; (3) 结构信息传递难度大设计院交付的施工图仅为二维施工图, 在结构信息传递的过程中, 容易出现丢失、错漏情况;尤其是钢结构部分, 信息传递不顺畅易使得钢构件的预制、安装等工作受到阻碍。

三维建模是BIM技术与实际施工有效结合的前提。通过将传统的二维图纸转换为三维模型, 然后基于三维模型进行施工分析与优化。简支拱整体构造及节段划分如图1所示。

简支拱构造相对复杂, 特别是在构件的连接处, 极易出现碰撞冲突现象。传统上, 图纸会审主要依靠施工者的经验, 基于二维设计图纸开展, 此法往往费时费力、效率低下, 难以有效检查出存在的问题。

使用Navisworks对简支拱模型进行整合, 分别对预埋件、预应力管道进行了碰撞检查。此法高效、直观地发现了图纸中存在的问题, 能够及时向设计方进行问题反馈。简支拱下锚箱预留孔与预应力管道的碰撞如图2所示, 通过及时调整图纸, 避免了下锚箱预埋件返厂修复等延误工期的情况。

简支拱上部拱肋结构为钢结构, 分节段预制完成后, 运输到现场进行吊装、焊接。为确保钢构件预制精度满足要求, 使用Tekla软件对钢结构进行了深化设计, 建立了拱肋钢结构模型, 具体如图3所示。

使用BIM软件对钢结构设计进行深化、再出图, 这一过程不但可以对施工图的准确性进行复核, 还可以提高钢材下料准确率、减少材料损耗。

简支拱施工现场平面布置要考虑到既有交通干线的防护、车辆分流措施及交通管制标识的布设, 施工区域、生活区域及物料存放区域的合理划分及周围环境 (河道、水塘等) 的影响等因素。对于空间布置而言, 要考虑到车辆通行净空要求, 各类大型机械的进场要求, 汽车式起重机、塔式起重机等大型机械的作业要求等因素。由于多种因素的影响, 实际施工作业空间并不是很大, 平面及空间布局的合理性便显得尤为重要。如图4所示, 精确模拟了拱肋分节吊装各工况。

由于影响因素较多, 施工现场的规划工作往往会牵涉多个部门, 部门之间的想法、工作可能会相互冲突。BIM技术可以将诸多影响因素整合起来, 通过模拟现场平面及空间布置情况, 让各部门之间协同工作, 达到合理布置施工现场平面、空间布局的效果, 发现不足时也可进行及时调整。施工现场平面布置如图5所示。

简支拱下锚箱及拱脚的预埋直接影响到全桥的施工质量。将BIM模型坐标系转换为实际空间坐标系, 可以实现直接通过模型获取简支拱桥各构件的定位坐标, 降低了测量工作难度, 提高了现场构件安装的效率 (见图6) 。

拱肋的拼接是简支拱施工中至关重要的1道工序, 能否精确完成拱肋的拼接工作将直接影响简支拱工程的施工质量。使用BIM技术对这一施工环节进行了多次模拟, 最终达到合理调控、优化资源配置的目的 (见图7) 。

要实现拱肋的虚拟拼接, 需要有2个部分的模型, 即现场已安装就位的拱肋模型和将要拼接的拱肋模型。已拼接完成的拱肋模型可以通过现场采集数据进行三维模型的建立, 尚未拼接的拱肋模型则可以采用设计模型来代替。目前已经有相关技术能够对既有结构进行三维扫描, 大大减少了建模时间。如果能够在拱肋实际拼接之前对其进行精确模拟, 便能提前发现、解决问题, 减少过程中不必要的麻烦。

将施工模拟过程作为交底的载体, 使施工人员能够直观、清楚地了解施工工艺的过程, 提高了传统交底的效率。

简支拱施工工序复杂, 基于二维图纸的平面化进度调控办法使用较为困难。而基于BIM技术的5D施工模拟, 可以很好地统筹施工模型、时间、资源配置之间的关系。两者对比如图8所示。

通过对比, 传统的进度调控方法无法对施工进行事前模拟, 仅凭施工者的经验直接指导施工, 对项目进度计划的优化不够充分, 一些问题只能等到施工时才能发现。而基于BIM技术的进度调控方法是经过反复修改、提前预案、多次模拟施工后才进入指导施工这一环节的。两者相比之下, 后者优势明显。一方面, BIM技术可以将施工过程按照日、周、月等时间单位进行模拟, 并根据现场情况进行实时调整;另一方面, 可以对施工机械配置规划、材料供应计划、构件安装工序、材料的运输堆放安排等提前制定措施, 最终达到合理调控进度、优化资源配置的目的。

BIM技术给简支拱桥施工的过程控制和精细化管理水平都带来了提升, 主要有以下几点: (1) 通过深化设计、碰撞检查, 降低了钢构件预制中钢材的损耗率, 杜绝了因图纸问题导致的返厂返工; (2) 利用BIM模型进行空间点位坐标的转换, 大大提高了现场构件安装的效率、节约了时间成本; (3) 5D施工模拟直观明了, 进一步优化了施工进度计划及资源配置, 施工管控能力得到提升。