0 引言

　　改革开放40年来，随着综合国力的提升和交通事业的发展，我国桥梁建造水平不断进步，实现从学习追赶、追踪到创新超越的跨越式发展^[1]。近年来，随着桥梁新结构、新材料、新装备、新技术的涌现，我国大跨度桥梁建造技术得到全方位提升^[2]。

　　国家交通强国战略提出，瞄准新一代信息技术、人工智能、智能制造、新材料、新能源等世界科技前沿。中国桥梁2025以桥梁建造技术与互联网、物联网、大数据与云计算等新一代信息技术的深度融合为核心，探索工业化、信息化、智能化和绿色建造的智慧桥梁体系^[1]。

　　目前，我国桥梁信息化技术水平相对较低，尚未搭建完整的BIM标准体系，实现桥梁规划、设计、建造和运营一体的全寿命应用^[3]。本文基于大瑞铁路怒江特大桥拱圈拼装施工，探索基于BIM钢桁架桥智慧建造的同时，以面向交付的施工方法和单元为核心推动BIM模型一模到底，助力桥梁信息化、智能化施工技术的发展。

　　1 工程概况及重难点分析

　　1.1 桥梁结构体系

　　新建大瑞铁路怒江四线特大桥全长1 024.2m，桥面宽24.9m，桥上设会车站。全桥孔跨布置采用(7×41)m连续钢混结合梁+(14×37.2)m连续钢箱梁+(5×41)m连续钢混结合梁。

　　主桥为跨度490m的上承式钢桁拱桥，是全桥施工重点，钢桁拱矢跨比为109.5m/490m=1/4.475，拱轴线为悬链线，拱轴系数m选用2.0。钢桁拱采用提篮4片桁拱结构，拱肋内倾3.657 8°，拱顶处主桁中心相距18m，拱角处主桁中心相距32m。4片桁拱每两片组成1肋，每肋两桁间距3.4m，通过横杆连成整体，如图1所示。

　　

　　图1 项目效果 

　　 

　　钢桁拱总重约27 800万t，由41个节段组成，共926个杆件，通过73 000万颗高强螺栓连接^[4]。

　　1.2 施工方法选择

　　大跨度拱桥按拱桥所处位置、结构形式、跨径大小选择如下施工方法:分支架架设法、悬臂架设法、转体施工法、顶推施工法、组合施工法^[5]。

　　根据场地条件和结构设计特点，怒江特大桥采用缆索吊机进行悬臂拼装^[6]。整节段钢梁架设是钢桁梁技术发展的趋势，若本项目采用整节段吊装，缆索吊最大吊装800t、跨度近700m，后锚紧邻高黎贡山隧道入口，综合考虑全线造价、工期等因素，安全可靠性、经济合理性都不占优势。

　　以杆件为单位时，对吊装设备的要求相对简单，但存在大量高空工作量，较难保证工程质量，需保护工人作业安全^[6]。

　　利用BIM技术可视化、参数化优势，通过三维模型分解、组合、吊装钢桁梁节段，进行虚拟施工，基于BIM的组合式吊装方法成为钢桁梁施工探索方向。以此为基础助力桥梁技术数字化升级，推动数字铁路、智慧桥梁在施工阶段的落地。

　　2 BIM应用策划

　　GB/T 51235—2017《建筑信息模型施工应用标准》中明确指出，工程项目的BIM应用策划应与整体计划协调一致^[7]，参照标准，本项目对BIM应用内容、流程和管理进行相应部署。

　　2.1 BIM应用目标

　　1)全方位、全过程指导施工对拱圈、拱上立柱、拱上梁不同组合拼装的组合模式分别进行吊装顺序模拟、比选，模拟、优化吊装路径，实现BIM模拟全覆盖。

　　2)实现精细化管理将模型应用全方位贯穿于现场管理全流程，实现三维现场指导、现场校验和实时现场追踪，减少现场施工人员施工错误，提高质量控制，降低安全风险^[8]。

　　2.2 BIM应用范围和方向

　　1)基于BIM进行深峡谷地形下斜拉扣挂悬臂系统和缆索吊系统的设计及空间布置模拟，优化全桥施工关键路线。

　　2)采用单件或组合起吊的方式施工，不同部位杆件吊装的先后顺序和路径直接影响安装效率和进度，因此必须对不同阶段进行专项方案模拟。

　　3)杆件起吊到位后需调整仰角、内倾角及自身旋转角，然后插入对接，杆件间隙仅为2mm，杆件起吊、运输、调整、就位的路径和姿态模拟需实现参数化操作和交底。

　　4)需对缆索吊横移、扣锚索安装及拆除、螺栓安装等重点工艺进行可视化与参数化描述，对工班进行可视化技术交底是BIM应用的重点。

　　5)安全监控一直是桥梁施工的重点，基于BIM平台集成三维模型、工况信息、监控量测，实现可视化安全监控，有效提高质量安全管控效率^[9,10]。

　　2.3 资源配置

　　1)人员组成结合数字化桥梁技术的终极目标及BIM底层技术的基本需求，BIM实施团队分桥梁技术、BIM实施、IT支持3个小组。桥梁技术组负责施工方案研究与实施、计算分析与监控监测;BIM实施组负责模型创建、方案优选、工艺模拟;IT支持组负责网络组建、服务器搭设、平台开发、信息安全保障。

　　2)软硬件配置针对拱肋安装钢结构、装配式特点，建模及模拟采用达索3D Experience平台。考虑数据的安全性和网络访问可靠性，将服务器部署于集团总部，通过VPN构建的专属通道连接项目部服务器，既保证数据安全，又有良好的访问性^[8]。

　　3 BIM模型创建

　　3.1 确定模型标准

　　BIM模型是全过程应用的基础条件，对应BIM应用目标和范围，不同的应用需求必须对应模型几何精度、信息深度。怒江特大桥施工应用模型主要包括桥梁主体结构、临时设施、地质模型。

　　在现阶段全寿命周期BIM应用尚未普及的情况下，模型创建大部分由施工单位自行完成，且本项目开展时尚未出台相关标准，按施工组织、方案、工艺模拟需求及软件特性，确定构件的3种精度(见图2)。

　　

　　图2 构件3种精度模型 

　　 

　　各标准出台后，对模型进行校核，总结适合本项目的施工应用标准。模型拆分按铁路工程信息模型交付精度标准^[11]执行;确定模型等级时，按GB/T 51301—2018《建筑信息模型设计交付标准》^[12]，根据包含的最小模型单元，按零件、构件、功能、项目划分等级，再匹配几何表达精度和信息深度执行;各标准对LOD的定义表述不一致，实际建模过程中，精度标准按表1执行;如按阶段划分，大临设施作为设备工程，在项目施工阶段处于运行、维护状态，模型精度应参照运维阶段标准。

　　  

　　表1 结构模型精度 

　　 

　　 

　　

　　3.2 结构建模过程

　　1)基本原则主桥及临时设施结构采用骨架-模板建模方法^[13]，将骨架定位为需要的点、线、面等基本元素，如拱顶中心点、拱圈空间曲面、梁部结构轴线作为骨架。

　　2)建立模板构建工程模板，几何外形相似的构件作为同一模板，通过参数修改实现模型尺寸变化。

　　桥梁主体结构模板主要包括拱圈弦杆、腹杆、平联、节点板、拼接板;拱上立柱、立柱横联、立柱帽梁;梁部主梁、横梁、桥面板等。

　　缆索吊系统及斜拉扣挂系统模板主要包括缆索吊塔架标准节、横梁、帽梁、索鞍、后锚碇、卷扬机、运行小车、缆索;斜拉扣挂锚碇、锚箱、锚梁、扣锚索、扣塔等构件模板。

　　3)模型集成在全桥骨架线的基础上，以各部位对应点、线、面为定位和输入条件，通过模板实例化，完成桥梁主体及临时设施模型的建立。

　　3.3 地形建模过程

　　将桥位处等高线地形图导入Civil 3D中创建地形曲面，根据施工方案对地形曲面进行场地平整等操作，并将处理完的地形曲面以CAD格式文件导出，最后在Catia软件中将结构模型不共线的3个点独立坐标更改为对应的大地坐标，完成结构模型与地形整合，如图3所示。

　　

　　图3 模型集成效果 

　　 

　　4 基于BIM的斜拉扣挂系统设计及验算

　　斜拉扣挂系统设置受地形条件影响极大，通过BIM模拟空间布置，比选扣塔、扣点、锚碇设置，最终采用多塔斜拉方式，共设27层108束扣锚索。交界墩作为主塔锚固25层，邻近引桥桥墩作为辅塔锚固第3,4层，设置11个锚碇。

　　如图4所示，将BIM模型导入Midas软件，对钢桁拱最大悬臂状态进行结构安全验算，按施工顺序将拱圈拼装分31个阶段进行模拟^[6]。取桥址所在地区百年一遇十级大风(26m/s)不利工况，在应力及变形满足安全规范条件下，合理优化扣索、锚索钢绞线组合及扣塔、扣点形式。

　　

　　图4 斜拉扣挂系统设计验算 

　　 

　　5 拱圈吊装模拟及优化

　　5.1 拱圈标准段

　　如图5所示，拱圈由40个标准节段和1个合龙段组成，从拱脚到合龙段的宽度由34m渐变为18m。

　　

　　图5 拱圈节段组成 

　　 

　　标准节段依先内后外、先下后上的安装原则，经过模拟、优化，确定组合吊装及顺序，如图6所示。仅拱圈即减少吊装156次，节约工期78d，且无任何杆件冲突碰撞。

　　

　　图6 拱圈标准节段拼装顺序 

　　 

　　合龙前最后1个标准节段空间狭小，若采用标准节段吊装顺序和路径，吊具及上弦杆无通过空间，通过模拟调整吊装组合与工艺，上弦杆采用单杆吊装方式旋转就位。吊装工艺优化如图7所示。

　　5.2 拱脚预埋段

　　拱脚结构采用插入式预埋的方式，先将锚栓通过支撑托架定位预埋在拱座基础中，然后将拱脚弦杆插入预埋锚栓。

　　

　　图7 吊装工艺优化 

　　 

　　为保证安装精度，如图8所示，预埋段采用钢结构支架定位，在支架上设计定位基准，将预埋段按设计要求角度与拱座直接焊接固定，确保拱脚预埋段定位准确后，浇筑拱座基础混凝土^[14]。预埋段底部设置码板，通过横、竖向千斤顶进行精调定位。

　　

　　图8 拱脚预埋段 

　　 

　　5.3 合龙段

　　合龙段由8根弦杆、4根斜腹杆及4根平联，共16根杆件组成，合龙前需监测悬臂段连续线形、应力、温度，确定最佳合龙状态、温度和时间，根据合龙状态及监测数据加工杆件^[15,16]。合龙时顶拉千斤顶临时锁定合龙口，实现无应力合龙。合龙段安装时，为避免路径冲突，上部4根弦杆、平联提前运至扣塔顶部进行临时存放。

　　6 拱上结构模拟及优化

　　6.1 拱上立柱

　　拱上立柱由跨中向两侧对称拼装施工，每个立柱杆件拼装顺序如下:立柱→交叉横联→立柱，避免立柱与交叉横联发生空间碰撞，如图9所示。

　　

　　图9 拱上立柱拼装顺序 

　　 

　　6.2 拱上梁

　　拱上钢箱梁采用顶推施工方案，优化为吊装组合方案。从经济因素考虑，充分利用缆索吊;从技术角度考虑，可避免顶推过程中因拱上立柱柔性大而发生侧移。

　　吊装过程中，先利用临时支墩拼装跨中2片梁，形成工作面，后续钢箱梁部件吊运至梁面进行临时存放，再吊装就位，由跨中向两侧对称施工。

　　7 基于BIM的深化应用

　　7.1 突发场风工况模拟

　　将BIM模型与力学模型相融合，模拟杆件吊装过程中突发场风时，杆件运动轨迹所受影响和碰撞干涉情况，提供安全风险分析和应急预案参考。

　　7.2 人机工程模拟

　　模拟真实场景的高空作业，充分优化工作空间，保证人员安全、易操作。如能结合大数据分析工作环境、环境量与强度的关系，可为调整、优化排班提供依据。

　　7.3 3D激光虚拟预拼

　　采用3D激光雷达扫描钢板、杆件，经过处理后生成三维模型与BIM模型，进行质量验收与虚拟预拼，以消除累计误差。

　　7.4 基于BIM平台的施工监测

　　基于WEB轻量化BIM模型，在平台集成有限元计算模拟分析、监控模型数据、现场监控视频，实现施工现场同视窗模型的对比、预警。

　　8 结语

　　大瑞铁路怒江四线特大桥在项目实施过程中充分利用BIM技术可视化、参数化优势，对技术管理包含的施工组织、施工方案、施工工艺、安全质量控制要点进行全方位、标准化模拟，在防范安全风险、强化质量控制、提高作业效率等方面发挥极大作用，总结钢桁拱桥数字化施工技术和BIM技术解决方案。

　　从建造阶段视角出发，运维阶段的问题大都涉及设计方案、施工工艺。因此，智慧桥梁需贯穿项目全生命周期数据。目前行业主流BIM应用大都存在各阶段分离、模型与数据分开的现象，解决此问题的核心是建立BIM技术应用标准体系，推动以施工方法和单元为核心的BIM标准，贯穿全生命周期，真正实现一模到底，形成信息创造、传递、评估和利用的良性循环机制。

　　项目开展钢结构机器人应用研究，探索BIM与机器人技术的融合，虽然建筑信息技术已由自动化、数字化、网络化走向智能化，但从实际应用看，建造智能化还停留在初级阶段。但要推进建造现场智能化，基于BIM智能化系统与机器人工业软件的互通，基于BIM场景智能识别，基于BIM大数据分析等课题还需重点解决。