長安大橋設計系列之BIM技術應用

楊冰  李健剛  許志宏

(北京市市政工程設計研究總院有限公司 100082)

概述:長安大橋最大特點之一就是塔柱壁板的超常規扭曲面造型,這使得傳統的二維平面設計技術無法完成該橋塔柱的設計。同時大橋還存在局部節點構造複雜、需要許多的局部分析細節構造、製造及架設難度大、精度管控難等諸多難題。透過引入BIM技術,協同設計管理,使大橋在設計、製造及施工等各個環節的難題都得到了有效的解決。

1、項目概況

長安大橋(圖1,單位:m)斜跨永定河蓮石湖區,斜交角度約57°,大橋主橋主跨280m,主樑變寬變高,橋樑標準段寬度為47m,最寬位置約54.9m。由於大橋與河道斜交,為滿足行洪要求,主塔塔肢根部在順橋向有25m“邁步”,使主塔變為傾斜不對稱扭轉變截面鋼箱拱形塔柱。

圖1 長安大橋方案模型

 

2、 BIM技術在長安大橋中的應用

2.1 概念設計階段

在概念設計階段,建築師採用Rhino(犀牛)軟體進行橋樑景觀設計。建築師利用三維模型進行場地環境分析、光學分析、夜景照明分析等優化橋樑景觀方案,實現大橋景觀與環境的融合統一。

2.2設計階段

橋樑方案確定後,設計階段選擇了具有強大曲面功能的CATIA平臺完成細化設計工作。

長安大橋在設計階段的主要技術應用點如下:

1)協同設計

長安大橋全橋骨架如圖2所示。

圖2 長安大橋“骨架”模型

通過協同設計很好的解決了結構上的同步設計問題,提升了整體設計水準,降低了實施風險。

2)參數化設計

長安大橋在設計過程中對一些使用頻率高,比較特殊的參數進行統一設置,如板厚、加勁肋高度、孔的尺寸等,方便了後期的調整修改。

圖3 高塔參數

3)模板的使用

長安大橋設計過程中也建立了一些通用性較強的模板資源,如拉索錨區模板、壁板加勁肋模板、橫隔板模板、塔內爬梯模板、塔內維護結構模板、塔柱密封門模板等,提高了建模效率。

4)協同模擬分析

長安大橋由於塔柱截面的扭曲變化,橋樑整體計算時的截面建模工作量非常大。借助BIM三維模型的優勢,能有效提升局部計算模型的建模效率與分析精度。

圖4為塔柱錨區的局部實體單元有限元分析模型。

5)碰撞檢查

碰撞檢查是BIM技術中的一項比較特殊且實用的功能,對結構協同設計檢查意義重大,是三維模型校審的一個有力工具。通過碰撞檢查可以比較容易發現相關問題所在,可以有效地消除施工期間由於結構衝突產生的變更,使施工工期更為可控。

表1給出了高塔右柱錨區與壁板加勁肋在設置間隙小於50mm時的碰撞檢查間隙報告,通過檢查報告可以快速獲得板件間的碰撞及間隙參數。

表1 高塔右柱錨區與翼緣板加勁肋間隙報告

 

6)二維圖紙的轉化

通過CATIA平臺曲面展開功能將大橋塔柱扭曲面轉化為二維平面圖,準確表達出扭曲板件的平面幾何尺寸,從而指導加工下料。除了塔柱曲面外,長安大橋結構細節也比常規橋樑複雜很多,二維圖紙轉化工作量非常大。借助CATIA的二維出圖功能,有效地提升了設計圖紙品質。

2.3 施工階段

長安大橋利用BIM設計模型通過深化設計轉換為BIM施工模型並應用於4D進度管理,可以有效的優化加工製造工藝方案及施工組織方案,縮短了施工工期,提升了加工品質,降低了施工成本。同時利用資訊化的物料管理系統及品質安全管理系統等,對所有加工材料及品質安全實施全程監控,有效地提升了施工管理水準,增強了施工方案的可實施性。

1)加工製造及物料管理

鋼結構加工製造單位利用三維設計節段模型(圖5)進行加工製造圖紙的繪製,能夠有效地提高扭曲板下料加工時的準確性。通過編碼後的節段模型開展物料管理,實現了加工製造過程的精細化管控。

圖5 節段模型

 

2)施工措施深化設計

以大橋高塔塔梁墩固結部位為例,塔梁結合部底部設置有150mm的承壓板結構,通過高強螺杆與橋墩結合為一個整體。因高強螺杆的定位要求很高,施工過程中需要在墩柱中事先預埋好高強螺杆臨時定位架(圖6),輔助高強螺杆精確定位,通過碰撞檢查分析,有效降低了施工風險。

圖6 高強螺杆臨時定位架

 

3)節段吊裝模擬分析

因塔柱結構構造複雜,優化吊點設計的模擬分析工作量非常大。在三維節段設計模型基礎上進一步開展吊點設計,並完成吊點模擬分析,節省了大量的建模時間,提高了吊點設計品質及效率。

4)施工組織管理

圖7為施工單位進行場地吊裝方案的模擬優化,通過方案模擬能夠發現施工過程中可能產生的不合理工作流程,避免施工過程中產生碰撞問題等,降低施工風險。

圖7 高塔節段現場吊裝模擬

圖8為實際施工中高塔北肢底部首節段現場安裝就位,完全按照事先模擬的的方案實施,各方面施工指標均滿足要求。

圖8 高塔北肢首節段安裝

利用設計模型資訊並結合施工模型建立施工管理平臺,能夠有效地解決施工過程中資訊交叉多,協調工作量大等問題,達到提升施工管理水準,降本增效的目的。

3 、運維管理展望

長安大橋在前期設計模型及施工模型等方面進行了大量的技術積累工作,如果將BIM技術延續到運維階段,對後期專案運維管養將大有裨益。

4、 結尾

長安大橋專案作為國內市政工程領域較早直接採用BIM技術進行正向設計的工程,在前期方案、設計及施工等各階段都取得了較好的效果。專案爭取能夠繼承前期的技術優勢,將BIM技術延續到運維管養階段,讓長安大橋項目能夠真正實現基於BIM技術下的專案全生命週期管理的新理念。

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Steve.TIAN@3ds.com'

Steve Tian

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