BIM技术在钢箱梁缆索吊装中的应用研究.pdf

45材料与技术Material&Technology2023NO.06收稿日期：2023-04-05作者简介：周亮（1985），男，湖北咸宁人，硕士，高级工程师，主要从事 BIM 技术与工程项目咨询管理工作。通讯作者：邱治国（1977），男，重庆人，研究生，高级工程师，主要从事中医医院工程项目管理工作，邮箱：。ApplicationResearchofBIMTechnologyinSteelBoxGirderCableHoistingZhouLiang,ChenMaolin,QiuZhiguoAbstract:WiththerapiddevelopmentofemerginginformationtechnologiessuchastheInternetofThings,BIMandartificialintelligence,theBIMtechnologyhasfoundextensiveuseinbuildingconstructionandmunicipalengineering.Aimingatthedifficultiesinthecablehoistingofsteelboxgirdersofsuspensionbridges,includingcomplexconstructionprocess,highcontrolprecisionrequirements,andgreatsafetyrisks,thispaper,basedonBIMtechnologyand3Dsimulationanalysissystem,establisheda3Ddigitaltwinmodelofcablehoistingconstruction,carriedoutreal-timedatahuman-machineinteractionsimulationofthecablehoistingconstructionprocess,andconductedoperationaltrainingonconstructionplanoptimizationandtechnicaldisclosure,boundaryconditioncontrolattheconstructionsite,andthecombinationofvirtualandrealoperationsbeforeconstruction,realizingthesafeandefficienthoistingofsteelboxgirders,therebyimprovingconstructionefficiency,reducingsafetyrisks,andimprovingprojectquality.Itcanprovidereferencefortheconstructionofsimilarbridgeprojects.Keywords:cablehoisting;BIM;steelboxgirder;suspensionbridge0 引言悬索桥因具有跨越能力强、受力性能好等特点，常作为大跨度桥梁桥型首选。山区 V 型河谷地区悬索钢箱梁施工通常采用液压提升式缆载吊机或缆索吊机起吊法。在不影响桥下通航，不受水上运输能力限制时，常用缆索吊机起吊法进行缆索施工，吊机在定点起吊后可在空中纵向移动到设计安装位置。随着经济的快速发展，BIM 技术、物联网和人工智能等新兴信息技术被广泛应用于工程建设活动中，尤其在桥梁施工领域中现已广泛应用 BIM 技术。如宋冰等1以莫桑比克马普托悬索大桥为对象，开展工程量快速统计、施工重难点方案模拟、虚拟展示等 BIM技术应用研究；张晖2、黄宁等3运用 BIM 技术建立棋盘洲长江公路大桥北锚碇三维可视化模型，开展了碰撞检查、施工模拟、工程量统计等实际应用，以及重力式锚碇预应力锚固系统的研究，指导了现场施工，提高了施工质量和建设管理效率；张勇等4-5基于 BIM 技术，建立了钢箱梁和缆索起吊系统的数字仿真模型，开发了缆索吊装施工安全管理系统，开展了缆索吊装施工过程监测与管理；张海华等6-7分析了 BIM 技术在桥梁可视化施工中的应用；王伟等8利用 BIM 技术优势，将其应用于高速公路桥梁施工安全管理中。以上研究提出 BIM 技术应用于设计碰撞检查、施工过程模拟、工程量快速统计以及施工过程可视化等方面，有效降低了施工安全风险，提高了桥梁施工效率，提升了施工企业管理水平。然而，BIM 技术在施工过程中人机交互模拟真实环境的应用还比较少，工程项目管理人员和施工作业人员的熟悉、接纳程度不尽相同，桥梁智能施工及智慧运维还将有进一步提升的空间。因此为使悬索桥钢箱梁缆索吊装施工安全进行，基于 BIM 技术和三维仿真模拟分析系统，建立实际施工现场缆索吊装的三维数字孪生模型，开展施工过程缆索吊装的实时数据人机交互模拟，进行方案优化与技术交底、现场边界条件控制以及施工前虚实结合的操作训练，实现钢箱梁安全高效吊装，从而提高了施工效率、降低了施工安全风险、提升了工程品质。1 工程项目概况某市政桥梁工程是城市路网系统城市南北向交通主干道中跨越长江的重要节点工程，处于三峡工程上游，受气候及水位变化的影响比较doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2023.06.45基金项目：重庆市建设科技项目“基于 BIM 技术的大跨径悬索桥钢箱梁缆索吊装施工及桥梁运维一体化管理应用研究”（城科字 2020 第 3-9）。引文检索：周亮，陈茂林,邱治国.BIM 技术在钢箱梁缆索吊装中的应用研究 J.重庆建筑，2023（6）：45-48.BIM 技术在钢箱梁缆索吊装中的应用研究周亮1，陈茂林1，邱治国2（1重庆市建筑科学研究院有限公司，重庆 400016；2重庆市中医院，重庆 400021）摘 要：随着物联网、BIM 和人工智能等新兴信息化技术的快速发展，BIM 技术在房屋建筑和市政工程的应用也越来越广泛。针对悬索桥钢箱梁缆索吊装施工复杂、控制精度要求高、风险大的问题，该文基于 BIM 技术和三维仿真模拟分析系统，建立了缆索吊装施工三维数字孪生模型，开展了缆索吊装施工过程的实时数据人机交互模拟，进行了施工方案优化与技术交底、施工现场边界条件控制以及施工前虚实结合的操作训练，实现了钢箱梁安全高效吊装，从而提高施工效率、降低安全风险、提升工程品质，可为类似桥梁工程建设提供一定的参考借鉴。关键词：缆索吊装；BIM；钢箱梁；悬索桥中图分类号：U445.1 文献标识码：A 文章编号：1671-9107（2023）06-0045-04Chongqing Architecture46第 22 卷 总第 236 期大。正桥跨径布置为：450m+739m+950m，其中主桥为739m 跨钢箱梁悬索桥，主跨主缆垂跨比约为 1:9（根据空缆和成桥状态不同而略有变化），桥宽 34m，如图 1 所示。该地历年平均气温在 16.720.4，常年平均降水量 1165.2mm，常年日照时数 1245.1h。常年风力较小，基本处于微风2 级风，暴雨天气偶有 46 级阵风。施工区域水位在 170.91186.01m（黄海高程）之间变化，变化幅度较大。2 钢箱梁吊装施工的重难点（1）该桥全桥钢箱梁共划分为 62 个梁段（5812m+212.5+28.34m），钢箱梁节段单元最大重量为 201t（端梁段），全桥钢箱梁总重量为 11949t。该桥位于三峡库区 V 型河谷区，受库水位升降影响，其水位变化可达 40m，低水位期航道宽不到 200m。如图 2 所示，大面积区域箱梁运输船无法达到，严重影响钢箱梁运输及吊装。桥位处基岩裸露，水下地形复杂，近塔区域为陡坡坡地，不宜搭设移梁支架，其施工成本和施工安全风险高。长江主航道交通繁忙，施工协调难度大。结合实际工程特点以及施工条件，钢箱梁吊装采用缆索吊机吊装。钢箱梁梁段吊装分8 个工况实施5，如图 3 所示，钢箱梁梁段吊装施工步骤如图 4所示。（2）为了有效缓解吊索出现弯折而产生的弯曲次应力9，便于安装和拆除，在吊索与索夹及钢箱梁处采用销轴连接，调整空间受限，吊装精度要求高。缆索吊及钢箱梁安装的工序复杂、转换衔接紧凑，对施工组织管理要求高。（3）钢箱梁安装为大型构件吊装，对施工机具设备的要求高；缆索吊的施工质量要求高，需进行相应试载、试吊工作，确保施工安全；钢箱梁安装施工涉及高空和水上作业，须设置可靠的安全通道和防护设施，同时在施工前对所有管理及作业人员进行严格安全技术交底。缆索吊装时间长，受长江水位变化的影响较大。图 3 钢箱梁梁段吊装施工工况图 4 钢箱梁梁段吊装施工步骤3 BIM 技术在悬索桥钢箱梁吊装中的应用3.1 基于 BIM 技术的精细化建模利用 BIM 技术建模编码标准对钢箱梁各个节段进行拆分，细化到每个节段的每一块板件，即全桥每一块板件有唯一的对应的模型、编码以及对应的专业附属信息，确保钢箱梁设计、下图 1 悬索桥主桥立面布置图图 2 桥址处地形地貌47材料与技术Material&Technology2023NO.06料及安装过程中的信息唯一性，以便钢箱梁精准设计、制作及安装。基于 BIM 技术的钢箱梁标准节段三维精细化模型，如图 5所示。图 5 钢箱梁标准节段三维模型3.2 基于 BIM 与多物理场三维仿真分析智能建造虚拟仿真分析系统是基于工业级仿真软件底层系统框架自主开发的，系统搭载了高性能物理引擎内核，可实现在智能建造虚拟仿真系统中定义、规划、验证、监测和管理实际施工现场作业，系统主要功能包括：施工 BIM 深化建模、施工场地布局、施工工艺组织、施工工序规划、虚拟施工仿真、施工方案优选、现场施工指导与项目监管。基于 BIM 技术和三维仿真模拟分析系统，建立实际施工现场缆索吊装 1:1（模型 1:1，信号 1:1）的三维数字孪生模型，采用数据采集与边缘智能网关实现施工现场的控制信号驱动系统中的三维数字孪生模型动态仿真。同时，现场作业人员借助调试主机在施工前期开展虚实结合的操作训练，确保吊装施工安全精准到位。（1）缆索吊装模拟分析基于 BIM 技术与物理仿真模拟分析，在人机交互面板输入吊具运行的控制参数，使吊具行走到固定起吊处，使用人机交互面板上的按钮控制吊点与钢箱梁吊耳固定，后将钢箱梁吊起运输至安装位置进行虚拟装配。在此过程中，可通过控制面板查看运行时参数：如钢箱梁质量、单个吊点受力、吊具姿态和运行速度等。可以仿真和确认施工流程，固化施工工艺和控制参数，节省大量的实际调试，缩短施工周期，提高施工效率。图 6 为钢箱梁空中旋转就位。图 6 钢箱梁空中旋转就位（2）钢箱梁缆索吊装吊具精准调节在缆索吊装仿真过程中，发现吊具支持沿 Y 轴方向来回移动的一组平衡调节滑块，主要作用是解决了钢箱梁起吊时由于吊耳位置导致的起吊姿态不平衡的问题，在人机交互面板上有一组控制滑块，通过拖动滑块可以控制吊具上的调节块在运行时作出对应的位移，从而使起吊重心发生改变以平衡钢箱梁的起吊姿态，达到稳定吊装的目的。由于该项目存在三种类型的钢箱梁，其重心各不相同，为此，需要多种类型的专用吊具相匹配。基于此，配合施工现场的实际需要，基于 BIM 精细化模型，结合多物理场运动模拟，优化为一种可以调整起吊重心的吊具，调整不同钢箱梁相匹配的起吊重心。吊具姿态下起重模拟如图7 所示。图 7 吊具姿态下起重模拟（3）极限条件控制在虚拟吊装运行过程中，可实时改变驱动参数，如吊车行走的速度、加速度、减速度等关键参数，改变控制参数后可以立刻在仿真软件的 3D 图形窗口中动态反馈，如图 8 所示；通过观察图形的变化，可以调试出保证吊装平稳和吊装效率的最佳参数，提高整体的施工效率，提高现场施工安全性，当吊车行走速度、加速度、风速等参数过高时，会发生较大的摇摆、倾斜、撞击等现象，仿真系统会实时显示出这些状况。通过基于 BIM 技术及三维仿真模拟结构分析，可指导管理人员和作业人员做好施工前技术交底，进而有效地防止质量安全事故的发生。图 8 不同速度下钢箱梁的摆幅模拟（4）吊具合理性分析利用智能建造虚拟仿真分析系统强大的结构分析能力，提前发现吊具本体存在平衡性合理性等问题，比如吊具本身由于配重不合理和机械结构等问题，造成吊具原始姿态不平衡；起吊过程中通过添加在吊具上的虚拟传感器反馈的数据发现 4 个吊点的钢缆受力不平均，4 条钢缆的受力差异最大达到了 38t，后Chongqing Architecture48第 22 卷 总第 236 期经过反复仿真和数据分析得出是吊具的总受力点与 4 条钢缆的受力点和钢箱梁的质心都不在几何中心造成的；通过仿真分析，在实际工作中将吊具的机械结构和姿态平衡调节机构进行优化设计，以达到吊装平稳受力均匀的目的，避免钢丝绳达到极限荷载，造成不必要的损坏和安全事故的发生。在缆索吊装仿真模拟方面，着重聚焦到基于重力场和刚体位移的运动仿真模拟，未来需进一步探索考虑悬索非线性效应的缆索吊装系统仿真平台开发，实现钢箱梁吊装的瞬态、精准和受力状态精准模拟。4 BIM 技术应用效果施工过程中涉及钢箱梁节段多、吨位大，缆索吊装高度高（涉及到高空旋转就位），周围所处水位变化、风速及水上交通环境复杂，采用船运输至桥下后缆索吊装，质量、安全及进度控制难度大。基于 BIM 技术和智能建造虚拟仿真分析系统，对钢箱梁加工制作，缆索吊装设备、缆索吊装工况进行详细分解、监测、预控制，通过对悬索桥全桥和钢箱梁节段精细化建模、钢箱梁节段精准吊装和结构受力分析，在不到 3 个半月的时间内实现 62片钢箱梁安全高效缆索吊装就位及合拢，真正实现了 BIM 技术在施工阶段可视化、精细化及智慧化的应用。5 结语在大型悬索桥施工中，缆索吊装施工是项目中的重难点，直接决定项目能否按期完成。通过 BIM 技术的应用，开展缆索吊装的施工过程实时数据人机交互模拟，进行方案优化、技术交底与现场边界条件控制以及施工前虚实结合的操作训练，实现钢箱梁安全高效吊装，保证了施工安全，提升了项目建设管理水平，为 BIM 技术在类似的工程建设中提供了参考借鉴。参考文献：1宋冰，卞佳，张岩.BIM 技术在海外悬索桥施工中的应用 J.公路交通科技，2018（S1）：22-28.2张晖.BIM 技术在棋盘洲长江公路大桥北锚碇施工中的应用 J.世界桥梁，2021（1）：89-94.3黄宁，李建华，高伟，等.基于 BIM 的重力式锚碇预应力锚固系统的研究 J.公路，2021（02）：151-155.4张勇.重庆长寿长江二桥钢箱梁吊装关键技术 J.世界桥梁，2023（2）：34-38.5王汁汁，张勇，王维.悬索桥钢箱梁缆索吊装施工 BIM 技术应用研究 J.公路，2021（11）：182-188.6张海华，刘宏刚，甘一鸣.基于 BIM 技术的桥梁可视化施工应用研究 J.公路，2016（9）：155-161.7刘宏刚，张海华，甘一鸣.BIM 技术在新白沙沱长江大桥钢梁架设中的应用 J.高速铁路技术，2019（1）：39-45.8王伟，李国峰.BIM 技术在高速公路桥梁施工安全管理中的应用 J.公路，2020（6）：176-178.9 沈锐利，潘鑫，才振山.铁路悬索桥疲劳荷载下吊索内力与变形分析 J.铁道建筑技术，2019（6）：1-6.责任编辑：刘艳萍近日，人民日报要闻版刊登文章完整社区，为民便民安民，介绍什么是完整社区，包含哪些要点，当前完整社区建设进展情况，以及工作突出省市经验。我市编制的社区活动场地建设示范图集作为“建标准、构体系，夯实支撑点”唯一支撑案例入选。市管线中心以技术标准体系建设作为完整社区建设工作支点，重点围绕“干什么”、“怎么干”、“如何评”不断健全完善相关技术标准体系。先后出台关于开展绿色社区和完整社区一体化创建的通知 重庆市绿色完整居住社区建设操作指南 重庆市绿色完整社区评价细则等系列文件，指导绿色完整社区建设。针对我市地形复杂，大多数老旧社区“挤、窄、陡”，缺乏活动空间，居民改善活动场地品质诉求强烈的问题，市管线中心组织技术团队编制了社区活动场地建设示范图集，将社区活动场地分为“门前楼下、小区集中、社区集中”3 种类型，收集国内外优秀案例，为社区建设提供指导。截至目前，我市已建成完整社区 433 个，8 个社区（片区）编制试点方案申报住建部完整社区建设试点，完整社区建设取得明显成效，“沙坪坝区覃家岗街道凤天路社区”“两江新区人和街道和睦路社区”入选住建部完整社区案例集。住建部对我市完整社区建设情况调研后给予充分肯定和推荐。2022 年 8 月，住建部信息专报第 180 期重庆市开展城市居住社区建设补短板行动全面推动完整社区建设呈报国务院办公厅。下一步我市将做好完整社区建设试点工作，发挥好试点先行、示范带动作用，打造一批示范样板，总结可复制、可推广的经验做法，进一步提升完整社区覆盖率。（摘自重庆市住建委官网）资讯重庆市完整社区建设初见成效