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摘要：随着城市的快速发展，高架桥的建设需求越来越迫切；而在跨线施工中，顶推法则是普遍使用的一项施工技术。而关于高架桥钢箱梁顶推工程施工的BIM应用并不多见，本文根据北辰大道项目施工进展情况，通过BIM技术进行对场地分析，场地优化、钢箱梁存放模拟分析、钢箱梁吊装、顶推、落梁全过程的工艺方案模拟及方案优化。用于指导现场施工和工程管理，确保施工工期和建设质量。
关键词：高架桥；钢箱梁；顶推；BIM；模拟；优化；
概述
顶推法架设钢结构桥梁目前在国内外已广泛使用，施工经验比较成熟。顶推法的优点是对需要跨越的重要交通道路影响较小。尤其近几年来，对跨越交通流量较大的高速公路及城市干线的钢结构桥梁往往采用顶推法施工。本项目中是利用BIM技术进行顶推全过程的工艺方案模拟及方案优化，保障施工安全，为工程品质化建设提供技术支撑。
1 工程概况
北辰大道快速化改造项目南起北二环，北至秦汉大道，全线道路全长大约9.5km，本次桥梁工程项目包括北辰大道左幅BCZ主线桥、北辰大道右幅BCY主线桥。北辰大道左幅BCZ主线桥全长1267.106m，桩号范围ZK0+277.453-ZK1+544.559。
第六联跨越绕城高速，左幅桥跨布置形式为（35.5+50+39）m钢箱梁，设计范围为，K0+969.453-K1+054.953 共计124.5m；右幅桥跨布置形式为（37+50+39）m钢箱梁,设计范围为，K0+967.453-K1+054.453 共计126m。左幅跨越绕城高速为BCZ22—BCZ23 跨径为50m，净空10.5m,右幅跨越绕城高速
为BCY21—BCY22 跨径为50m，净空为10.5m。新建桥墩位置距现有高速公路排水渠距离为7.8m，第六联概况如下表：
表1第六联概况表
2 BIM建模总体规划
等特点，辅助建筑施工的全程控制，最终实现节约资源、降低成本、控制施工进度及质量，提高工作效率。而BIM模型创建作为这一过程的第一步，其对整个BIM应用的结果起着关键性作用。基于此，对所建BIM模型应进行整体规划；首先，要明确各类模型建模时的精度，其次，根据设计图纸及施工方案的要求，对模型进行拆分需求确定，最后，确定整体建模流程，以保证建模效率及标准化数据传递。
2.1 模型精度分析
国内建模标准都以住房城乡建设部发布的国家标准《建筑信息模型应用统一标准》执行，该标准提出了建筑信息模型应用的基本要求，是建筑信息模型应用的基础标准。目前，BIM模型精度一般采用LOD定义，将模型精度划分了5个等级，从LOD100-LOD500，每个等级所包含的构件三维几何信息与非几何信息不同，等级越高所包含的构件信息越多，也意味着该三维模型精度越高，表达更加完善。
本工程中考虑到在钢箱梁顶推阶段BIM技术应用的需求，所建立的三维模型应能实现工程施工各参与方的信息共享与协同，还应满足基于BIM的工程算量，空间分析与模拟等，达到指导施工和辅助施工管理的深度，支持关键复杂节点大型设备运输路径、工程筹划等分析，及施工进度、质量、安全、风险、成本等管理，满足施工阶段BIM应用需求，因此确定桥梁上部结构与桥梁下部结构模型精度为LOD400，临时结构模型、场地模型、工程机械模型等精度为LOD300。
2.2 模型拆分原则
按照施工设计文件及施工组织设计，考虑施工现场情况，根据本工程钢箱梁的结构形式特点，综合考虑制造、运输、现场安装、施工环境等因素，采用桥梁上部结构钢箱梁在预制场集中预制加工，将钢箱梁分段分节，在厂内根据桥梁线型和预拱度搭设胎架，完成分段/单元件总装，运输至现场，在现场使用支架法安装。
为准确模拟施工过程，根据钢箱梁运输以及吊装节段要求确定模型拆分原则：①宽4.2m以内，长18m以内；②部分联次端部横向分，即沿桥方向3m以内，垂直于桥方向15m以内；③中支座位置，宽 4m以内 ，长15m以内；④分段位置避开各类腹板、隔板、加劲肋、桥跨中心位置；⑤沿桥长方向划分的段称为“节段”，节段的命名为主线名+联号+节段数；⑥构件编号原则：面向大桩号，左手边为挑左（TZ）、中间箱室从左往右依次为A/B/C/，最右边为挑右（TY）比如左幅第3联第2节段挑左构件编号为BCZ3-2TZ。
3 模型构建
基于各专业的模型创建要求，分专业创建BIM模型，确保本项目整个设计、施工、所生成信息的可用性和可流转性，利用Revit等系列软件创建项目的场地、桥梁、机械等BIM模型，进行动态的可视化展示，最终能够整合各专业模型呈现设计效果。
钢箱梁结构具有构件类型多、截面形式多变、构件交叉多、存在异形截面等构件形式复杂的特点，revit中预设的族模型都无法直接使用，需根据设计文件及图纸进行单独建模，个别形状一样尺寸不一样的构件建模时考虑添加参变属性，以便在后续使用时可进行调用，减少建模工作量。
考虑到在模型建立时存在预拱度的情况，在建立上部钢结构模型时首先建立预拱度三维模型线，利用revit中的体量模板，将设计图纸的钢箱梁平面图导入体量模板，调整好图纸位置后采用样条曲线工具准确绘制平面线形，为了提高精确度，每5米绘制一个点。平面曲线绘制完后进入立面视图，将处理过后的钢箱梁纵断面图纸导入并调整好位置，在立面视图中，根据钢箱梁纵断面图纸调整样条曲线上的点，使其与图纸线形全部重合，建立好一条符合预拱度的钢箱梁平纵线形。
3.1 钢箱梁模型构建
考虑到模型拆分与整合的便捷性，钢箱梁构件模型采用REVIT常规族模型样板建立，将建立好的钢箱梁三维线形载入常规族模型样板，确定好位置后建立钢箱梁结构模型。根据图纸信息，钢箱梁纵方向的模型采用revit中的放样进行创建，如板、挑臂等，个别地方采用拉伸进行绘制，横向的模型采用参数族制作，提高建模效率，个别地方采用拉伸或者放样制作。
模型拆分时，依据模型拆分原则，钢箱梁构件模型分节段拆分，在REVIT常规族样板中，将每一段模型安装命名规则进行另保存。
模型整合，在REVIT的建筑样板中建立标高和轴网，将钢箱梁构件模型全部载入项目中，因为在拆分时模型都是按照整体建立的，所以载入时只需将模型载入点都确定为同一个点即可，所有的模型位置无需再次调整。
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图1钢箱梁精细模型
3.2 桥梁下部结构建模
下部结构包含桩基、承台、墩柱、垫石等，该类模型具有通用性，利用revit中的常规族模型样板，建为参变族模型，输入长、宽、高等参数，在下部结构整合时，首先将各构件的图纸参数输入到Excel表中，将各构件载入到建筑样板，利用Dynamo插件进行进行快速建模，提高建模效率。
3.3 临时构件建模
本工程临时支撑胎架采用施工用装配格构式钢管支撑（以下简称“格构胎架”）。根据胎架类型分为原位吊装区胎架和顶推支架两种。临时构件模型采用参数族方式建立，通过参变将每个点位的模型放置。
4 BIM应用
4.1 施工方案模拟
本项目地形复杂，为减少施工对现有交通的影响，整体施工思路为；在预制场集中加工钢箱梁构件，分节段运输至顶推区，在顶推区北侧搭建顶推支架，采用多点顶推施工方法，将钢箱梁在绕城高速北侧六、七联之间支架上进行拼装，拼装完成后，利用“步履式顶升滑移”将节段从北往南顶推跨越绕城高速，顶推至设计位置。由于本项目顶推区制约因素多，传统的二维布置及立面剖视图无法直观的反映场地对施工的制约及影响，在施工时对机械的作业范围，空间分析等无法直接表达，易造成对制约因素分析不到位，对施工过程带来安全隐患， 影响施工进度。因此需要通过可视化技术，对钢箱梁顶推施工方案进行全面空间检验与设计优化，保证工程安全与进度。
本工程施工方案模拟分为以下几个步骤；前期收集数据；建立实景GIS模型；将模型导入MAX及lumion软件，关联施工作业方案；根据模型中发现的问题修改施工方案；制作施工模拟动画进行三维交底。
1）前期所要收集的数据包括现场所需的材料、机械等设施设备，工程详细节点图纸等。
2）GIS模型搭建时，首先通过无人机航测顶推区地形，设计好航线、测点、区域后进行场景数据采集工作，将采集的数据导入Pix4Dmapper中生成三维模型，该三维模型可在谷歌地球中查看。
3）将生成的地形模型及建立好的桥梁模型和临时结构模型都导入MAX中，在MAX中完成优化，并根据方案关联机械设备等的动画，模拟施工时的真实场景。
4）通过方案模拟，发现了施工方案中存在的5处问题，①材料存放场地紧张，顶推时可能会出现等待现象，影响施工进度。②吊装机械选型不合理，由于场地的限制，履带吊需进行多次转场，增加施工难度
5）按照优化后的施工方案制作三维施工方案模拟视频，用于施工交底，使交底内容更生动形象，突出说明顶推施工中的重要施工节点及控制因素，对安全施工起到了一定的保障。
4.2 场地分析
根据现场实际情况，顶推区域内有北辰大道既有主线桥（桥梁高度9.8米，左右幅共计宽度48米），绕城高速及北三环辅道，在顶推段位置右侧3米处有一座人行天桥（高6米），周围覆盖绿化。由此可见顶推区地形相当复杂，传统的二维场地分析无法对现场进行准确的规划，尤其是在空间分析方面，二维图无法直观表达出空间因素对施工的影响。
本项目中依据现场实际情况，建立了BIM实景模型，在平面位置和空间区域进行场地分析。由于受场地限制较大，综合考虑地形，施工，交通等因素，计划在顶推施工时先顶推左幅第六联，再顶推右幅第六联，统一从北向南顶推。顶推拼装区设置在绕城高速与北三环北辅道内，利用有限的空间，在既有北辰右幅与施工区6米范围内设置便道，用以周转材料及机械进出。
根据现场情况钢箱梁顶推施工的需求，在顶推区左右幅设置12组24个顶推支架，设置16组32个临时支架，在顶推支架安装位置将地面基础进行强夯处理，对地基承载力进行检测，并浇筑混凝土基础。经过BIM对支架搭设位置的合理性进行模拟分析，发现有两组顶推支架在搭建时会占用到北三环北辅道，考虑钢箱梁顶推时车辆行驶的安全性，支架位置向两侧做了20cm的位移，同时在施工前需做好围挡及交通导流工作。
4.3 材料堆放
本工程顶推区域有绕城高速、北三环辅道、北辰大道主线桥及绿化带，施工场地紧张，材料堆放地址有限，为了保证在顶推施工时材料的不间断性及对现有交通的影响，合理的材料堆放场地规划是必不可少的。通过BIM可视化仿真，对材料堆放场地进行了合理的规划。计划右幅顶推段钢箱梁进场后存放于既有北辰右幅主线桥上，计划左幅钢箱梁进场后存放于既有北辰左幅主线桥上，各占用一条车道，材料根据现场吊装情况分批进场，保证现场有料可用的同时少占用北辰大道主线桥。
4.4 吊装模拟与优化
项目最初计划吊装时采用一台200t履带吊与一台260t汽车吊，在顶推段拼装时同时进行吊装。计划一台吊车设立于BCY24-BCY25号墩西侧，胎架拼装后进行顶推段1-8节段钢箱梁吊装及导梁吊装作业，一台吊车设立于BCY26号墩西侧，胎架拼装后进行顶推段9-16节段钢箱梁吊装作业。计划左幅一台吊车设立于BCZ24-BCZ25号墩西侧，胎架拼装后进行顶推段1-8节段钢箱梁吊装及导梁吊装作业，一台吊车设立于BCZ27号墩西侧，胎架拼装后进行顶推段9-16节段钢箱梁吊装作业。为确定吊车选型的合理性，对吊装施工方案过程进行三维检验。采用建立好的三维施工环境模型，依据目标安装位置，将履带吊与汽车吊放置在场地内进行三维吊装模拟，排查吊装方案设计的碰撞隐患。经三维空间检验，发现由于受场地限制，履带吊在工作时存在与现有主线桥及临时支架碰撞问题发生的可能性。
为消除施工碰撞，保证施工安全与作业进度的顺利推进，决定将履带吊更换为汽车吊，并将其导入所建立的三维施工场景模型重新进行空间碰撞检验。发现在驾驶员安全作业的条件下，优化后的汽车吊能有效减小吊装过程吊臂与周围障碍物体发生碰撞的几率。
图3步履式顶推器
5 总结
（1）确定了BIM建模总体规划，对模型精度、拆分原则等进行了划分，针对各个阶段所使用的模型进行了详细拆解，对后续BIM模拟应用提供了基础保障。
（2）建立了高精度的BIM模型，利用dynamo配合revit进行快速化的模型创建。
（3）对钢箱梁整体的支架搭设、场地规划、顶推、落梁进行了全方面的模拟应用，优化了施工方案，避免了在施工时由于场地受限而影响工期，保证了顶推作业顺利进行，节省工期约20天。
目前我国在顶推施工中利用BIM技术进行辅助优化的工程比较少，而本工程通过BIM对顶推过程的模拟，顶推过程中的重点管控要素讲解，使工程管理人员及作业人员在施工前掌握顶推施工流程及重点把控项，为顶推顺利施工提供了技术保障。对于我国桥梁顶推建设的工程质量管理具有一定的借鉴意义。
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作者简介：马进福(1989)，男，本科，助理工程师，通信地址：西安市雁塔区科技路38号26层，710000，1074711529@qq.com，18119315322