【BIM技术应用】长安大桥系列设计

概述：长安大桥最大特点之一就是塔柱壁板的超常规扭曲面造型，这使得传统的二维平面设计手段无法完成该桥塔柱的设计。同时大桥还存在诸如局部节点构造复杂、需要局部分析的细节构造多、制造及架设难度大、精度管控难等诸多难题。通过引入BIM技术，协同设计管理，使大桥在设计、制造及施工等各个环节的难题都得到了有效的解决。

1、项目概况

长安大桥（图1，单位：m）斜跨永定河莲石湖区，斜交角度约57°，大桥主桥主跨280m，主梁变宽变高，桥梁标准段宽度为47m，最宽位置约54.9m。由于大桥与河道斜交，为满足行洪要求，主塔塔肢根部在顺桥向有25m“迈步”，使主塔变为倾斜不对称扭转变截面钢箱拱形塔柱。

图1 长安大桥方案模型

2、 BIM技术在长安大桥中的应用

2.1 概念设计阶段

在概念设计阶段，建筑师采用Rhino（犀牛）软件进行桥梁景观设计。建筑师利用三维模型进行场地环境分析、光学分析、夜景照明分析等优化桥梁景观方案，实现大桥景观与环境的融合统一。

2.2设计阶段

桥梁方案确定后，设计阶段选择了具有强大曲面功能的CATIA平台完成细化设计工作。

长安大桥在设计阶段的主要技术应用点如下：

1）协同设计

长安大桥全桥骨架如图2所示。

图2 长安大桥“骨架”模型

通过协同设计很好的解决了结构上的同步设计问题，提升了整体设计水平，降低了实施风险。

2）参数化设计

长安大桥在设计过程中对一些使用频率高，比较特殊的参数进行统一设置，如板厚、加劲肋高度、孔的尺寸等，方便了后期的调整修改。

图3 高塔参数

3）模板的使用

长安大桥设计过程中也建立了一些通用性较强的模板资源，如拉索锚区模板、壁板加劲肋模板、横隔板模板、塔内爬梯模板、塔内维护结构模板、塔柱密封门模板等，提高了建模效率。

4）协同仿真分析

长安大桥由于塔柱截面的扭曲变化，桥梁整体计算时的截面建模工作量非常大。借助BIM三维模型的优势，能有效提升局部计算模型的建模效率与分析精度。

图4为塔柱锚区的局部实体单元有限元分析模型。

图4 锚区局部有限元模型

5）碰撞检查

碰撞检查是BIM技术中的一项比较特殊且实用的功能，对结构协同设计检查意义重大，是三维模型校审的一个有力工具。通过碰撞检查可以比较容易发现相关问题所在，可以有效地消除施工期间由于结构冲突产生的变更，使施工工期更为可控。

表1给出了高塔右柱锚区与壁板加劲肋在设置间隙小于50mm时的碰撞检查间隙报告，通过检查报告可以快速获得板件间的碰撞及间隙参数。

表1 高塔右柱锚区与翼缘板加劲肋间隙报告

6）二维图纸的转化

通过CATIA平台曲面展开功能将大桥塔柱扭曲面转化为二维平面图，准确表达出扭曲板件的平面几何尺寸，从而指导加工下料。除了塔柱曲面外，长安大桥结构细节也比常规桥梁复杂很多，二维图纸转化工作量非常大。借助CATIA的二维出图功能，有效地提升了设计图纸质量。

2.3 施工阶段

长安大桥利用BIM设计模型通过深化设计转换为BIM施工模型并应用于4D进度管理，可以有效的优化加工制造工艺方案及施工组织方案，缩短了施工工期，提升了加工质量，降低了施工成本。同时利用信息化的物料管理系统及质量安全管理系统等，对所有加工材料及质量安全实施全程监控，有效地提升了施工管理水平，增强了施工方案的可实施性。

1）加工制造及物料管理

钢结构加工制造单位利用三维设计节段模型（图5）进行加工制造图纸的绘制，能够有效地提高扭曲板下料加工时的准确性。通过编码后的节段模型开展物料管理，实现了加工制造过程的精细化管控。

图5 节段模型

2）施工措施深化设计

以大桥高塔塔梁墩固结部位为例，塔梁结合部底部设置有150mm的承压板结构，通过高强螺杆与桥墩结合为一个整体。因高强螺杆的定位要求很高，施工过程中需要在墩柱中事先预埋好高强螺杆临时定位架（图6），辅助高强螺杆精确定位，通过碰撞检查分析，有效降低了施工风险。

图6 高强螺杆临时定位架

3）节段吊装仿真分析

因塔柱结构构造复杂，优化吊点设计的仿真分析工作量非常大。在三维节段设计模型基础上进一步开展吊点设计，并完成吊点仿真分析，节省了大量的建模时间，提高了吊点设计质量及效率。

4）施工组织管理

图7为施工单位进行场地吊装方案的模拟优化，通过方案模拟能够发现施工过程中可能产生的不合理工作流程，避免施工过程中产生碰撞问题等，降低施工风险。

图7 高塔节段现场吊装模拟

图8为实际施工中高塔北肢底部首节段现场安装就位，完全按照事先模拟的的方案实施，各方面施工指标均满足要求。

图8 高塔北肢首节段安装

利用设计模型信息并结合施工模型建立施工管理平台，能够有效地解决施工过程中信息交叉多，协调工作量大等问题，达到提升施工管理水平，降本增效的目的。

3 、运维管理展望

长安大桥在前期设计模型及施工模型等方面进行了大量的技术积累工作，如果将BIM技术延续到运维阶段，对后期项目运维管养将大有裨益。

4、 结束语

长安大桥项目作为国内市政工程领域较早直接采用BIM技术进行正向设计的工程，在前期方案、设计及施工等各阶段都取得了较好的效果。项目争取能够继承前期的技术优势，将BIM技术延续到运维管养阶段，让长安大桥项目能够真正实现基于BIM技术下的项目全生命周期管理的新理念。

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