基于BIM技术现浇箱梁支架设计及施工虚拟仿真实验
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摘 要：现浇梁支架作为桥梁工程建设中的关键要点，其在方案设计阶段时的支架布置及施工过程中的条件限制往往需要考虑各方面影响。使用BIM技术对现浇梁支架设计及施工进行全过程模拟，运用其可视化特点，解决施工区域集中时交叉施工的问题，应用三维技术交底、工程材料数量提取、虚拟仿真模型搭建、施工进度模拟、材料周轉优化设计等虚拟仿真实验，为现场施工提供完善的方案可行性分析，达到优化方案支架体系的目的，确保在各阶段未充分考虑到的各项问题提前分析解决，减少不必要的返工。
关键词：现浇梁支架;BIM技术;模拟;可视化;可行性分析
1 引言
现浇梁支架设计通常采用CAD绘制，文字方案进行说明，作为平面结构其缺乏一定的信息传递性以及人与建筑之间的互动性，在整体设计施工阶段会产生信息失真。而采用BIM技术对现浇梁支架方案进行仿真模拟，可以起到良好的预判和指导作用，通过BIM技术可视化的呈现，打破局限性的2D平面视图，方便了团队成员共同审阅模型并进行协同讨论，减少各方沟通之间存在的想象落差，提高了工程效率，简化了沟通难点，达到工程团队的共识。
2 工程概况
某新建涡轮互通立交项目现浇梁共计133孔，现场施工组织按照南北方向对互通区现浇梁进行划分，北侧采用盘扣式满堂支架，南侧采用钢管柱支架。互通立交施工区域狭小，呈4层空间分布，交叉施工影响大，施工组织难度高。
3 方案设计及模型搭建
3.1 盘扣式满堂支架设计
3.1.1 设计参数
布置间距：横桥向立杆间距为0.9m、1.2m，其中腹板处加密;纵桥向在端横梁和中横梁处间距为0.9m，跨中位置立杆间距采用1.2m，根据现场情况进行调节，立杆步距为1.5m，斜撑每间隔一步设置一道至顶部。
横桥向：采用单根150H型钢主龙骨，放置于盘扣顶托上，跨度根据支架布设安装。次龙骨采用100×100mm方木，中心间距20cm，跨度为1.2m，横梁处为0.9m，底模采用δ=15mm的竹胶板。
翼缘处：采用单根150H型钢主龙骨，放置于盘扣顶托上，次龙骨采用[Φ]48[×]3.5mm钢管背肋和5cm[×]7cm方木，钢管背肋间距60cm一道，纵向方木背肋中心间距20cm，侧模采用δ=6mm的竹胶板，并增加斜撑钢管进行侧模体系加固。
3.1.2 盘扣式支架构建族创建
根据方案设计确定的材料及布置间距参数在REVIT中进行模型搭建，建立盘扣各组件模型及其余材料的参数化模型，使族能够适应箱梁变化而进行尺寸参数调整。
3.1.3 模型搭建
组合各构件族，调整尺寸参数进行支架定位及模型搭建，确保符合方案设计要求，通过REVIT项目样板生成三维支架模型，同时可以导出各立面视图，提供模型数据支撑。
3.1.4 侧模支撑体系优化设计
侧模体系中构建繁多，包括立杆、横杆、斜杆、顶底托、H型钢，方木，扣件等。通过BIM模型可视化特点进行三维漫游，可以对支撑体系进行检查定位，优化布置间距及杆件间的连接方式，消除杆件之间的碰撞，优化支撑布设，确定后场钢管加工下料长度以及弯管弧度，保证了现场实际施工过程中杆件连接安全可靠。
3.1.5 墩柱侵占支架空间
涡轮互通区匝道桥上下交错，其中DU04联现浇梁下部支架受到CP15墩柱侵占影响，该部位支架整体需进行重新调整确保支架整体稳定性。
通过BIM技术进行1：1模拟现场盘扣满堂支架搭设情况，发现主要问题为：①盘扣立杆、横杆、斜杆侵入墩柱内部需要进行移除;②底托需重新布置于墩柱顶部。③因支撑杆件减少（120cm横杆52根、90cm横杆16根，斜杆35根），此处为受力薄弱点，需进行稳固措施，保证支架体系结构安全性。
针对上述问题整理，对基础模型进行设计改进，解决方案包括：①青色：调整底托至墩顶，形成底部支撑。②红色：双拼焊接150H型钢作为底托底部支撑，减少底托丝扣外露长度。③黄色、绿色：立杆底部50cm满布横杆，加强此处于周围立杆的横向连接，优化支架整体稳定性。④浅红色：底部横杆由于墩柱侵入无法布置，通过外加钢管进行扣件连接，加强纵向立杆整体连接强度，确保支架受力均匀。
3.2 钢管柱支架设计
3.2.1 设计参数
底部支撑体系：条形基础采用C30混凝土，尺寸为1150cm[×]50cm[×]80cm;底座顶面预埋50cm[×]50cm钢板与钢管柱焊接;采用[Φ]426[×]8mm钢管柱+砂箱作为竖向支撑，横向间距2.5m，纵向间距根据现浇梁长度进行调整，最大不超过5.3m;斜撑采用5cm[×]8cm方钢与抱箍通过螺栓连接。
上部支撑体系：底模为15mm竹胶板，下部采用10cm[×]10cm方木，中心间距20cm布置，方木下为I32b工字钢纵向分配梁间距80cm。分配梁下放置I40b工字钢横向承重梁。
侧向支撑体系：侧模采用δ=6mm的竹胶板，次龙骨采用[Φ]48[×]3.5mm钢管背肋和5cm[×]7cm方木，钢管背肋间距60cm一道，纵向方木背肋中心间距20cm。
3.2.2 模型搭建
根据方案要求组合模型，生成横纵截面图及三维视图进行方案可行性论证。
3.2.3 细部节点交底
钢管柱支架安全把控要点多，通过三维模型设计交底，可将二维视图中未考虑全面的内容进行详细说明，使施工人员能够清晰的理解细部构造，从而提高施工精度，减少返工现象，保证了施工质量。 3.2.3.1 工字钢稳定性要点
I40b工字钢通过两道骑马筋与底部砂箱钢板进行穿孔连接;I32b工字钢通过两侧肋板处焊接[Φ]16钢筋做斜向支撑稳固。
3.2.3.2 墩柱处支撑体系
墩柱頂部由于垫石、支座和抗震挡块的影响，原支撑体系中32b纵向工字钢需加大间距。通过三维漫游发现不足之处后进行设计优化，采取底部增加方木进行支垫，上部放置10#工字钢进行横向支撑，增加支架稳定性。
3.2.3.3 端头处模板体系
端头处模板体系是现浇梁安全及质量控制的关键要点之一，通过模拟采用15mm厚整体木模板封堵，横向背肋采用10mm[×]10cm方木，中心间距30cm/道，纵向背肋采用双拼钢管，间距80cm/道，蝴蝶卡+对拉螺杆固定，钢管伸出现浇梁顶板150cm，采用装配式围挡固定至钢管上。现场施工过程中端头处安全防护有效，结构线型平顺，且无漏浆现象发生，整体安全、质量控制可靠。
3.2.3.4 箱室内部支撑
现浇梁砼浇筑过程中经常会出现内模涨模及爆模现象导致砼超方，主要原因是箱室内部支撑稳定性差，布置形式不规范。通过BIM技术优化箱室内部支撑体系，形成三维模型，根据箱室内部构造合理采用钢管+方木支撑体系进行扣件式连接，统一现场内模支撑结构形式，采用三维模型展示将方案交底至各队伍负责人，在后续施工过程中内模整体稳定性极高。
3.2.3.5 侧模支撑体系优化设计
根据预弯弧形钢管尺寸进行侧模体系整体设计，顺桥向布置间距为60cm。设计4道竖向钢管作为受力支撑及装配式围挡固定杆;通长钢管9道作为支撑体系整体稳定性连接，斜撑2道交叉连接作为侧压力支撑。底部横截面间距1.8m设置通长钢管连接左右两边的侧模体系。经过BIM三维设计及现场施工验证。侧模支撑体系稳定性强，装拆方便，尺寸设计合理，极大的提高了现场施工进度。
3.2.4 安全结构设计
穿行效率高为钢管柱支架的特点，根据现场便道规划以及通行要求，提前进行门洞防护设计，通过三维模型进行门洞结构布置，两侧通过防护棚作为通道，连接处上部放置15mm竹胶板防落物。同时可以对爬梯的布置规划和安全标志标牌，安全警示横幅进行设计，利用BIM技术可视化特点，确保现浇梁施工过程中安全的前瞻性及可靠性。
3.3 三维技术交底
通过精细化BIM建模，可使用投影设备及VR技术向施工人员展示虚拟施工场景，对实施方案的细节、难点、关键技术要点进行说明，通过实时操作对模型细部结构的动态观察可以多视角进行方案可行性判定，辅助进行方案设计优化，建立全新的交互模式，避免现场施工出现返工现象。
3.4 精细材料用量
通过建立精细三维模型，使用Revit明细表提取模型材料用量，形成支架工程量清单，可以精确到单个螺丝的数量。采用BIM技术进行材料用量统计，减少了手算的失误和繁琐过程，并且还可以进行分孔、分联单独统计，实现快速计算汇总，使项目部向零库存材料管理目标进靠近。
在进行材料周转使用时，使用Fuzor 4D管理平台进行项目施工进度信息化动态模拟，可以结合现场实际施工进度以及后续施工进度计划进行材料周转模拟，列出材料由第几联现浇梁向第几联进行周转的详细方案，通过对比相邻两孔现浇梁的工程量差值，计算出材料清单的差值并进行材料补充或材料富余量清单，既确保周转方案可行，亦可提高每一套支架及模板的周转次数，实现材料周转的合理性，达到成本合理控制的目标。
4 结论
基于BIM技术现浇梁支架设计及施工虚拟仿真实验，以实际尺寸控制支架的布设，进行三维审查细化支架布置方案。考虑各区域施工计划存在的交叉施工问题，通过三维技术交底、工程材料数量提取、虚拟仿真模型搭建、施工进度模拟、材料周转优化设计等虚拟仿真实验。可将BIM模型作为方案信息库，明确方案内容，延伸更多的视觉分析与讨论，为桥梁支架搭设过程中的安全控制、质量控制、进度控制、成本控制提供一种全新的BIM解决方案。
参考文献：
[1] 付喜娟.BIM技术在市政桥梁施工管理中的应用[J].建材与装饰，2020.
[2] 杨宫印，周前，国王凯.BIM技术在大跨度中承式钢桁拱桥施工中的应用[J].山西建筑，2020.
[3] 赵晓琴.一种新型支架BIM智能设计方法[J].中华建设，2019.
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