信息化跃升拱桥绿色“智造”——BIM技术在大跨度钢桁架拱桥施工中的应用

拱桥有着悠久的历史，有记载的第一座拱桥是建于公元前179年的埃米利奥桥（Ponte Emilio），位于意大利罗马的台伯河上，为6孔石拱桥，而今称之为断桥。1880年大洪水冲刷后现存一孔拱跨，幸免遗留下来之后再没有发生大的变化。

中国拱桥始建于东汉中后期，已有一千八百余年的历史。代表作品是赵州桥，建于公元605年，距今1400多年。这座巨型单孔坦孤敞肩石拱桥，主拱由28道拱卷纵向并列砌筑，桥长64.4米，净跨37.02米，桥身坐落在天然地基上，经历了10次水灾、8次战乱和多次地震。

埃米利奥桥

赵州桥

伊兹桥

地狱门大桥

 到了18世纪工业革命时代，英国建成了世界上第一座用金属制成的拱桥——大铁桥，位于英国塞文河畔，跨度为30m；美国伊兹桥建于1874年，为密西西比河上最古老的桥，也是世界范围内第一座钢桁拱桥；玛丽亚·皮亚桥建于1877年，是位于葡萄牙杜罗河上的一座铁路桥，设计者是巴黎埃菲尔铁塔的设计者——居斯塔夫·埃菲尔；到了1916年建成的美国地狱门大桥，为跨度298m的中承式钢桁拱桥，是世界上建成最早的大跨铁路钢拱桥，成为了钢拱桥发展史上的里程碑。

之后随着钢铁技术和建桥技术的发展，1931年建成的美国贝永桥，主跨503.6m，是世界上建成最早、跨度最大的公路钢拱桥；1932年建成的澳大利亚悉尼港桥,主跨503m，是世界上最大跨度的城市钢拱桥；进入到21世纪，我国的桥梁建造技术得到突飞猛进的发展，上海卢浦大桥，2003年建成，主跨550m，主桥为中承式提篮拱；重庆朝天门大桥，2009年建成，主跨552m。

最近几年，已建和在建大型中承式钢桁架拱桥包含：2021年建成的武汉江汉七桥，为130+408+130m跨度的两桁中承式钢拱桥；2021年建成的广州明珠湾大桥，为150+436+150m跨度的三桁中承式钢拱桥；在建的株洲清水塘大桥，为100+408+100m跨度的两桁中承式钢拱桥。

近几年已建和在建大型中承式钢桁架拱桥

株洲清水塘大桥横跨湘江，连接了石峰区和天元区。主桥为中承式钢桁架拱桥，跨径为100+408+100m，桥面以上拱高85m，边跨比为1/4。上层桥面为机动车道，总宽为31.0m；下层为人非道，总宽10.5m。

大桥主桥主跨效果图

主跨主梁采用正交异性钢桥面板+UHPC组合结构，两侧钢箱梁，UHPC为超高性能混凝土。两侧钢箱梁顶板采用焊接连接，腹板和底板栓接连接。边跨采用钢箱梁+预制C50混凝土桥面板组合结构；吊杆采用热挤聚乙烯高强钢丝拉索。

主拱采用上下弦杆+腹杆+风撑结构；上下弦均采用二次抛物线形。主桁跨中桁高为10m，主墩支点处桁高40m。主桁各杆件之间全部采用栓接，主拱共计630根杆件，15186块节点板，39.5万套（33.8万M30和5.7万M24）高强螺栓，全桥共计62万颗高强螺栓。除主桥外，南北岸陆上引桥采用现浇箱梁结构，水中引桥采用钢混组合结构。

株洲清水塘大桥建设环境影响因素多：大桥跨江建设、水位环境要素多；桥位裸露砂岩、地质条件较复杂；内港五桥重叠、空间交叉受限制；沿线厂区农田、建设施工干扰多。

钢桁架拱桥施工技术复杂：工程涉及面广、工程核算体量大；结构体系复杂、交底作业不直观；毫米级别误差、加工精度要求高；百米高空对接、安装线形难度大。

项目施工过程管理难度大：作业点多面广、施工管理难度高；图纸体系复杂、专业交叉协调难；六种桥梁结构、工序衔接要求高；安全质量线长、管理闭合时效低。

基于以上建设环境和结构特点，项目建设面临着多重挑战，项目采取了“基于GIS信息化施工分析、基于BIM数据化数字孪生、BIM+GIS智慧化项目管理”的对策，助力拱桥的绿色建造。

基于GIS信息化施工分析——倾斜摄影技术、直观化场地影像；三维地质模型、集成化场地信库；预判施工环境、信息化场景模拟；GIS技术信息、智慧化数字沙盘。

基于BIM数据化数字孪生——利用BIM信息、快速化图纸校核；基于BIM模型、可视化进行交底；借助BIM数据、精细化建工制造；施工BIM模拟、信息化数字孪生。

BIM+GIS智慧化项目管理——智慧管理沙盘、项目化定制开发；全程进度管理、信息化分类协调；数字孪生语言、科学化建设工序；便携手机APP、全程化实时跟踪。

项目建立了三区、四墙、二长廊的数字化展厅。其中，三区包括：实景模型沙盘区、全息投影展示区、远程监控系统区；四墙包括：企业文化墙、党建引领墙、工艺技术墙、施工设备墙；二长廊包括观摩长廊、体验长廊。并且，项目部始终坚持的理念是“安全长廊重在体验 ，工程长廊重在直观”。

数字化展示体验

实景化数字沙盘的建设思路如下：首先进行项目的WBS分解，建立BIM建模，进行BIM构件归类与编码，完成模型总装，建立大桥BIM模型；采用倾斜摄影技术建立场地实景模型，综合BIM桥梁模型+GIS场地模型建立智慧沙盘。

建模主要应用的软件有：采用 Revit （利用参数化和Dynamo ）建立混凝土结构模型；采用Tekla建立钢结构模型；利用Bentley建立场地模型，并导入Navisworks中进行模型总装。

大桥建模最先开始的是下部结构，清水塘大桥下部结构建模工作利用了Revit模型参数化的特点，快速完成桩基、承台墩柱的建模工作。

上部混凝土箱梁建模采用Revit建模。首先是绘制截面CAD图，导入Revit建立内外轮廓；随后将设计的信息进行导入，完成箱梁的建模工作。

大桥主桥钢桁拱结构，共计630根杆件，15186块节点板，39.5万套（33.8万M30和5.7万M24）高强螺栓，杆件种类多、结构复杂、BIM建模量大。模型采用Tekla进行建模，具体流程如下：首先是导入设计的坐标点生成轮廓线，在轮廓线的基础上，按照设计图纸信息依次绘制各个板单元，并进行杆件组装。

Tekla钢结构建模

板单元绘制完成后，采用tekla自带的钢结构节点构造插件，精确完成节点的构造。本项目最复杂的B9节点要实现“3个方向、4个杆件、47块节点板、3588颗螺栓”的建模工作。节点完成之后，进行模型总装，最终完成全桥主体结构BIM信息模型。

主体结构建模完成之后，针对其他复杂变截面结构和临时附属结构进行建模，完成全桥所有结构及附属构件的BIM模型。

为了直观展示项目设计信息和周边环境关系，以便科学合理地进行施工部署。项目采用无人机对大桥沿线50m范围内进行扫描，并结合GIS技术自动化建模，生成项目施工区域实景三维模型，并随着施工推进及时更新，建设大桥施工全区域的可视化、数字化沙盘。

最后，将不同软件建立的模型在Naviswork中进行总装，生成数字化沙盘。

株洲项目数字化沙盘

为方便钢桁拱测量，在每节拱节侧面设置测点，全桥共安装268个小棱镜。

线形测量点布设：每节钢桁架侧面设置测点，测点采用莱卡全站仪检测直角小棱镜，以便于测量机器人自动采集。

由于主拱线形监测数据量大，项目部采用测量机器人进行主拱线形测量。能实现对测点自动跟踪、识别，照准并测量，一定程度上实现了监测自动化和一体化。

结合数值计算结果，选取大桥永久结构的关键节点进行应力监测，应力监测采用弦式应变传感器和相关无线集传输设备，自动监测杆件应变、温度，并传输至采集平台，上弦杆、下弦杆、箱型断面腹杆和H型断面腹杆的应力监测点按照规定位置进行布设，全桥共设置应力测点48个，完成了主拱施工过程的全覆盖。

对于关键受力部位，如扣背索、体外预应力索等关系到体系安全重点部位，设置了锚索计，在施工过程中进行实时内力监控。

主拱在合龙之前为悬臂安装，类似于斜拉桥结构，但大桥的塔梁之间是铰接的，因此控制扣塔的垂直度，关系到全桥总体施工安全。为测量扣塔在施工过程中的偏位，在塔顶布设GPS数据自动采集系统，对塔偏进行自动化监测，保证塔顶位移值在±10cm范围内。

扣塔偏位监测系统通过在塔顶布设GPS，布设数据无线发射系统，开发定时数据提取整理软件和可视化窗口，在客户端远程读取塔偏并传输至主拱安装智能化辅助平台，为施工安全和调控提供参考。

天气对钢结构的安装精度影响非常大，特别是日照、温度、风速等要素。为此，在主墩处设置气象水文站、扣塔顶部设置风速仪、钢结构杆件上设置测温仪，对施工过程中重要的环境要素进行全程测量。

前面提到的线形智能测量系统、应力动态采集系统、扣塔动态监测系统、气象水文采集系统，形成钢桁拱桥施工全过程智能化辅助系统，并结合设计图纸、施工监控参数，辅助决策钢桁拱桥施工和问题研判。

为保证信息准确性和完整性，大桥主桥共布设线形观测点268个、应力点48个、GPS数据自动采集系统两套，风速监控记录仪两套,水文气象观测站1处。

各系统数据采集后，综合开发清水塘大桥智能化辅助系统，这个系统是智慧化管理平台的主要支撑板块之一，系统涵盖了应变、应力、温度、变形、安装进度、气象水文等信息。并设计了相应的预警阈值，通过邮件、短信实时提醒，实现桥梁施工全过程智能建造。

大桥数字化监测平台

将清水塘大桥精细化BIM模型、数字化沙盘相结合，并综合物联网技术和项目管理信息化平台相融合，形成以“BIM+GIS”为引擎的智慧工地管理平台。

BIM可视化解决了钢结构复杂、交底困难的项目特点；精细化的建模提供了工程量信息统计、钢结构深化出图的功能，并且完成了图纸校核与碰撞检查。

GIS信息集成使得场地信息快速获取，实现挖填土方信息统计、施工合理部署，以及场地情况记录。

项目管理平台针对需求，实现了BIM落地，提高了项目管理效率；定制化的办公，实现了无纸化文件流转，实现了图纸快速查阅。因此，智慧化管理平台具有以下特点：

全面感知 。依托高精度“BIM+GIS”模型建立了清水塘大桥智慧沙盘，可以直观展现桥梁施工过程中的水文地貌、红线土地征拆、施工场地部署、工程进度展示、质量安全等内容。可以直观感知项目施工过程全面情况，实现施工过程的全面感知。

施工技术智能 。运用BIM技术进行设计碰撞检查，图纸“数字化审图”，钢结构深化设计，并对项目进行WBS分解，将建设信息进行挂载，通过手机APP动态掌握现场施工进展。

管理终端的互联互通 。通过移动端APP和智慧工地平台，参建人员可通过手机直接上传现场的质量安全问题，并通知责任人进行整改、回复，提高施工管理效率。并通过物联网技术接入现场摄像头、门禁系统、船机设备等，实现项目管理信息、视频监控信息、物资设备信息的互联互通。

过程信息协同共享 。通过信息化平台使业主、设计、监理等多方参与,形成成套的信息化管理应用。可进行图纸会审、质量管控、安全管理、成本计量等工作。各方上传施工过程中的关键信息,通过协同平台反馈至相关单位,打通信息沟通渠道,实现多方信息协同共享。

工程决策科学分析 。基于工程互联互通及信息协同共享功能，将项目建设过程中多端平台采集到的信息，依照WBS编码挂载于BIM模型中，并进行分类聚合，实时分析出关键指标，综合评价工程受控程度，给项目管理层提供决策依据。

施工风险智慧预控 。通过物联网技术接入监控测量传感器，实现对桥梁关键指标进行实时采集和大数据分析。如扣挂系统GPS全天候侧倾，关键部位实时应力采集，将上述监测信息汇聚到云端大数据平台，与预警值实时比对分析，对建设过程中的风险源进行智慧预控。

追根溯源的质量管理 。为了确保主体结构质量，项目混凝土生产的全过程实现信息化监控，从原材料把关、配合比控制、搅拌时间等方面保证混凝土质量。混凝土运输到现场后，现场试块、工程实体、单项工程均有自己的二维码，建立可追溯的质量管控体系。

全面信息化的安全护航 。针对项目点多、面广、社会关注度高的特点，应施工现场安全管理实际需求，项目部建立了信息化远程监控中心，用电脑、手机终端可实时掌握施工现场动态变化。

与此同时，项目部应用北斗时空大数据平台,通过佩戴北斗定位系统，实现终端定位、数据采集、一键报警、电子围栏预警等，为项目安全推进保驾护航。

根据项目体量大的特点，采用Tekla进行建模，提高了建模精度，深化了钢结构BIM应用。基于BIM+GIS技术，充分展示了项目信息，在此基础上进行准确而快速的施工部署。

在管理层面，从解决实际需求出发，进行定制化开发，满足项目管理需求，确保BIM技术落地。同时也希望未来信息化技术在桥梁智能建造方面发挥更大的作用。