基于BIM技术的装配式桥梁临时支架安全监测系统研究

魏志松 李清洋 付和平 刘伟锦 张航

北京市市政四建设工程有限责任公司

摘 要：装配式桥梁临时支架安全监测一直是桥梁工程建设中的难点，为了有效解决此问题，现提出一种基于BIM技术的装配式桥梁临时支架安全监测系统。结合工程实例，对赣州市中心城区赣南大道快速路工程一标段某装配式桥梁临时支架安全监测系统的设计与实现进行了总结和分析，实践表明，该系统可有效实现装配式桥梁临时支架安全监测的自动化、智能化、模块化、层次化，具有一定的 会推广价值。

关键词：装配式桥梁;临时支架;安全监测系统;BIM技术;

基金：赣南大道信息化管理开发项目阶段性成果(5201890017);城市高架预制装配式桥梁施工技术与工程应用第二阶段性成果(5201990027);

1 工程概况

赣州市中心城区赣南大道快速路工程一标段，西起新世纪大桥(橙香大道)，东至章江大桥西侧(会昌路)，线位沿新赣州大道、长征大道、兴国路敷设，全长约4.2km，包含主线高架、主线平行匝道、东江源互通立交、新世纪大桥引桥拼桥四个部分。新建桥梁总面积约14.47万m2，其中主线高架全长3.96km，标准桥宽25m，桥面面积约11.23万m2;平行匝道共计3对，全长约870m，标准桥宽8.5m，桥面面积约0.74万m2;东江源全互通立交，共计8条匝道，全长约2.68km，桥面面积约2.49万m2;新世纪大桥引桥拼桥，涉及东引桥北幅，拆除既有最后两联桥面人行道结构，拼宽4.0m，拼桥长70m，总拼宽面积约280m2。

2 基于BIM的装配式桥梁临时支撑施工监控系统的设计

2.1 系统组成

基于BIM的临时支撑施工监控系统包括施工模型的建立、结构施工全过程的有限元分析计算、施工实时监测与控制等。建立临时支撑BIM模型，对临时支撑结构的关键部位进行施工模拟和动画展示，将施工全过程可视化，验证施工方案的可行性与合理性。采用MIDAS/Civil软件对临时支撑结构进行有限元分析计算，确定结构设计的安全性和稳定性，为实现施工监测提供理论数据，确定施工监测测点的布置。对临时支撑结构施工全过程进行关键部位监测，将监测数据与BIM模型相结合，实现施工监测数据实时查看与预警，方便施工控制。

2.2 功能介绍

(1)临时支撑结构体系BIM模型可视化平台

建立临时支撑结构体系BIM模型，用3D模型代替传统的CAD图纸中的文字标注和线条等表现形式，模型中添加好构件的关键参数，设置相应的属性值，实现信息化管理。将实际监测的数据接入系统，平台中使用可视化窗口将数据和模型结合起来一同展示，形象的将现场支撑的结构表现出来，即能够让用户直观的查看模型，也能够在发生预警的时候通过模型显示出现场具体位置。平台设计预留接口，方便后续实现施工监测与BIM模型对接。

(2)临时支撑结构施工过程实时监测

该功能将临时支撑结构体系BIM模型与施工监测数据相结合，既可以实时查看整体结构体系重点部位施工监测数据曲线，也可以查看某一部位数据监测数值。现场布置的所有传感器设施能够统一的在这里管理起来，每个传感器采集的数据都能偶实时的展示出来，而且提供下载功能，能够将有用的数据进行存留。在施工阶段对临时支撑结构薄弱点进行监测，通过与BIM模型对接，形成可视化监测平台。

(3)施工监控与预警

根据有限元计算预设施工限值，当施工监测数据达到限值，系统进行施工预警，并将相关信息发送给指定用户， 告施工预警所在的杆件位置，结合构件的实际监测值与理论分析值对项目的实际施工状态进行把控，保障项目的顺利实施。

2.3 平台模块构成

平台系统主要含有五大部分，包括:项目信息、临时支撑支设方案(含多种支撑体系布设方案)、BIM模型展示(含动画演示)、实时监测、数据管理库。

为实现临时支撑监测的数字化管理，用二维码技术对各个不同位置的临时支撑实现跟踪管理，通过手机软件扫描二维码的方式，实时掌握、上传、修改支撑监测点所布设的各类信息，并预留后续扩展接口。平台提供移动客户端(手机APP)及WEB浏览器两种方式进行数据查询，用户可根据相应的用户账 随时进入数据平台进行查看。

(1)项目信息

项目信息模块主要为本项目、对应工程的信息介绍。包括项目的基本信息和整个装配式桥梁工程的内容介绍，包含实际设施展示，通过平台可清楚了解施工现场内容和施工方案。

(2)临时支撑支设方案

此模块详细介绍临时支撑体系的详细信息，包含其总使用数量、结构形式、尺寸，各临时支撑体系投入的进度计划安排、相应各类机械、监测设备的信息(含设备信息、数量、实施方案、投入进度计划)等。平台内可以看到整个临时支撑体系的设计和具体信息，方便快速了解支撑体系内容。

(3)BIM模型展示(含动画演示)

基于BIM技术的支撑体系展示，建立可操作的BIM模型展示，能给用户予以对临时支撑体系的详细结构和施工布设方法真实有效地直观了，便于用户通过3D模型直接认识其结构外貌和具体布设，对项目信息有更为直观的了解。模块搭配动画展示，将临时支撑体系的布设位置、拼装过程、在装配式桥梁施工过程中的作用进行详细展示，将其细部结构、工作原理更为直观地表达，使用户快速熟悉了解其内容。

(4)实时监测

对临时支撑体系的监测主要分为监测点定位、数据处理、信息上传、平台展示、预警设置、历史数据信息存储几个步骤。

监测点定位:包含各临时支撑体系在整体施工场地中的位置定位、以及对某一临时支撑体系中各分监测点的定位。通过平台BIM模型进行分级展示:临时支撑依据位置和序 在工程总BIM模型中的定位→各个监测点依据位置和序 在临时支撑体系内的定位。

数据处理:对监测设备获取得到的实时数据，经过相应程序进行信息转化、数据的筛析和提取、较大误差数据的过滤，转成用以平台展示的实时数据。

信息上传:通过相关程序设备，将上一步获得的平台数据实时长传至平台，便于用户实时观测临时支撑监测数据。

预警设置:对于每个监测点设置分级预警值，当达到监测点不同分级的预警值时，配设不同处理方案，当达到一定等级程度后，将警 提示实时发送至相关负责人员处，安排人员及时到达现场进行处理。根据有限元计算分析结果，监测点临界应力为168MPa，则预警阈值设置为:168×80%=134MPa。

历史数据信息存储:将各监测点的数据按具体临时支撑体系编 、进度计划中时间段进行归类存储，将其多个高峰值、预警值等信息进行存储，以便进行查询。

(5)数据管理库

存储传感器编 及配置等重要信息，将临时支撑体系监测的相关重要数据进行存储，当需要用到时进行读取。平台提供上传离线监测数据的功能，当现场出现断 或者 络异常的情况，可根据传感器采集模块上存留的离线数据进行手动恢复。这些数据采用云存储的形式，云平台能够自动将数据进行备份，一份数据有多处备份，这样达到监测数据不丢失，长期保存的效果。

3 基于BIM技术的装配式桥梁临时支架安全监测系统的实现

赣南大道快速路工程施工中的主要施工亮点是预制构件的快速拼装，同时也是施工难点。在国内，类似施工项目少，施工管理经验欠缺，并且目前尚无国家规范可以参考。本项目中施工顺序依次为钻孔灌注桩基施工、承台现浇施工、预制墩柱装配、预制横梁吊装以及预制箱梁吊装。由此可以看出，预制构件占有很大比重，如何快速、高效、安全、高品质地完成预制构件的拼装任务，成为该项目的控制性和决定性因素。

而在墩柱、盖梁及箱梁预制拼装的过程中，由于墩柱、盖梁吊装重量大，吊装危险性较髙，必须要着重考虑分析预制构件的临时支撑，如图1所示。由于墩柱及盖梁因线路要求的不同，尺寸众多。预制构件的临时支撑在充分考虑现场已有材料的基础上，如何能安全、经济、快速、合理、高效地完成设计和施工，是成为影响整个项目进度、安全、质量及经济效益的核心所在。

图1 装配式盖梁临时支撑示意图 下载原图

3.1 支架信息

本监测方案采用的临时支撑形式为C1型标准盖梁的临时支撑设计形式，C1型标准盖梁为预制盖梁，跨度为24.7m，盖梁分为两节段，每预制节段重187.9t，设计图如图2所示。

图2 C1型盖梁支架形式设计图 下载原图

结构安全系数取，重力加速度取，结构自重软件自动计入。故施加在顶层工字钢上的力为:

3.2 结构模型

3.2.1 型材截面参数

装配式桥梁临时支撑各构件型材截面参数如图3～图6所示。

3.2.2 建立模型

使用MIDAS/Civil软件，根据实际施工布置情况，以同比例创建支撑和横梁模型，如图7～图9所示。

3.2.3 施加约束和连接

对模型施加边界条件约束，约束为底端施加固定约束，如图10所示。对模型纵梁、横梁与支架之间施加连接，连接为弹性连接中的刚性连接。

3.2.4 施加荷载

以最重箱梁作为节段中单位重量，箱梁节段总重以均布荷载形势均布于各个支点处。

图3 立柱 下载原图

1、立柱2截面示意图

图4 连接系及斜撑截面示意图 下载原图

图5 纵梁截面示意图 下载原图

图6 横梁截面示意图 下载原图

第一阶段:吊装左边节段，如图11所示。

第一阶段工况计算结果:

本模型计算主要计算工况组合如图12所示。

荷载组合:支撑自重×1.2+结构自重×1.4+人员荷载×1.4

第二阶段:吊装右边节段(此时左右节段未合拢)，如图13所示。

第二阶段工况计算结果:

本模型计算主要计算工况组合如图14所示。

图7 单个支撑示意图 下载原图

图8 三维视图 下载原图

图9 支撑截面正视图 下载原图

图1 0 模型边界约束条件示意图 下载原图

图1 1 吊装左边阶段荷载示意图 下载原图

图1 2 吊装左边阶段荷载工况示意图 下载原图

荷载组合:支撑自重×1.2+结构自重×1.4+人员荷载×1.4

第三阶段:左右节段合拢，支撑全部承受均布荷载，如图15所示。

图1 3 吊装右边阶段荷载示意图 下载原图

图1 4 吊装右边阶段荷载工况示意图 下载原图

图1 5 左右节段合拢荷载示意图 下载原图

第三阶段工况计算结果:

本模型计算主要计算工况组合如图16所示:

荷载组合:支撑自重×1.2+荷载×1.4

图1 6 左右节段合拢荷载工况示意图 下载原图

4 结语

上文以赣州市中心城区赣南大道快速路工程一标段装配式桥梁为例，对基于BIM的临时支撑施工监控系统的设计与实现进行了总结和分析，实现了装配式桥梁临时支架安全监测的自动化、智能化、模块化、层次化，具有一定的 会推广价值。

参考文献

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