大跨度钢桁架桥数字化建造技术

单击此处编辑母版标题样式单击以编辑母版副标题样式大跨度钢桁架桥数字化建造技术单击此处编辑母版标题样式单击以编辑母版副标题样式１BIM的困境现有BIM模型利用率低二次调模事倍功半模型过于庞大无法轻松运用现有BIM无法定位工程实际单击此处编辑母版标题样式单击以编辑母版副标题样式如何打破僵局标准制订加速buildingSMART国际组织是全球最具权威性的国际BIM开源组织，由其组织编制的BIM技术IFC标准直接纳入ISO国际标准体系。2015年buildingSMART中国分部成立，2017年中国发布：《建筑信息模型应用统一标准》、《建筑信息模型施工应用标准》、《建筑工程设计信息模型分类和编码标准》2013年工管中心制定了《中国铁路BIM总体规划》，并发布了《铁路工程实体结构分解指南》、《铁路工程信息模型分类和编码标准》和《铁路工程信息模型数据存储标准》三项铁路BIM标准。中国建筑已建立企业级BIM标准。中国交建与buildingSMART、卡迪夫大学签订合作备忘录，由中国交建牵头主导水运基础设施IFC国际标准的研究与制订。2014年中国中铁成立BIM中心，中心设在铁二院。钢结构行业“十三五”规划及“2025”规划要点用10年时间，完成从钢结构制造大国到钢结构制造强国的转变。“十二五”期间，我国钢结构用钢量占钢产量的比例徘徊在5%—6%，据“钢结构2025”规划提出“在钢结构行业规模上，我国钢结构和钢—混凝土组合结构占比要与目前发达国家先进水平相当，达到20%~30%”钢结构行业“2025”需要重点突破的领域和任务，包括数控机床与钢材下料配送中心，焊接机器人与智能生产线，防腐防火一体化与涂装自动生产线，BIM（建筑信息模型）与仿真模拟技术应用，模块化设计与模块化制造技术，高性能结构材料和连接材料技术，与国际标准的接轨与融合，“互联网”与金融平台应用，大数据、云平台应用技术和远程控制在钢结构工程中的应用技术等。桥梁钢结构工程技术难度大、工程施工过程复杂、对实施企业工程业务链配套能力要求严格，因而行业内企业数量较少。业内参与大型桥梁钢结构工程竞争的专业企业主要有：武船重工、中铁山桥、中铁宝桥、中铁九桥、武桥重工、中泰桥梁等。根据中国钢结构协会相关数据统计，行业内排名前六位的企业累计市场占有率仅为25%。序号1桥梁名称海口市如意岛项目跨海大桥主跨桥型200米风帆式斜拉桥钢量/吨16000钢结构加工方九江桥梁钢构类型钢箱梁、钢塔架2良庆大桥420米悬索桥4900九江桥梁钢混叠合梁3五象大桥300米斜拉桥14000九江桥梁钢箱梁4金东大桥730米悬索桥4300中泰钢构钢混叠合梁武桥、九桥-5成贵铁路西溪河大桥240米上承式钢管拱桥6怒江特大桥490米上承式钢箱桁架拱桥钢管拱：3400钢梁：6100钢管拱：27000总钢量：42000宝桥钢箱桁架拱集团公司部分钢结构桥梁概况从钢桥200余年的发展史来看，钢桥的发展紧紧追随着钢材料和制造技术的进步。1779年英国建造了第一座铁桥，在100年之后桥梁材料才由锻铁代替了铁。1874年美国在密西西比河上建造了世界上第一座大型钢桥——圣路易斯(St.Louis)钢拱桥1954年11月12日，万里长江第一座钢桥——武汉长江大桥建成。钢结构桥梁发展：住房城乡建设部关于做好《建筑业10项新技术（2017版）》推广应用的通知2017年10月25日将钢结构深化设计与物联网应用技术、钢结构智能测量技术、钢结构虚拟预拼装技术及钢结构高效焊接技术等列入钢结构技术部分重点推广。基于BIM的真实场景模拟施工偶有报道，但截至目前还没有可以实现完全可推广复制的整体技术。其中，基于BIM的钢结构深化设计、采用GPS空间定位技术、钢结构精准空中智能化快速定位技术、基于三维激光扫描的高精度钢结构质量检测及变形监测技术、基于数字近景摄影测量的高精度钢结构性能检测及变形监测技术、焊接机器人技术等多项待推广的新技术与本课题研究方向一致。建立BIM云协同

突破现有标准限制融合智慧建造探索智能建造在工程中的应用随着新型工业化的发展和施工技术水平的提高，我国桥梁逐渐向设计技术数值仿真化、制造技术预制化、施工技术快速拼装化、全过程的BIM技术管理化的方向发展。钢结构桥特别是钢桁架桥建造技术及装备一直朝着大节段乃至超大节段发展。中国制造

2025三维设计方案模拟过程管控3D打印模板焊接机器人单击此处编辑母版标题样式单击以编辑母版副标题样式研究设想2四个方面着手基于BIM模型的大型钢结构虚拟建造技术研究基于BIM的钢构件空间姿态调整及智能对接技术基于BIM模型的真实场景施工有限元仿真分析

基于BIM平台的网络监控技术BIM—钢结构虚拟模型建造面向制造及施工的BIM设计模型交付标准研究从设计阶段BIM模型创建过程开始，结合制造、施工阶段的工程思维和要求，统一合理的BIM模型命名规则，提高BIM模型可重用度，在更好的传递设计意图的同时，避免后期因加工、安装方案导致的的设计变更，避免大量的重新建模工作。研究如何在模型中准确地表达焊缝、螺栓孔等构造细节的同时，控制模型的复杂程度，提高模型操作的性能。基于IFC标准的BIM模型存储及管理技术研究针对大跨度钢桁架桥梁体量大、零件及装配数量大的特点，结合IFC相关标准，进行平台中性的钢桁架桥模型的

BIM设计、制造、施工模型存储及管理技术研究。基于BIM的虚拟预拼技术采用激光点云建模技术，对钢杆件进行扫描生产三维模型，与BIM模型进行拟合比对，检查分析加工拼装精度，得到所需修改的调整信息。经过必要校正、修改与模拟拼装，直至满足精度要求。基于BIM的模拟施工技术假想杆件吊装处于无应力状态，对桥梁施工组织、吊装方案、重点工艺、人机互动进行可视化、参数化仿真分析，实现设计优化、方案优选。基于BIM的动态虚拟现实技术研究开发虚拟现实动态施工展示方法，制作关键工序、工艺的人机交互式VR场景及技术交底。BIM—钢结构姿态调整对接同类钢构件吊装过程中游离状态的研究主要考虑单根杆件、同类组合在吊装过程中游离状态的可测性。根据施工流程，按形状、截面尺寸、重量和空间几何方位等原则把散放的成品上弦、下弦、腹杆、横联等进行分类，研究在吊装过程中各吊索、分类杆件的变形和位置定位规律，探索杆件空间姿态调整及保持技术。同类钢构件吊装过程中游离状态的研究研究并定义被吊装杆件的空间姿态与成型拱圈的相对位置关系与拼装空间的几何关系，采用精准空中智能化快速定位做到杆件定位，生成与BIM模型融合。研发一种钢构件辅助安装机械手，可实时接收BIM模型数据、位置定位数据、空间调整数据，具备辅助杆件就位、纠偏功能。开展钢构件拼装施工智能机器人

研究，包括机器人的设计方法、制造工艺、智能控制和应用系统集成等共性基础技术。BIM—钢结构施工仿真真实场景吊装阶段型内力、变形研究研究合适的仿真理论和计算技术，仿真计算施工吊装不同阶段成型钢拱段的内力、变形；计算中考虑施工流程以及缆索吊机吊梁状态下等多种真实场景下的最不利的结构变形和内力变化。总结应力、应变规律并将相关分析在BIM模型中实现可视化、参数化模拟，形成可视化技术成果。复杂环境下杆件拼装过程中的协同作用和安全评价温度效应：根据采集的每日数据曲线以及往年全年的温度变化曲线，研究桥址所在地可能的极端温度。探究极端温度效应下的吊梁杆件的变形和吊装过程中的节段变形。风致效应：搜集桥址处的风场变化，研究吊装过程中不确定风场条件下的风致效应，并考虑极端风速条件下对杆件及拼装时节段的安全影响。假设吊装过程中杆件出现一端吊点脱落，通过求解杆件的另一吊点受力及吊索受力的大小、以及运动轨迹，对这种极端情况下的吊装系统进行安全评价。将相关分析在BIM模型中实现可视化、参数化模拟，形成可视化技术成果，为吊装方案、应急预案提供参考；总结形成规律推广应用与大型钢构件吊装施工。BIM平台网络监控施工场地监控与BIM轻量化模型融合在平台开发BIM轻量化模型与施工场地视频监控同视窗视角跟随功能，开发轻量化BIM模型与无人机监控同视窗视角跟随功能，实现施工过程可视化远程实时监控。GPS人员三维空间定位系统与BIM轻量化模型融合打通模型平台与GPS人员定位系统端口，研发解决空中交叉作业GPS人员三维空间定位问题；对吊装机具、杆件进行GPS轨迹分析，总结最优路径；与

BIM模型自动优选路径对比分析，探索研发BIM模拟自动优选方案功能。有限元模拟、监控量测数据与BIM轻量化模型融合在平台集成BIM轻量化模型，有限元计算模拟分析、监控监测模型数据，实现同视窗模型现实、对比、预警功能。实现数据自动分析对比功能，对采用的有限元计算仿真理论和计算进行反推、修正。大瑞铁路怒江特大桥上承式钢箱桁架拱桥，主桥跨度490m跨度最大的提篮式桁架拱桥跨度最大的四线铁路拱桥大瑞铁路是泛亚铁路中缅国际铁路的重要组成部分

2017年被铁路总公司定位为“一带一路”重点铁路单击此处编辑母版标题样式单击以编辑母版副标题样式我们的努力3主拱圈采用提篮拱，由

925根杆件组成，重达2.8万吨，按拱肋划分为41个节段；拱肋为4片肋、内倾3.6°，轴线角度、长度精度要求达2″1mm。原设计采用斜拉扣挂整节段吊装技术，存在几个问题：

1、吊装风险大2、精度要求高3、技术定位困境4、数字化推进慢前期进展十八局集团组建了内外结合的高水平研发团队，在集团内部以博士后科研工作站为核心，与桥梁技术分中心、现场项目部建成理论研究与现场实践有机结合的课题组。并与铁五院、达索析统、清华大学、西南交通、北京理工大学、天津大学等单位进行了不同程度的合作与探讨。课题研究前期，在假想“静风、无应力状态”条件下，采用BIM技术，主要在BIM技术虚拟建造方面进行了10个方面的工作，在铁路桥梁施工领域首次实现BIM技术可视化、参数化模拟施工，得到了铁路总公司、云桂公司以及铁二院、达索析统等同仁的高度评价，被誉为西南山区盛开的BIM之花。施工阶段精细化模型拱圈施工阶段BIM模型图前期进展节段虚拟拼装前期进展前期进展碰撞检测吊具优化前期进展前期进展无人机三维场景前期进展单击此处编辑母版标题样式单击以编辑母版副标题样式研究目标形成标准形成施工标准、可视化技术库，形成行业级设计、施工BIM模型交付及标准，探索钢构件设计、加工、安装BIM模型标准。01

02知识产权在大型钢构件数字化施工领域开展专利导航，专利布局。申请发明专利5项，基于

BIM的监控平台申请软件著作权1项。智能装备研发智能对接机械臂

装配样机1套，尝试

研发智能拼装机器人。03

04示范工程指导大瑞怒江特大桥成功实施，建成行业示范工程。形成《大跨钢桁架桥数字化建造技术研究》报告，形成系列工法，综合成果经省部级鉴定并申报省部级及以上科技进步奖。单击此处编辑母版标题样式单击以编辑母版副标题样式科研力量牵头单位不同领域的六家单位强强联合中铁十八局集团有限公司中铁第五勘察设计院集团达索析统上海信息技术有限公司北京云建信科技有限公司西南交通大学天津大学合作单位科研业绩承担省部以上立项承担股份公司立项科研课题结题成果财政部中铁十八局参与了国家863计划课题任务《直径硬岩隧道掘进装备关键技术研究及应用》研究，目前正在研究中。承担的财政部资金支持课题《基于单护盾复合式TBM在城市轨道交通工程的应用研究与实践》，正在进行课题总结。近5年承担股份公司课题25项，其中A类两项《云桂铁路丘北南盘江大桥（416m劲性混凝土拱桥）综合施工技术研究》、《大瑞铁路怒江四线特大桥（主跨490m上承式钢桁拱桥）施工技术研究》，B类一项《港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道综合施工技术研究》。近5年股份公司立项结题的9项课题共获得省部级科技进步奖2项，股份公司特等奖2项、其他奖项2项，中施企协特等奖1项；获国家级工法5项、省部级工法6项、股份公司优秀工法5项；获股份公司优秀论文14篇，获发明专利授权20项。科研业绩中铁十八局设有国家级企业技术中心、省部级桥梁技术分中心，从世界最高的V型支撑铁路桥梁——南昆铁路八渡南盘江特大桥，到世界最大跨客货共线劲性骨架混凝土铁路拱桥——云桂铁路南盘江特大桥，具备一流的特桥施工团队和技术水准。该团队承担的《大跨上承式劲性骨架混凝土铁路拱桥施工技术研究》为股份公司A类课题，获2017年度股份公司科技进步特大桥、中施企协科学进步特大桥奖，依托该课题研发的外包混凝土分环分段连续浇筑技术填补世界空白，近年来，桥梁技术团队研发的《大跨度针形独塔钢斜拉桥施工关键技术研究》等课题获得省部级科技进步奖4项。制度完善中铁十八局具备完善的科技研发管理制度，其中:《中铁十八局集团有限公司科技研发项目及费用管理办法》（公司科技﹝2014﹞133号）《中铁十八局集团有限公司科技发展计划项目合同管理办法》（公司科技﹝2011﹞199号）对科技研发及经费管理作了明确规定本课题还配备了专职专利工程师和经费管理人员。配套资金、设备、场地到位依托大瑞铁路怒江特大桥开展，课题前期已经配备了达索数字化平台及服务器、软、硬件投入200余万元，外部合作已签合同135万元，集团公司课题所依托的工程项目给予抵缴上交款专项政策支持。集团

技术中心桥梁分中心检测中心试验中心合作团队研究团队内部团队课题负责人黄欣，教授级高工中铁十八局集团技术中心副主任科技部部长专家顾问郑皆连院士、张建平教授、马庭林大师、范文理教授、黄田教授等集团技术中心桥梁BIM分中心博士后工作站以及项目管理人员。外部团队中铁五院、西南交大、天津大学、北京云建

信科技有限公司技术顾问郑皆连院士广西大学桥梁技术顾问张建平教授清华大学

BIM技术顾问马庭林设计大师铁二院设计优化顾问范文理教授西南交大

钢结构顾问黄

田长江学者天津大学

机器人顾问祝

兵教授西南交大

课题负责人研发团队负责人性别年龄职称/职务研究任务单位黄

欣女41正高级/科技部长项目负责人中铁十八局集团有限公司袁

帅男37副高级/博士后工作站主任课题负责人中铁十八局集团技术中心郭文军男36博士课题负责人北京云建信科技有限公司李

彬男49副高级/研究处副总工课题负责人中铁第五勘察设计院集团于长彬男45正高级/总工程师项目管理中铁十八局集团桥梁分中心赵静波男35副高级/专利工程师专利管理中铁十八局集团技术中心梁

莹女40中级/技术中心财务室主任财务管理中铁十八局集团技术中心魏

敏女39副高级/研发工程师平台研发中铁十八局集团技术中心熊

瑛女33中级/研发工程师平台研发中铁十八局集团技术中心孙胜伟男30博士后项目实施中铁十八局集团技术中心研发团队负责人性别年龄职称/职务研究任务单位张京京女27博士后项目实施中铁十八局集团技术中心桂婞女45正高级/研究处处长BIM标准中铁第五勘察设计院集团文功启男45副高级/桥梁处副总工BIM标准中铁第五勘察设计院集团刘义勤男35副高级/BIM与软件所所长BIM标准中铁第五勘察设计院集团林佳瑞男32博士BIM平台清华大学/北京云建信科技张晓洋男27研发工程师BIM平台开发北京云建信科技有限公司许惟国男50副教授施工理论研究西南交通大学王学伟男28博士生有限元分析西南交通大学唐自航男25研究生有限元分析西南交通大学刘欢女25研究生监控监测西南交通大学研发团队负责人性别年龄职称/职务研究任务单位赵洁茹女25研究生监控监测西南交通大学田波男35副高级/项目总工程师技术管理中铁十八局集团桥梁分中心陈国胜男43正高级/研发工程师成果开发中铁十八局集团桥梁分中心李瑜男27中级/BIM工程师BIM开发建模中铁十八局集团BIM分中心李海松男25中级./BIM工程师BIM开发建模中铁十八局集团BIM分中心李依桓男23初级/BIM工程师BIM建模中铁十八局集团BIM分中心王佳男22初级/BIM工程师BIM建模中铁十八局集团BIM分中心单击此处编辑母版标题样式单击以编辑母版副标题样式实施计划12342017年完成课题规划；完成BIM软硬件部署；完成理想状态BIM模拟吊装功能研究；4.

完成有施工理论及限元分析合同签订，完成任务策划；5.

完成BIM平台部署；2019年1.

完成子课题1第二部分基于BIM模型的大跨度钢桁架桥虚拟建造技术预拼部分研究；2.

完成子课题2第一部分基于B