京哈高速陶賴昭特大橋改擴(kuò)建工程BIM技術(shù)應(yīng)用

(1.吉林建筑大學(xué)，長春 130118; 2.吉林省高等級(jí)公路建設(shè)局，長春 130033)

1 工程概況

陶賴昭特大橋改擴(kuò)建工程位于既有京哈高速公路陶賴昭松花江特大橋處(如圖1)。因現(xiàn)有京哈高速公路長春至拉林河段已不能適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和交通量增長的需要，更難以滿足國家公路運(yùn)輸大通道的功能要求，整條高速公路改擴(kuò)建工程顯得尤為迫切。項(xiàng)目采用既有橋梁完全利用，左側(cè)單側(cè)加寬并新建半幅橋?qū)?0.25m橋梁的改擴(kuò)建方案。新建橋梁橋孔布置為2×40+5×(3×40)+2×40+(65+5×100+65)+2×40+3×40m，與既有橋梁橋孔布置完全對(duì)應(yīng)。主橋上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土半剛構(gòu)-連續(xù)箱梁，引橋上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土簡支轉(zhuǎn)連續(xù)T梁，下部采用薄壁墩、柱式墩，基礎(chǔ)采用鉆孔樁基礎(chǔ)。改擴(kuò)建完成后道路等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為雙向八車道高速公路。

項(xiàng)目跨越第二松花江，是京哈高速公路長春至拉林河段改擴(kuò)建工程的控制性工程。自然條件復(fù)雜，施工難度大；改擴(kuò)建交通組織方式難以呈現(xiàn)；跨江工程,勘測(cè)外業(yè)難度大。利用BIM技術(shù)在傳統(tǒng)改擴(kuò)建工程實(shí)施方式的基礎(chǔ)上，通過“BIM+”的思路去完成一種新型的改擴(kuò)建工程應(yīng)用，從而優(yōu)化工程設(shè)計(jì)，保證施工質(zhì)量。

2 BIM應(yīng)用組織實(shí)施

2.1 BIM應(yīng)用總體構(gòu)架

本工程項(xiàng)目通過BIM技術(shù)，基于工程項(xiàng)目特點(diǎn)建立項(xiàng)目技術(shù)路線，分別從勘測(cè)、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等階段進(jìn)行應(yīng)用。在勘測(cè)階段，我們利用無人機(jī)低空攝影測(cè)量和無人機(jī)傾斜攝影實(shí)景建模來提供三維地理信息模型；基于三維地形，在規(guī)劃階段進(jìn)行方案設(shè)計(jì)比選及展示溝通。

在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行橋梁路線設(shè)計(jì)、橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)分析、三維搭建鋼筋，最終完成施工圖級(jí)別BIM模型的創(chuàng)建；在施工階段，利用BIM模型進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì)、施工組織計(jì)劃進(jìn)度模擬、施工工藝模擬、VR交互體驗(yàn)等，以提前預(yù)演施工過程，多次模擬施工后進(jìn)入指導(dǎo)施工環(huán)節(jié)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行信息的實(shí)時(shí)整合。

通過BIM技術(shù)，簡單高效建立BIM模型，直觀反映項(xiàng)目環(huán)境影響因素，并在三維環(huán)境中展示并確定設(shè)計(jì)方案，對(duì)交通預(yù)測(cè)及組織進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真模擬，最終利用BIM+GIS[1]來論證項(xiàng)目方案可行性，以探索出符合改擴(kuò)建特色的工程BIM應(yīng)用模式，通過在勘測(cè)、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工等階段的流程化應(yīng)用，去探索不同于傳統(tǒng)二維模式下的項(xiàng)目建設(shè)新思路，如圖2所示。

圖2 陶賴昭特大橋BIM技術(shù)應(yīng)用實(shí)施方案

2.2 BIM實(shí)施措施

本工程規(guī)模大、建設(shè)條件復(fù)雜、參加單位較多，通過與項(xiàng)目業(yè)主、設(shè)計(jì)單位以及施工單位的協(xié)調(diào)溝通，明確了項(xiàng)目BIM應(yīng)用目標(biāo)及根據(jù)項(xiàng)目階段和工程需求確定對(duì)于本工程信息模型信息的需求，和模型包含的信息的全面性、細(xì)致程度及準(zhǔn)確性的指標(biāo)，在不同階段方案下，橋梁信息模型幾何信息的全面性、細(xì)致程度及準(zhǔn)確性指標(biāo)。并結(jié)合陶賴昭特大橋改擴(kuò)建工程的工程特點(diǎn)，在項(xiàng)目工程實(shí)施前建立標(biāo)準(zhǔn)化的三維協(xié)同工作環(huán)境，從而開展項(xiàng)目各階段BIM技術(shù)應(yīng)用工作。

3 BIM應(yīng)用

3.1 勘測(cè)階段應(yīng)用

初期對(duì)改擴(kuò)建工程中的既有植被、道路、橋梁等地物，應(yīng)用無人機(jī)技術(shù)，在Google Earth中確定項(xiàng)目航測(cè)范圍，依據(jù)指定的航線及參數(shù)設(shè)置，完成航拍以采集多角度影像信息和對(duì)應(yīng)的pos數(shù)據(jù)，采用ContextCapture、Pix 4D生成正攝影像以及傾斜攝影模型，如圖3所示，其中由無人機(jī)低空攝影測(cè)量生成的有數(shù)字地表模型(DSM)，包含了地表建筑物、橋梁和樹木等高度的地面高程，可從模型中提取地理信息數(shù)據(jù)，并繪制二維地形圖；由無人機(jī)傾斜攝影生成的三維實(shí)景模型，可根據(jù)實(shí)景模型分析項(xiàng)目環(huán)境，查看基礎(chǔ)的地理信息，便于直觀反映項(xiàng)目環(huán)境影響因素，分析路線地物地貌情況[2]。

3.2 規(guī)劃階段應(yīng)用

在規(guī)劃方案設(shè)計(jì)階段，考慮橋梁間距較近，通航及整體景觀要求，新建半幅橋梁需對(duì)應(yīng)舊橋結(jié)構(gòu)布置的要求，基于勘測(cè)階段獲取的地形數(shù)據(jù)以及正攝影像生成三維地形，利用Infraworks進(jìn)行項(xiàng)目改擴(kuò)建方案的路線設(shè)計(jì)，在三維環(huán)境中展示并確定設(shè)計(jì)方案；利用SketchUp快速建立橋梁結(jié)構(gòu)模型，使用Lumion構(gòu)建周圍環(huán)境，最終驗(yàn)證橋梁方案的孔徑布置、上下部結(jié)構(gòu)選型、通航情況合理性，最終確定本項(xiàng)目的橋梁設(shè)計(jì)方案，如圖4所示。

結(jié)合專業(yè)的Vissim 交通仿真分析軟件，以陶賴昭特大橋改擴(kuò)建工程為縮影，動(dòng)態(tài)反映京哈高速長春至拉林河段改擴(kuò)建工程的交通運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)基于BIM模型的4D交通仿真分析，如圖5所示，并對(duì)項(xiàng)目改擴(kuò)建前后的交通流進(jìn)行模擬，動(dòng)態(tài)反映交通運(yùn)行情況全過程。

圖3 正攝影像及傾斜攝影模型

圖4 陶賴昭特大橋設(shè)計(jì)方案效果

圖5 交通仿真模擬

3.3 設(shè)計(jì)階段應(yīng)用

在設(shè)計(jì)階段中，先期在Midas Civil軟件中建立橋梁力學(xué)模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析計(jì)算，確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性能。然后利用Civil 3D、Revit、Dynamo等建模軟件對(duì)改擴(kuò)建增幅橋梁進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)[3]，包括構(gòu)造模型以及鋼筋模型，如圖6所示，整個(gè)設(shè)計(jì)全過程軟件協(xié)同度高，效率高，從而達(dá)到簡單高效建立BIM模型的目的。

3.4 施工階段應(yīng)用

在施工階段中，傳統(tǒng)方式下基于二維圖紙的平面化進(jìn)度調(diào)控方法無法對(duì)施工進(jìn)行事前模擬，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃的優(yōu)化不夠充分，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工問題[4]。

本工程基于BIM技術(shù)的進(jìn)度調(diào)控方法經(jīng)過反復(fù)修改、提前預(yù)案、多次模擬施工后進(jìn)入指導(dǎo)施工環(huán)節(jié)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行信息的實(shí)時(shí)整合[5]。利用Navisworks、Synchro 4D、Fuzor等施工模擬軟件對(duì)復(fù)雜工點(diǎn)改擴(kuò)建方案施工過程、施工組織設(shè)計(jì)、施工工藝等進(jìn)行直觀模擬展示，如圖7所示，方便方案論證與選擇并確保了項(xiàng)目工期順利進(jìn)行。采用Vissim模擬交通管制措施的合理性，實(shí)現(xiàn)基于BIM模型的4D交通組織設(shè)計(jì)及交通組織方案展示，如圖8所示。同時(shí)結(jié)合VR技術(shù)提前將作業(yè)高危區(qū)、易發(fā)生危險(xiǎn)區(qū)、公路臨時(shí)封閉區(qū)明確，將每一個(gè)階段需要注意的問題細(xì)節(jié)清晰、有邏輯的可視化展現(xiàn)出來。

圖6 橋梁BIM模型

圖7 橋梁施工進(jìn)度模擬

圖8 施工交通組織模擬

4 總結(jié)

本工程在項(xiàng)目初期確立了利用BIM+新技術(shù)的理念來進(jìn)行改擴(kuò)建工程的規(guī)劃、勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工等階段應(yīng)用的目標(biāo)；在項(xiàng)目勘測(cè)階段利用無人機(jī)技術(shù)進(jìn)行勘測(cè)，減少室外測(cè)量作業(yè)時(shí)間及人員，直接生成三維地理信息模型，提高工作效率；將基于三維地形，進(jìn)行路線及橋梁方案設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)三維環(huán)境下的方案比選及展示；利用Civil3d+Dynamo+Revit實(shí)現(xiàn)橋梁參數(shù)化設(shè)計(jì)一體化，探索出具有改擴(kuò)建工程特色的BIM正向設(shè)計(jì)模式；并利用BIM模型在對(duì)原有設(shè)施進(jìn)行擴(kuò)充性改造建設(shè)的基礎(chǔ)上，提前預(yù)演施工進(jìn)度計(jì)劃及施工工藝過程，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工問題，優(yōu)化施工方案。最終實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)在改擴(kuò)建工程中的集成應(yīng)用及數(shù)字化交付。下一步，我們將繼續(xù)研發(fā)基于BIM+GIS的施工管理和運(yùn)維平臺(tái)，為項(xiàng)目建設(shè)期及運(yùn)營階段提供支撐。