BIM技術(shù)在特大橋梁工程施工中的應(yīng)用探究

阮任輝 樊燕燕 劉興旺

摘要：基于大橋工程橋位處為峽谷懸崖地貌，地形起伏極大，施工場地狹小，現(xiàn)場管理難度大；橋梁主體結(jié)構(gòu)采用新結(jié)構(gòu)，新技術(shù)等難點(diǎn)探索性的將BIM技術(shù)應(yīng)用于本工程的施工階段。運(yùn)用Civil3D建立橋址處的地形模型，再通過Revit軟件進(jìn)行施工場地平整和規(guī)劃，并建立該懸索橋的三維模型，結(jié)合BIM技術(shù)的信息共享功能，對主桁架構(gòu)件的預(yù)制和采購。通過Navisworks進(jìn)行施工方案比選和重難點(diǎn)部位施工工序模擬，對現(xiàn)場施工人員進(jìn)行可視化交底。根據(jù)案例應(yīng)用，提出BIM施工項(xiàng)目管理的實(shí)施框架。本研究可為大型橋梁工程應(yīng)用BIM進(jìn)行施工方案優(yōu)化和提高施工效率提供參考。

Absrtact： Due to the cliff topography of the bridge project， the topography fluctuates greatly， the construction site is small and the site management is difficult， the main structure of the bridge adopts the new structure and new technology and other difficulties， the application of BIM technology in the construction phase of this project is explored. The terrain model of the bridge site is established by Civil3D， then the construction site is leveled and planned by Revit software， and the three-dimensional model of the suspension bridge is established. Combined with the information sharing function of BIM technology， the prefabrication and purchasing of main truss members are carried out. Through Navisworks construction program comparison and construction of heavy and difficult parts of the simulation process， on-site construction workers are visualized. The implementation framework of BIM construction project management is put forward， which is a reference for the optimization of construction scheme and the improvement of construction efficiency in large bridge engineering using BIM.

關(guān)鍵詞：橋梁工程；BIM技術(shù)；施工圖優(yōu)化；信息共享

Key words： bridge engineering；BIM technology；construction drawing optimization；information sharing

中圖分類號(hào)：U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）10-0111-04

0 引言

近年來，BIM技術(shù)在國內(nèi)得到飛速發(fā)展，其影響也越來越廣泛。目前，在國內(nèi)大型項(xiàng)目中BIM技術(shù)成功應(yīng)用的案例很多，如福州的海峽奧體中心、世博會(huì)德國館等。但是BIM技術(shù)的成功應(yīng)用大多是在房屋建筑工程上，在橋梁上的應(yīng)用還處于探索和嘗試階段。橋梁工程作為交通土建工程的重要分支，它是一種解決人們交通出行的重要建筑物，在工程行業(yè)的地位是不可小覷的。由于橋梁結(jié)構(gòu)上異形構(gòu)件多，施工難度大，故發(fā)掘BIM技術(shù)在橋梁領(lǐng)域的應(yīng)用是非常有必要的。本文結(jié)合矮寨特大橋，探索了BIM技術(shù)在橋梁施工領(lǐng)域的實(shí)施方案，并根據(jù)工程施工中的技術(shù)實(shí)踐，提出了BIM在工程項(xiàng)目管理上的框架。

1 工程概況

矮寨特大橋距吉首市區(qū)約20公里，于K14+576.30處跨越山谷，橋面設(shè)計(jì)標(biāo)高與地面高差達(dá)330m左右，地質(zhì)情況復(fù)雜。橋型方案為鋼桁加勁梁單跨懸索橋，主纜孔跨布置為242+1176+116m，橋面系寬24.5m。索塔采用雙柱門式框架、鋼筋混凝土空心方柱結(jié)構(gòu)形式；錨固體系采用重力式錨碇和隧道式錨碇。大橋Lumion渲染效果圖如圖1所示。

2 工程施工重難點(diǎn)

2.1 施工場地狹小，現(xiàn)場管理難度大

該橋位處為峽谷懸崖地貌，地形起伏極大，相對高差達(dá)500m。索塔處存在巖堆、巖溶、裂隙和危巖體等不良地質(zhì)現(xiàn)象，峽谷多霧，瞬時(shí)最大風(fēng)速為31.9m/s，對施工測量和主纜架設(shè)有嚴(yán)重影響。主纜及鋼桁梁在高空架設(shè)，單件吊裝最大重量達(dá)120噸，為了確保各個(gè)構(gòu)件能夠準(zhǔn)確無誤的安裝到位，這就對加工精度提出很高的要求，也成為了工程的難點(diǎn)之一。在面對如此復(fù)雜的施工條件，如何保證工程質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)工期和安全目標(biāo)成為施工方最大的難題。

2.2 新結(jié)構(gòu)，新技術(shù)的應(yīng)用

特大橋首次采用塔梁完全分離式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主纜存在無吊索區(qū)，對大橋整體的穩(wěn)定性造成很大影響，故在懸索近塔端首次使用大型巖錨吊索方案。主梁加勁桁架由3061個(gè)桿件通過高強(qiáng)螺栓拼裝而成，單一節(jié)段的鋼桁架長14.5m，寬27m，高7.5m。

3 BIM技術(shù)在橋梁工程施工中的應(yīng)用探究

為提高工程的施工效率，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的增值。將建筑信息模型（BIM）技術(shù)引進(jìn)該橋梁工程，在施工中綜合運(yùn)用基于的三維可視化、協(xié)同作業(yè)、碰撞檢測等技術(shù)，以期降低工程成本，縮短工期，提高工程質(zhì)量。經(jīng)對比分析后，在眾多系列的BIM軟件，采用Autodesk公司系列軟件對本橋梁進(jìn)行建模分析。

3.1 前期準(zhǔn)備和核心模型的構(gòu)建

3.1.1 前期準(zhǔn)備和資料收集

BIM應(yīng)用于橋梁工程的施工管理，由于體系龐大涉及面廣，必須建立一個(gè)合理的BIM實(shí)施團(tuán)隊(duì)。然后對小組成員分工，再進(jìn)行施工圖的收集整理和歸類，對施工圖進(jìn)行識(shí)別，通過與現(xiàn)場技術(shù)人員的溝通交流，糾正對圖紙的錯(cuò)誤理解，保證原始信息傳遞的準(zhǔn)確性。

3.1.2 施工場地地形模型與場地平整及布置

相對于一般的建筑工程項(xiàng)目，橋梁工程的施工環(huán)境大多比較復(fù)雜多變，跨河、跨山谷等地帶，現(xiàn)場環(huán)境直接影響施工場地的管理和施工的技術(shù)方案。地形環(huán)境是橋梁工程施工的基礎(chǔ)，在橋梁BIM模型中，應(yīng)首先引入地形模型，然后對施工場地進(jìn)行布置、對基礎(chǔ)開挖方案進(jìn)行論證。

地形模型建模工作流程：原始CAD地形圖導(dǎo)入Civil3D、新建曲面添加CAD圖中等高線、生成三角網(wǎng)地形曲面、觀察地形曲面對高程誤測點(diǎn)進(jìn)行刪除，導(dǎo)出.csv格式點(diǎn)高程文件、導(dǎo)入到Revit場地中、生成地形曲面。也可根據(jù)現(xiàn)有高程點(diǎn)數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入Revit中生成地形表面。按設(shè)計(jì)圖紙選定位置進(jìn)行場地平整和基坑開挖。

3.1.3 核心BIM構(gòu)件

根據(jù)施工圖紙，構(gòu)建茶洞岸錨碇、吉首岸錨碇、茶洞岸索塔和吉首岸索塔，通過創(chuàng)建這些模型能夠直接計(jì)算混凝土工程量和更清晰該部分構(gòu)造。如圖3所示。

3.2 設(shè)計(jì)校核及施工圖優(yōu)化

由于橋梁工程的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)院在設(shè)計(jì)圖紙中出現(xiàn)錯(cuò)誤在所難免，在構(gòu)件的建模過程中發(fā)現(xiàn)部分圖紙?jiān)诔叽绾臀恢么嬖阱e(cuò)誤。例如：吉首岸錨碇橫向長度偏差30cm，后澆帶位置存在偏差，吉首案索塔進(jìn)人洞口尺寸偏差30cm，抗風(fēng)穩(wěn)定桿FW2長度存在3mm誤差，下弦桿PX3長度偏差101mm等。在這些圖紙錯(cuò)誤在傳統(tǒng)的二維圖紙中常常不易被察覺，但對于混凝土工程量和主桁架的拼裝產(chǎn)生很大的影響，不僅會(huì)導(dǎo)致工程量增大成本增加，也會(huì)導(dǎo)致工期的拖延。通過項(xiàng)目組與設(shè)計(jì)方的溝通，這些問題最終得到解決，避免了將設(shè)計(jì)問題滯留到施工階段。

3.3 工程量統(tǒng)計(jì)與圖紙輸出

與傳統(tǒng)的工程量計(jì)量方式相比，通過參數(shù)化的BIM模型和其中高度整合的數(shù)據(jù)信息，可以通過軟件生成工程量統(tǒng)計(jì)表，再通過插件導(dǎo)出到Excel中便于核算，在工程發(fā)生變更時(shí)這些統(tǒng)計(jì)表也能實(shí)時(shí)更新，極大的提高了工作效率。利用BIM技術(shù)能夠有效的對各構(gòu)件進(jìn)行工程量的統(tǒng)計(jì)分析，從而減少人工計(jì)算帶來的統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤，合理的安排材料的采購與進(jìn)場計(jì)劃，縮短工期，降低工程成本。

可出圖性也是BIM技術(shù)的一大優(yōu)勢，隨著建筑業(yè)的發(fā)展，各種異形構(gòu)件大量出現(xiàn)，用傳統(tǒng)的平面圖紙難以準(zhǔn)確定位。而且往往需將平、立、剖面結(jié)合起來看，才能精確把握結(jié)構(gòu)構(gòu)件的空間位置關(guān)系，施工人員查看圖紙費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。同時(shí)在項(xiàng)目施工過程中如果發(fā)現(xiàn)問題，只需要在已經(jīng)建好的BIM模型中做相應(yīng)的修改，所有已經(jīng)生成的圖紙也會(huì)自動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)更新而不需要對所涉及到的每一張圖紙都進(jìn)行修改，從而減少很大一部分的工作量。

基于Navisworks軟件的“Quantification”模塊的工程量統(tǒng)計(jì)的一般方法：項(xiàng)目設(shè)置中新建目錄并選擇算量特性、新建組和項(xiàng)目、對規(guī)則進(jìn)行設(shè)置、再進(jìn)行資源目錄編輯、導(dǎo)出工料Excel表格。

在Revit中圖紙輸出一般步驟：打開項(xiàng)目創(chuàng)建圖紙、設(shè)置項(xiàng)目信息、制作圖例視圖、進(jìn)行視圖布置及視圖列表和說明添加、打印和導(dǎo)出圖紙。

3.4 預(yù)制構(gòu)件的數(shù)字化加工與安裝

本工程主梁采用鋼桁架加勁梁，從工廠運(yùn)達(dá)施工現(xiàn)場拼裝，再進(jìn)行吊裝就位。傳統(tǒng)的預(yù)制構(gòu)件一般是預(yù)制廠家根據(jù)二維圖紙來制作，這些構(gòu)件在安裝時(shí)經(jīng)常會(huì)因?yàn)槌叽缭虺霈F(xiàn)無法安裝到位的情況，本工程鋼桁架不僅數(shù)量多，而類型多，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，由于設(shè)計(jì)原因和加工過程中的誤差，在預(yù)拼裝的時(shí)往往會(huì)容易出現(xiàn)問題，在尺寸精度上還存在誤差累積效應(yīng)。如果其中一個(gè)類型的鋼桁架出現(xiàn)問題，就會(huì)導(dǎo)致鋼桁架無法拼裝，延誤工期。為了保證工程施工進(jìn)度和質(zhì)量，引進(jìn)BIM技術(shù)，先對主梁鋼桁架進(jìn)行建模，在加工之前及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并加以修正。利用BIM模型中儲(chǔ)存完備的構(gòu)件信息庫，將預(yù)制構(gòu)件信息庫與預(yù)制廠商共享。如此，預(yù)制廠商可以直觀地了解到預(yù)制構(gòu)件的尺寸、材質(zhì)、強(qiáng)度、規(guī)格、型號(hào)等信息。例如，在采購預(yù)制鋼箱梁時(shí)，直接將主桁架部分BIM模型發(fā)給廠商，廠商根據(jù)模型直接生產(chǎn)出所有類型的鋼桁架。將BIM技術(shù)應(yīng)用于預(yù)制構(gòu)件的加工，不但可以降低供貨商的生產(chǎn)成本，加快進(jìn)度，而且項(xiàng)目部也可以直接或間接的從中獲得更大收益。

3.5 施工方案優(yōu)化及關(guān)鍵點(diǎn)技術(shù)交底

為了確保施工方案的可行性，并提高施工效率和管理水平。施工過程優(yōu)化將依據(jù)已經(jīng)建立的模型以及施工規(guī)劃信息等，通過將構(gòu)件與進(jìn)度信息、工序流程相關(guān)聯(lián)，模擬分析施工工序、進(jìn)度計(jì)劃、資源配置，探討其可行性，從而不斷改進(jìn)施工方案。另外需要重點(diǎn)說明的是，施工過程分析必須由BIM技術(shù)人員和現(xiàn)場技術(shù)負(fù)責(zé)人和施工管理人員進(jìn)行協(xié)商完成。對施工方案進(jìn)行技術(shù)，安全，質(zhì)量，成本等各方面的比較，確定最優(yōu)方案，再交由總工審核后對施工方案進(jìn)行修改。最后交由技術(shù)負(fù)責(zé)人通過施工關(guān)鍵點(diǎn)動(dòng)畫對現(xiàn)場施工人員進(jìn)行技術(shù)交底，從而確保施工的順利進(jìn)行，保證工程質(zhì)量。方案比選動(dòng)畫截圖如圖4所示。

4 橋梁BIM應(yīng)用流程框架

4.1 BIM應(yīng)用的策劃與準(zhǔn)備

在BIM技術(shù)的應(yīng)用上，必須做好前期的策劃，這樣才能夠以最低的投入達(dá)到預(yù)期使用BIM技術(shù)的目的，實(shí)現(xiàn)工期和成本的節(jié)約。實(shí)現(xiàn)這目標(biāo)的前提是建立一個(gè)合理的BIM核心實(shí)施團(tuán)隊(duì)，由于施工管理體系復(fù)雜龐大，在項(xiàng)目施工準(zhǔn)備階段，團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人必須與項(xiàng)目經(jīng)理進(jìn)行協(xié)商，制定各階段目標(biāo)，并對目標(biāo)進(jìn)行分析和論證。其次再對BIM團(tuán)隊(duì)人員進(jìn)行任務(wù)的分工與責(zé)任的劃分。

BIM模型是整個(gè)BIM工作的基礎(chǔ)，所有的BIM應(yīng)用都是在模型上完成的，明確哪些內(nèi)容需要建模。需要詳細(xì)到什么程度，既要滿足應(yīng)用需求，又要避免過度建模。目前《GB51212T-2016建筑信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)附條文》已經(jīng)頒布，但是對于建模深度還沒有做出明確要求，故參考美國建筑師學(xué)會(huì)定義的模型深度等級(jí)，模型深度等級(jí)分為LOD100-LOD500五個(gè)級(jí)別（如表1所示）。依據(jù)該表，本工程的BIM模型深度定為LOD400。

4.2 基于BIM技術(shù)的深化設(shè)計(jì)

特大型橋梁通常作為項(xiàng)目所在地的地標(biāo)性建筑，其工程結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性要高于一般橋梁，造型更具新穎和獨(dú)特性。而設(shè)計(jì)院可供參考的相似的已建橋梁工程項(xiàng)目相對較少，對橋梁工程圖紙的設(shè)計(jì)深度通常都無法達(dá)到施工現(xiàn)場所要求的深度。因此施工方需要結(jié)合項(xiàng)目和施工現(xiàn)場的實(shí)際情況，對圖紙進(jìn)一步的細(xì)化、補(bǔ)充和完善，但是這一過程往往存在很多問題。通過BIM技術(shù)的引入，施工方可以針對重難點(diǎn)部位進(jìn)行針對性的深化設(shè)計(jì)，涉及的各專業(yè)可以直接通過模型進(jìn)行溝通，極大的降低溝通障礙。通過BIM的精確設(shè)計(jì)后，可大大降低專業(yè)間交錯(cuò)碰撞，且各專業(yè)分包利用模型開展施工方案、施工順序討論，可以直觀、清晰地發(fā)現(xiàn)施工中可能產(chǎn)生的問題，并給予提前解決，提高施工效率，進(jìn)而減少人力、材料以及時(shí)間上的浪費(fèi)，一定程度上降低施工成本，同時(shí)大量減少施工過程中的誤會(huì)與糾紛。

4.3 基于BIM的虛擬建造和可視化管理

基于BIM的可視化虛擬建造是將現(xiàn)場施工方案與BIM技術(shù)相結(jié)合，施工前根據(jù)施工方案將模型進(jìn)行切分，設(shè)定模型的時(shí)間、位置、資源需求等參數(shù)，在計(jì)算機(jī)中模擬橋梁建造過程。使各項(xiàng)方案得到一個(gè)直觀地表達(dá)，為方案研究和現(xiàn)場技術(shù)交底提供了可視化平臺(tái)，提高溝通效率。

目前我國橋梁工程施工管理主要以二維為主，對于一些工序多且復(fù)雜的工程項(xiàng)目難以全面統(tǒng)籌和精細(xì)化管理。基于BIM的可視化施工管理通過使用三維激光掃描、條形碼、二維碼等技術(shù)將現(xiàn)場3D模型與施工進(jìn)度計(jì)劃相鏈接，實(shí)現(xiàn)了施工進(jìn)度、人力、材料、設(shè)備、成本的4D動(dòng)態(tài)集成化管理提高橋梁施工信息化程度。將BIM模型的三維截圖以及相關(guān)的施工模擬視頻與施工進(jìn)度計(jì)劃相連接后導(dǎo)入上傳到施工管理平臺(tái)數(shù)據(jù)庫，通過移動(dòng)終端，將結(jié)構(gòu)三維截圖以及相關(guān)工序的操作視頻發(fā)送到現(xiàn)場技術(shù)人員手機(jī)上，現(xiàn)場通過手機(jī)可以直觀了解結(jié)構(gòu)形式，操作順序及項(xiàng)目其他信息。通過在施工現(xiàn)場的信息實(shí)時(shí)的查看與核實(shí)，對施工質(zhì)量起到最直接的控制作用。

5 結(jié)語

目前BIM技術(shù)在橋梁工程的應(yīng)用還屬于探索階段，相關(guān)理論和技術(shù)還不夠成熟。本文通過研究BIM技術(shù)與橋梁工程施工階段相結(jié)合，針對本項(xiàng)目實(shí)施的重難點(diǎn)，利用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)場地規(guī)劃，預(yù)制構(gòu)配件的信息共享，對施工方案進(jìn)行比選和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場三維可視化交底和施工現(xiàn)場的管理。最后根據(jù)本項(xiàng)目BIM技術(shù)的應(yīng)用情況，總結(jié)出BIM在橋梁工程應(yīng)用的實(shí)施框架。期望通過本研究，可以為其它大型橋梁工程施工提供參考，啟發(fā)企業(yè)探索新的項(xiàng)目管理思路，同時(shí)為BIM在橋梁工程領(lǐng)域的推廣應(yīng)用做出貢獻(xiàn)。相信通過BIM技術(shù)不斷的發(fā)展和完善，能夠更好的提高我國橋梁施工技術(shù)和管理水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁烈云.BIM應(yīng)用·施工[M].同濟(jì)大學(xué)出版社，2015.

[2]熊峰，鄭榮躍.市政橋梁工程（寧波澄浪橋）全流程BIM工程化應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2017.

[3]龍騰，唐紅，吳念，等.BIM技術(shù)在武漢某高架橋工程施工中的應(yīng)用研究[J].施工技術(shù)，2014，43（3）：80-83.

[4]張為和.基于BIM的夜郎河雙線特大橋施工應(yīng)用方案研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2015（3）：82-86.

[5]李紅學(xué)，郭紅領(lǐng)，高巖，等.基于BIM的橋梁工程設(shè)計(jì)與施工優(yōu)化研究[J].工程管理學(xué)報(bào)，2012（6）：48-52.

[6]張海華，劉宏剛，甘一鳴.基于BIM技術(shù)的橋梁可視化施工應(yīng)用研究[J].公路，2016（9）：155-161.

[7]錢楓.橋梁工程BIM技術(shù)應(yīng)用研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2015（12）：50-52.

[8]龍騰.基于BIM的變截面橋體可視化施工技術(shù)應(yīng)用研究[D].武漢科技大學(xué)，2015.

[9]李明果.基于4D模型的橋梁施工進(jìn)度與成本管理的可視化研究[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2012.

[10]洪磊.BIM技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用研究[D].西南交通大學(xué)，2012.