BIM技術在特大橋梁工程施工中的應用探究

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，現場管理難度大；橋梁主體結構采用新結構，新技術等難點探索性的將BIM技術應用于本工程的施工階段。運用Civil3D建立橋址處的地形模型，再通過Revit軟件進行施工場地平整和規劃，并建立該懸索橋的三維模型，結合BIM技術的信息共享功能，對主桁架構件的預制和采購。通過Navisworks進行施工方案比選和重難點部位施工工序模擬，對現場施工人員進行可視化交底。根據案例應用，提出BIM施工項目管理的實施框架。本研究可為大型橋梁工程應用BIM進行施工方案優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.

關鍵詞：橋梁工程；BIM技術；施工圖優化；信息共享

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

中圖分類號：U445 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）10-0111-04

0 引言

近年來，BIM技術在國內得到飛速發展，其影響也越來越廣泛。目前，在國內大型項目中BIM技術成功應用的案例很多，如福州的海峽奧體中心、世博會德國館等。但是BIM技術的成功應用大多是在房屋建筑工程上，在橋梁上的應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，在工程行業的地位是不可小覷的。由于橋梁結構上異形構件多，施工難度大，故發掘BIM技術在橋梁領域的應用是非常有必要的。本文結合矮寨特大橋，探索了BIM技術在橋梁施工領域的實施方案，并根據工程施工中的技術實踐，提出了BIM在工程項目管理上的框架。

1 工程概況

矮寨特大橋距吉首市區約20公里，于K14+576.30處跨越山谷，橋面設計標高與地面高差達330m左右，地質情況復雜。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構形式；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

2.1 施工場地狹小，現場管理難度大

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

2.2 新結構，新技術的應用

特大橋首次采用塔梁完全分離式結構設計，主纜存在無吊索區，對大橋整體的穩定性造成很大影響，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個桿件通過高強螺栓拼裝而成，單一節段的鋼桁架長14.5m，寬27m，高7.5m。

3 BIM技術在橋梁工程施工中的應用探究

為提高工程的施工效率，實現項目的增值。將建筑信息模型（BIM）技術引進該橋梁工程，在施工中綜合運用基于的三維可視化、協同作業、碰撞檢測等技術，以期降低工程成本，縮短工期，提高工程質量。經對比分析后，在眾多系列的BIM軟件，采用Autodesk公司系列軟件對本橋梁進行建模分析。

3.1 前期準備和核心模型的構建

3.1.1 前期準備和資料收集

BIM應用于橋梁工程的施工管理，由于體系龐大涉及面廣，必須建立一個合理的BIM實施團隊。然后對小組成員分工，再進行施工圖的收集整理和歸類，對施工圖進行識別，通過與現場技術人員的溝通交流，糾正對圖紙的錯誤理解，保證原始信息傳遞的準確性。

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目，橋梁工程的施工環境大多比較復雜多變，跨河、跨山谷等地帶，現場環境直接影響施工場地的管理和施工的技術方案。地形環境是橋梁工程施工的基礎，在橋梁BIM模型中，應首先引入地形模型，然后對施工場地進行布置、對基礎開挖方案進行論證。

地形模型建模工作流程：原始CAD地形圖導入Civil3D、新建曲面添加CAD圖中等高線、生成三角網地形曲面、觀察地形曲面對高程誤測點進行刪除，導出.csv格式點高程文件、導入到Revit場地中、生成地形曲面。也可根據現有高程點數據直接導入Revit中生成地形表面。按設計圖紙選定位置進行場地平整和基坑開挖。

3.1.3 核心BIM構件

根據施工圖紙，構建茶洞岸錨碇、吉首岸錨碇、茶洞岸索塔和吉首岸索塔，通過創建這些模型能夠直接計算混凝土工程量和更清晰該部分構造。如圖3所示。

3.2 設計校核及施工圖優化

由于橋梁工程的復雜性，設計院在設計圖紙中出現錯誤在所難免，在構件的建模過程中發現部分圖紙在尺寸和位置存在錯誤。例如：吉首岸錨碇橫向長度偏差30cm，后澆帶位置存在偏差，吉首案索塔進人洞口尺寸偏差30cm，抗風穩定桿FW2長度存在3mm誤差，下弦桿PX3長度偏差101mm等。在這些圖紙錯誤在傳統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生很大的影響，不僅會導致工程量增大成本增加，也會導致工期的拖延。通過項目組與設計方的溝通，這些問題最終得到解決，避免了將設計問題滯留到施工階段。

3.3 工程量統計與圖紙輸出

與傳統的工程量計量方式相比，通過參數化的BIM模型和其中高度整合的數據信息，可以通過軟件生成工程量統計表，再通過插件導出到Excel中便于核算，在工程發生變更時這些統計表也能實時更新，極大的提高了工作效率。利用BIM技術能夠有效的對各構件進行工程量的統計分析，從而減少人工計算帶來的統計錯誤，合理的安排材料的采購與進場計劃，縮短工期，降低工程成本。

可出圖性也是BIM技術的一大優勢，隨著建筑業的發展，各種異形構件大量出現，用傳統的平面圖紙難以準確定位。而且往往需將平、立、剖面結合起來看，才能精確把握結構構件的空間位置關系，施工人員查看圖紙費時、費力。同時在項目施工過程中如果發現問題，只需要在已經建好的BIM模型中做相應的修改，所有已經生成的圖紙也會自動進行自動更新而不需要對所涉及到的每一張圖紙都進行修改，從而減少很大一部分的工作量。

基于Navisworks軟件的“Quantification”模塊的工程量統計的一般方法：項目設置中新建目錄并選擇算量特性、新建組和項目、對規則進行設置、再進行資源目錄編輯、導出工料Excel表格。

在Revit中圖紙輸出一般步驟：打開項目創建圖紙、設置項目信息、制作圖例視圖、進行視圖布置及視圖列表和說明添加、打印和導出圖紙。

3.4 預制構件的數字化加工與安裝

本工程主梁采用鋼桁架加勁梁，從工廠運達施工現場拼裝，再進行吊裝就位。傳統的預制構件一般是預制廠家根據二維圖紙來制作，這些構件在安裝時經常會因為尺寸原因出現無法安裝到位的情況，本工程鋼桁架不僅數量多，而類型多，節點構造復雜，由于設計原因和加工過程中的誤差，在預拼裝的時往往會容易出現問題，在尺寸精度上還存在誤差累積效應。如果其中一個類型的鋼桁架出現問題，就會導致鋼桁架無法拼裝，延誤工期。為了保證工程施工進度和質量，引進BIM技術，先對主梁鋼桁架進行建模，在加工之前及時發現問題并加以修正。利用BIM模型中儲存完備的構件信息庫，將預制構件信息庫與預制廠商共享。如此，預制廠商可以直觀地了解到預制構件的尺寸、材質、強度、規格、型號等信息。例如，在采購預制鋼箱梁時，直接將主桁架部分BIM模型發給廠商，廠商根據模型直接生產出所有類型的鋼桁架。將BIM技術應用于預制構件的加工，不但可以降低供貨商的生產成本，加快進度，而且項目部也可以直接或間接的從中獲得更大收益。

3.5 施工方案優化及關鍵點技術交底

為了確保施工方案的可行性，并提高施工效率和管理水平。施工過程優化將依據已經建立的模型以及施工規劃信息等，通過將構件與進度信息、工序流程相關聯，模擬分析施工工序、進度計劃、資源配置，探討其可行性，從而不斷改進施工方案。另外需要重點說明的是，施工過程分析必須由BIM技術人員和現場技術負責人和施工管理人員進行協商完成。對施工方案進行技術，安全，質量，成本等各方面的比較，確定最優方案，再交由總工審核后對施工方案進行修改。最后交由技術負責人通過施工關鍵點動畫對現場施工人員進行技術交底，從而確保施工的順利進行，保證工程質量。方案比選動畫截圖如圖4所示。

4 橋梁BIM應用流程框架

4.1 BIM應用的策劃與準備

在BIM技術的應用上，必須做好前期的策劃，這樣才能夠以最低的投入達到預期使用BIM技術的目的，實現工期和成本的節約。實現這目標的前提是建立一個合理的BIM核心實施團隊，由于施工管理體系復雜龐大，在項目施工準備階段，團隊負責人必須與項目經理進行協商，制定各階段目標，并對目標進行分析和論證。其次再對BIM團隊人員進行任務的分工與責任的劃分。

BIM模型是整個BIM工作的基礎，所有的BIM應用都是在模型上完成的，明確哪些內容需要建模。需要詳細到什么程度，既要滿足應用需求，又要避免過度建模。目前《GB51212T-2016建筑信息模型應用統一標準附條文》已經頒布，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會定義的模型深度等級，模型深度等級分為LOD100-LOD500五個級別（如表1所示）。依據該表，本工程的BIM模型深度定為LOD400。

4.2 基于BIM技術的深化設計

特大型橋梁通常作為項目所在地的地標性建筑，其工程結構的復雜性要高于一般橋梁，造型更具新穎和獨特性。而設計院可供參考的相似的已建橋梁工程項目相對較少，對橋梁工程圖紙的設計深度通常都無法達到施工現場所要求的深度。因此施工方需要結合項目和施工現場的實際情況，對圖紙進一步的細化、補充和完善，但是這一過程往往存在很多問題。通過BIM技術的引入，施工方可以針對重難點部位進行針對性的深化設計，涉及的各專業可以直接通過模型進行溝通，極大的降低溝通障礙。通過BIM的精確設計后，可大大降低專業間交錯碰撞，且各專業分包利用模型開展施工方案、施工順序討論，可以直觀、清晰地發現施工中可能產生的問題，并給予提前解決，提高施工效率，進而減少人力、材料以及時間上的浪費，一定程度上降低施工成本，同時大量減少施工過程中的誤會與糾紛。

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場施工方案與BIM技術相結合，施工前根據施工方案將模型進行切分，設定模型的時間、位置、資源需求等參數，在計算機中模擬橋梁建造過程。使各項方案得到一個直觀地表達，為方案研究和現場技術交底提供了可視化平臺，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雜的工程項目難以全面統籌和精細化管理?；贐IM的可視化施工管理通過使用三維激光掃描、條形碼、二維碼等技術將現場3D模型與施工進度計劃相鏈接，實現了施工進度、人力、材料、設備、成本的4D動態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的施工模擬視頻與施工進度計劃相連接后導入上傳到施工管理平臺數據庫，通過移動終端，將結構三維截圖以及相關工序的操作視頻發送到現場技術人員手機上，現場通過手機可以直觀了解結構形式，操作順序及項目其他信息。通過在施工現場的信息實時的查看與核實，對施工質量起到最直接的控制作用。

5 結語

目前BIM技術在橋梁工程的應用還屬于探索階段，相關理論和技術還不夠成熟。本文通過研究BIM技術與橋梁工程施工階段相結合，針對本項目實施的重難點，利用BIM技術實現場地規劃，預制構配件的信息共享，對施工方案進行比選和優化，實現施工現場三維可視化交底和施工現場的管理。最后根據本項目BIM技術的應用情況，總結出BIM在橋梁工程應用的實施框架。期望通過本研究，可以為其它大型橋梁工程施工提供參考，啟發企業探索新的項目管理思路，同時為BIM在橋梁工程領域的推廣應用做出貢獻。相信通過BIM技術不斷的發展和完善，能夠更好的提高我國橋梁施工技術和管理水平。

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