寧波中興大橋及接線工程BIM設計與應用

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

圖1 工程概況

1 工程概況

1.1 項目簡介

中興大橋及接線工程起于寧波市中興路—江南路口，沿中興北路跨越甬江，止于青云路，全長約2.62km，是通途路與世紀大道間跨甬江重要的交通主干道。工程總投資22.6億元，主橋采用上層機動車、下層非機動車的雙層布置，主跨400m，V型橋塔橋面以上高度37m，為當今全球最大跨徑的單索面矮塔斜拉橋，如圖1所示。

1.2 工程特點和難點

中興大橋位于寧波莊橋機場60m航空限高范圍內(nèi)，同時甬江航道要求主橋一跨過江，因此采用矮塔斜拉橋的方案，創(chuàng)造了國內(nèi)外同類橋型的最大跨徑記錄。橋梁不僅設計難度高，施工過程中采用支架滑移、橋面吊機拼裝及豎向轉(zhuǎn)體等多種施工工藝，而且周邊環(huán)境復雜，地下管線錯綜復雜，地鐵3號線與大橋同步建設，沿線待拆遷建筑超過120 000m2。

中興大橋建設條件苛刻、橋梁構造復雜、施工工藝先進、施工場地有限，因此項目從方案階段開始使用BIM進行正向設計，并積極引入傾斜攝影、虛擬現(xiàn)實等新技術，實現(xiàn)與BIM的融合應用。

2 BIM組織與應用環(huán)境

2.1 BIM應用目標

圖2 本項目BIM應用目標

圖3 本項目BIM實施方案

針對中興大橋工程建設的特點，應用傾斜攝影、虛擬現(xiàn)實及交通仿真等技術，結合BIM模型的碰撞檢測、設計優(yōu)化及虛擬建造等功能，直觀展示工程整體現(xiàn)狀、確定車道建設規(guī)模、優(yōu)化結構設計及驗證施工方案可行性等，解決工程周邊環(huán)境復雜、交通功能多樣、施工場地有限等工程難題，如圖2所示。

2.2 實施方案

在方案設計階段，應用傾斜攝影、虛擬現(xiàn)實與BIM融合技術，結合VISSIM交通仿真確定橋型方案及建設規(guī)模，并利用我院自主研發(fā)的SMEDI-RDBIM系統(tǒng)實現(xiàn)快速化建模。施工圖設計階段構建精細化模型，利用模型優(yōu)化設計、模擬關鍵工序并輔助二維出圖，設計完成后模型按IFC準則交付，直接應用于大橋施工監(jiān)控BIM平臺。

建模過程中始終遵照《中國市政行業(yè)BIM指南》，并充分繼承我院春曉大橋等項目的BIM構件庫，結合本項目的特點進一步拓展與延伸，形成本項目BIM標準，進一步完善我院BIM標準體系。

2.3 團隊組織

BIM團隊由院總工程師親自帶隊，下設BIM研發(fā)中心與BIM應用工作組，橋梁總工及項目負責人進行設計把關，并由法國達索公司提供技術支持，橋梁、道路、結構、傾斜攝影及VR等不同專業(yè)的工程師相互配合，并實現(xiàn)上海本部與寧波當?shù)氐漠惖貐f(xié)同工作。

2.4 軟硬件環(huán)境

BIM設計以法國達索3D Experience平臺為基礎，自主研發(fā)SMEDI-RDBIM、SMEDI-Para 3D等三維設計系統(tǒng)，綜合運用UE4、ANSYS等軟件，實現(xiàn)各軟件之間的信息共享和模型協(xié)同，并利用BIM模型進行二維出圖，如圖4所示。硬件方面采用了大內(nèi)存和高性能顯卡的圖形級工作站，同時配備了專業(yè)級服務器來存儲數(shù)據(jù)。

圖4 軟件協(xié)同構架

外業(yè)影像獲取 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理圖5 傾斜攝影影像獲取與處理

3 BIM應用

3.1 BIM建模

BIM建模涵蓋全工程3km2范圍內(nèi)的地形、周邊建筑、道路、橋梁、盾構、地下管線、路燈及景觀等。周邊建筑及地形利用傾斜攝影獲取，精度達厘米級。橋梁、道路及盾構等模型按設計階段不同分不同模型精度：在方案設計階段，模型等級為LOD1-2，包含構件的外形及尺寸等主要信息，可實現(xiàn)快速建模與修改，高效率的確定工程方案； 在施工圖設計階段模型精度達到LOD3，鋼結構模型包含基本的板厚、型材以及人孔、過焊孔、焊縫等細節(jié)，可直接用于工廠加工。設計模型按照IFC準則交付，直接應用于中興大橋施工監(jiān)控BIM平臺。

3.2 BIM應用情況

(1)傾斜攝影、虛擬現(xiàn)實與BIM融合

傾斜攝影測量技術是近年來發(fā)展起來的一項新的測量技術。它改變了以往航測遙感影像只能從垂直方向拍攝的局限性[1]，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、傾斜不同的角度采集影像[2]，同時記錄航高、航速、坐標等參數(shù)，然后通過專業(yè)程序?qū)A斜影像進行自動分析和整理，從而獲得真實三維影像。本項目在方案階段引入傾斜攝影技術，利用1臺旋翼攝影相機， 2個工作人員花2天時間即完成3.0km2的現(xiàn)場拍攝，再利用2天時間完成自動建模，如圖5所示。相比傳統(tǒng)的測量方法，傾斜攝影不僅能夠真實地反應地物情況[3]，而且無論是外業(yè)影像拍攝還是內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理效率都大大提高。

傾斜攝影可以構建工程的真實三維場景，輸出的點云數(shù)據(jù)格式可與Bentley、歐特克等多種BIM平臺兼容，直接應用于三維場景設計。基于數(shù)據(jù)的可量測性，結合項目的規(guī)劃條件，利用傾斜攝影可準確計算場地平整方量，了解地區(qū)市政配套設施及房屋動遷房分布等信息，通過多次拍攝掌握場地在動拆遷期間的動態(tài)變化，輔助土地征用決算，如圖6所示。

圖6 傾斜攝影數(shù)據(jù)測量土地方量

圖7 傾斜攝影與BIM融合

利用我院自主研發(fā)的基于CATIA、面向道路交通設計SMEDI-RDBIM系統(tǒng)，快速完成道路中心線的平縱設計并生成三維中心線，基于中心線、橫斷面等信息進行道路模型的快速創(chuàng)建，一鍵式完成橋梁布跨設計以及管線和附屬設施的設計。相比CATIA直接建模，SMEDI-RDBIM系統(tǒng)將道路橋梁及管線的建模效率提高近10倍。

將傾斜攝影真實三維場景與工程BIM精確模型分別導出.fbx格式，在3ds max平臺進行融合，并將融合后的模型導入UE4虛擬現(xiàn)實引擎，通過分析項目建設對周邊環(huán)境的影響確定橋梁方案，如圖7所示。

借助虛擬現(xiàn)實平臺，有效解決不同設計專業(yè)之間的協(xié)同問題，同時優(yōu)選各方意見，綜合景觀效果、工程造價及實施條件等多種因素，確定設計內(nèi)容。通過設計師和行業(yè)專家的虛擬代入式體驗，從合理性和人性化的角度，對項目進行設計優(yōu)化，完善交通標志、景觀及燈帶等細節(jié)設計，如圖8所示。

(2)VISSIM交通仿真

我院自主研發(fā)了基于VISSIM的交通仿真平臺，首創(chuàng)基于BIM模型的車輛路徑快速生成、交通流量自動疊加算法，可一鍵式提取CATIA信息、自動建立仿真路網(wǎng)模型，完成BIM與交通仿真的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)多維度交通評價。

中興大橋原規(guī)劃為雙向8車道，通過在交通仿真平臺中導入路網(wǎng)布設及道路規(guī)模等信息進行交通仿真模擬后發(fā)現(xiàn)，雙向6車道方案能滿足交通需求。因此推薦主橋采用雙向6車道方案，比原規(guī)劃8車道方案節(jié)約造價約1.2億元，如圖9所示。

圖9 VISSIM交通仿真確定車道規(guī)模

(3)施工圖設計階段BIM設計與應用

根據(jù)中國市政行業(yè)BIM標準，在現(xiàn)有IFC基礎架構上拓展市政橋梁工程構件的常用屬性，深度達到LOD3等級。拓展的屬性集和幾何模型能通過IFC格式跨平臺傳遞與共享，為BIM的全生命周期應用打下基礎。

利用CATIA鋼結構模塊及鋼筋模塊建立全橋鋼結構及部分混凝土結構鋼筋的精細化模型，建模時保證構件命名規(guī)則的統(tǒng)一性，借助參數(shù)化構件加快建模速度。利用CATIA報表功能，精確快速統(tǒng)計工程量，根據(jù)鋼筋碰撞檢測結果調(diào)整鋼筋放樣。

將BIM模型導入到ANSYS有限元分析軟件，不僅省去大量建模工作，而且BIM模型精度更高，計算結果更準確。

根據(jù)管線碰撞檢測結果，在橋梁施工前實現(xiàn)了對現(xiàn)狀管線的針對性排查，提高了管線遷改的效率。

(4)二維出圖

主橋鋼結構出圖采用CATIA中的AITAC二維出圖模塊，通過定制鋼結構出圖模板，采用三維+二維相結合的出圖方式，使圖紙表現(xiàn)更豐富、清晰。

自主研發(fā)SMEDI-Para 3D與RADS軟件，并打通與CATIA的數(shù)據(jù)接口，結合Bridge Wise、管立得等商業(yè)軟件，實現(xiàn)了道路工程、引橋工程及管線的自動化快速出圖。

(5)關鍵工序模擬

利用CATIA模型進行樁基及承臺施工、主梁邊跨滑移、主塔豎向轉(zhuǎn)體及橋面吊機懸拼施工等關鍵工序的模擬，驗證施工方案的可行性，并實時調(diào)整時間節(jié)點，統(tǒng)籌安排各項工作。

(6)特大型橋梁施工監(jiān)控BIM平臺

針對中興大橋施工工藝復雜、安裝精度高的特點，專門定制研發(fā)了國內(nèi)第一個特大型橋梁可視化、動態(tài)化施工監(jiān)控BIM平臺，平臺與BIM設計模型可無縫銜接。

4 總結

圖10 中興大橋施工監(jiān)控BIM平臺

中興大橋及接線工程BIM設計與應用覆蓋方案設計到施工過程的各個階段。在方案設計階段，利用傾斜攝影與BIM模型融合技術進行方案比選，通過分析工程建設對周邊環(huán)境的影響確定最終方案，相比傳統(tǒng)的效果圖形式，由于傾斜攝影三維場景真實、BIM模型準確，方案分析結論價值更高。虛擬現(xiàn)實技術的代入式體驗，不僅優(yōu)化了交通標志、景觀及燈帶等細節(jié)設計，同時為建設各方的交流匯報提供了新的技術手段。

通過本項目全過程、多專業(yè)的BIM正向設計，進一步豐富了BIM模型的構件庫； 通過自主研發(fā)的SMEDI-RDBIM軟件將道路橋梁專業(yè)的建模效率提高了近10倍，通過自主研發(fā)的SMEDI-Para 3D與RADS軟件，結合bridge wise、管立得等商業(yè)軟件實現(xiàn)了道路工程、引橋工程及管線的100%自動化快速出圖。

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