BIM在公路橋施工準備階段的研究與應用

董宇路

上海城投航道建設有限公司 上海 200092

目前，建筑信息模型（BIM）技術在建筑行業得到越來越廣泛的應用。對BIM技術的研究大部分集中在建筑行業，市政行業的有關BIM研究較少，相關案例也較少。一方面市政橋梁工程本身屬于復雜的建筑工程項目，組成橋梁的構件繁多，結構部分體積巨大，因此結構在設計和施工過程中，都存在比較高的難度，尤其是針對部分傳統建筑形式的橋梁來說，需要全面計算穩定性、安全性，才能進行后期施工，從而保證工程的質量滿足日常的需要，同時有效避免存在較大的偏差[1]。另一方面，市政橋梁工程涉及專業多，周期長，對周邊環境影響較大，事關國計民生，導致項目在施工時極易受外界環境的干涉，影響工程建設的進度與安全，從而加大了施工的難度[2]。

1 工程概況

1.1 項目概況

上海浦星公路橋全長1.207 km，工程內容主要包括大蘆線航道整治二期工程（閔行浦江段）3標的道路、橋梁、排水（雨、污水）、照明、綠化、交通標志標線、老橋拆除等。其中橋梁工程包括拆除現狀老橋及新建跨航道主橋、兩岸引橋、跨老閥港地面輔道橋、兩岸人行梯道等內容，臨時翻交包括鋼便橋1座（6幅）。

1.2 施工準備階段需要考慮的重點

1.2.1 施工內容多，傳統平面數據分析存在盲點

項目施工內容包含臨時翻交道路、鋼便橋工程，新建浦星公路橋橋梁工程、道路工程、排水工程以及航道疏浚工程，施工內容較多，涉及的范圍較廣。為了更有效地開展施工組織工作，施工準備階段需要充分掌握周邊環境、建筑物的空間位置關系，獲取地形地貌、橋梁、鋼便橋等信息，避免周邊環境信息不全，導致施工方案出現考慮不全面的情況，為后續施工方案模擬做好技術準備[3]。另外，傳統信息獲取的大多是平面數據，空間關系分析存在盲點，不便利。

1.2.2 現場管線復雜，搬遷難度大

施工現場有燃氣管、自來水管、國防軍纜、信息桿線、高壓桿線等多種現狀管線，影響鋼便橋及道路橋梁施工。管線涉及眾多產權單位，協調工作量大，而搬遷空間狹小。前期需要將管線一次搬遷到位，避免發生二次搬遷，否則將對施工進度、成本造成較大的影響。

1.2.3 道路翻交壓力大

本項目首先需要在老浦星公路橋邊新建鋼便橋，然后拆去老浦星公路橋，再新建浦星公路橋橋梁工程。項目實施之前必須先完成交通臨時翻交，目前老浦星公路橋承擔了大量的道路交通任務，來往車輛密集，并且新建了BRT快速化公交系統，臨時翻交壓力大。

2 施工準備階段的BIM應用分析

結合項目特點，施工準備階段重點在以下4個方面采用BIM技術：

1）采用傾斜攝影技術，建立本項目的現狀場地實景模型。本項目施工環境復雜，通過傳統方法構建項目場地模型成本高，生成的模型不夠精細，無法滿足項目實際需要。無人機作業飛行高度低，空域限制少，受天氣影響小，成本低廉。因而以無人機作為航空傾斜攝影平臺能夠高效地獲得高質量、高分辨率的地形模型，并能提供豐富的紋理信息，輔助生成高精度、高分辨率的場地三維模型[4]。

2）創建BIM模型。傳統施工圖由點、線、面構成，幾何元素單一，并不能反映工程項目的空間構造和配置情況。創建本項目BIM模型，包括道路模型、老橋模型、新建便橋便道模型以及新建道路橋梁模型、市政管線等，并在此基礎上整合現狀場地和項目BIM模型。對模型進行各種分析，進而實現BIM應用。

3）管線搬遷模擬。針對管線搬遷方案，模擬自來水、燃氣、電力、信息等現有管線的位置及影響范圍，并展示搬遷后的管線位置及與主體模型的位置關系，修正管線搬遷方案，保證后續施工的質量安全。

4）交通組織方案模擬。按照施工進度要求，對老橋拆除、鋼便道建立時的交通組織方案進行三維模擬，保證施工階段道路暢通。

3 項目BIM應用實施

3.1 采用傾斜攝影技術，建立現狀場地實景模型

浦星公路橋施工內容較多，涉及的范圍較廣，為了更有效地了解現場真實情況，在項目建設的初期需要對施工階段難點與問題進行預判和研究，為后續施工質量安全控制打下良好的基礎。傳統方法只能通過規劃圖紙與現場測繪資料結合項目設計圖紙研究項目對現場環境的影響，并不直觀。與傳統方法相比，通過傾斜攝影獲取的現場模型，工作效率高，半天就可以完成橋梁兩端幾平方千米的攝影任務，后期數據處理通常幾個工作日即可完成。模型包含了施工區域既有路網和其他交通方式組成的交通網信息，沿線人口、民族、經濟發展、整治等影響項目的社會信息，以及自然特征的地理信息。

本次航拍選用了大疆無人機，采用了5個鏡頭拍攝。航拍范圍為沿橋方向2 km，沿河道方向500 m范圍內的場地環境。航拍成果有正射影像和場地三維模型。

通過無人機正射影像獲取待建場地的現狀情況，疊合場地圖紙，能夠清晰地辨識場地的變化，幫助掌握更真實更全面的現場數據，評估方案的可行性。

傾斜攝影可獲取信息生成三維模型，相比正射影像，通過傾斜攝影生成的場地模型可反映場地的起伏、高程、建筑物細節、周邊環境數據等，并且對所涉及的對象進行單體化處理（圖1）。

圖1 浦星公路橋傾斜攝影成果

傾斜攝影的建模流程為：傾斜影像→幾何糾正→區域網聯合平差→傾斜影像匹配→DSM點云生成→TIN構建→紋理映射→三維實景模型。通過傾斜攝影獲取場地模型的方法效率快、精度高，并主要有以下用途：

1）快速量測地物空間位置關系：通過場地現狀模型，獲取現有地物（房屋、公路、河流、植被等）的平面與高程信息。

2）房屋拆遷工程量估算：目前市政橋梁工程房屋拆遷一般采用實地測量方法，雖實測數據準確，但工作量大，受場地環境和社會環境的影響較大。通過傾斜攝影技術能對房屋的面積、層數、結構及材質進行準確統計。

3）整合橋梁BIM模型，為建筑物和周邊環境關系評估提供數據支持：處理后的場地模型可以通過格式轉換，與已建立的橋梁、道路等BIM模型進行合模，可以清晰反映建筑物和周邊環境的關系，若存在沖突，需及時調整施工方案。

3.2 創建BIM模型

3.2.1 模型創建前的準備工作

1）建模標準化：為規范建模成果，確保模型支持后續的應用工作，建模開始前需制訂建模標準，如按照圖紙及相關信息名稱、體量、材料等數據，在屬性賦予時按照統一命名規則，如“構件名稱-幾何尺寸-樓層位置”等。分別將道路、橋梁、管線、建筑等相關信息導入到相應構件。不同的管線、結構、構件可分顏色分別標出，方便各條線參考。

2）分割建模：由于體量較大，本工程建模采用分割建模的方式，最后通過一體化模型統一展示，加快工作效率，降低建模成本。

3）LOD設置：由于體量巨大，故本工程對硬件要求很高。為保障模型運用流暢，需要先建立LOD精度體系，將建模精度分為高、中、低3檔。在具體施工中根據應用需要，靈活調節精度。例如，總體鳥瞰模型時調低精度，在需要深化個別節點族時增加精度。靈活運用LOD設置可以大幅提高效率，降低建模成本。

3.2.2 創建工作范圍內的BIM模型

根據工程范圍，創建包含主橋、鋼便橋、道路、管線等模型，并進行模型整合（圖2）。

3.2.3 建立BIM模型的用途

按照建模標準創建BIM模型，包含了施工過程中可能涉及的鋼便橋、老浦星公路橋、新浦星公路橋、道路工程、管線工程等，作為施工階段應用的基礎模型，為后續開展施工方案模擬、管線搬遷、交通組織模擬等奠定基礎，更可作為項目各參與方在施工準備階段協調的載體，充分發揮BIM模型直觀可視化的優點，提高溝通效率。

圖2 模型整合

3.3 管線搬遷

浦星公路（豐南路—躍進河）西側分別有架空及地埋光纜若干（包含電信、國防、有線、海軍通信及共建管纜）、高壓架空線一路、DN500 mm上水管一路和DN300 mm燃氣管一路。其中高壓架空線與信息桿線嚴重影響鋼便橋及便道施工，同時鋼便橋和便道的施工與管線搬遷的位置及進度又相互關聯，現場情況較為復雜。傳統方法的管線搬遷難點在于現狀管線的資料繁多且不明確，同時施工單位與各管線公司不便于溝通，導致在管線搬遷施工甚至后續主體施工階段，反復修改、浪費人力、延誤工期。

本項目管線模型分為現狀管線與設計管線。通過現有管線資料與勘察資料建立現狀管線模型。同時，由于部分地下管線資料缺失，只能采用開樣洞方法采集現場管線數據，將資料反饋于管線模型，對現狀模型進行深化，保證管線精度滿足施工要求。設計管線模型則根據施工圖建立，保證模型與圖紙相一致。

完成現狀管線模型與設計管線模型的建立后，整合鋼便橋與主橋結構BIM模型，以便于直觀地展現管線與主體結構的空間位置關系。

通過整合管線、鋼便橋和主橋的BIM模型，能夠清晰地反映現狀管線與擬建橋梁工程的關系、設計管線和擬建橋梁工程的關系（圖3、圖4），并開展管線搬遷方案模擬，評價管線搬遷的順序和位置是否合理。通過管線方案模擬，分析空間位置關系后，與設計商議確定調整鋼便橋與便道位置，同時將高壓架空線及信息管線搬遷至鋼便橋與新建橋梁之間，確保管線搬遷不影響后續項目施工，避免二次搬遷，造成浪費。

圖3 現狀管線與待建鋼便橋位置關系

圖4 設計管線與主橋結構位置關系

3.4 交通組織模擬

浦星公路現狀交通流量巨大，尤其是上下班客車、卡車、貨車通行基本滿負荷運作，未來還將引入BRT快速公交，這對原本緊張的交通又增添了擁擠。而大治河橋施工又將涉及鋼便橋搭設、老橋拆除、新建橋梁管線等重要工序，需要封閉原有浦星公路，將交通翻至新建的社會交通便道與便橋上，這一過程將對豐南路、恒南路、魯南路等周邊道路帶來交通影響，同時對于工程參與各方以及監管各方都是巨大的挑戰。

本項目通過已建立的BIM模型，結合交通流程、車輛行駛軌跡變化、所需的交通設施等，模擬施工過程中所要開展的道路翻交過程，評估施工翻交道路的寬度、次數和交通影響程度等，盡量把項目建設對交通帶來的影響降到最低，同時也便于提前與交警等監管部門協調，幫助社會各方及時做好交通疏導，減少出行擁擠的情況（圖5）。

圖5 交通組織模擬示意

4 結語

本工程項目在施工準備階段引入BIM技術，通過無人機傾斜攝影建立現場模型，對管線搬遷方案、交通組織模擬進行了可視化分析、碰撞分析等，從而達到優化施工方案、保證施工質量的目的，效果顯著。但BIM在市政橋梁施工領域的應用還處于發展階段[5-6]，從現狀場地模型的快速建立、橋梁模型的構建到施工準備階段的協助評價管線搬遷方案等，都有待工程人員在同類型項目中的進一步研究與實踐。