鄭萬鐵路奉節(jié)梅溪河雙線特大橋BIM綜合應(yīng)用

王迎彬 李國華 王海峰

（中鐵上海工程局集團建筑工程有限公司，上海 201900）

1 工程概況

1.1 項目簡介

奉節(jié)梅溪河雙線特大橋位于重慶市奉節(jié)縣境內(nèi)、長江支流梅溪河河口上游 1.5km處，是鄭萬鐵路全線重點控制工程。橋梁全長687.8m，主橋跨度340m，矢高 74m，主拱采用鋼桁勁性骨架外包鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，勁性骨架主弦管為Φ750*24mm鋼管，材質(zhì)為Q390D，管內(nèi)灌注 C60自密實無收縮混凝土，拱圈外包C55補償收縮混凝土。拱上11根墩柱、三聯(lián)連續(xù)梁。鄭州端引橋為 2×65mT構(gòu)連續(xù)梁，萬州端引橋為（44+72+44）m連續(xù)梁+24m簡支梁。工程位置及效果圖如圖1所示。

1.2 工程特點和難點

橋址位置為U字形河谷地貌，自然坡度25～60°，兩岸邊坡陡峭，施工場地狹小；主引橋結(jié)構(gòu)與既有公路、水路、纜索吊機及扣掛系統(tǒng)等臨時設(shè)施及復(fù)雜地形之間相互交織，給工程施工造成巨大困難。

項目施工工法多、重大危險源多，方案設(shè)計復(fù)雜，整體施工組織難度大。涉及50m以上超高邊坡深基坑施工，2 616m3大體積混凝土承臺施工，150 t級纜索吊機設(shè)計、施工，主橋勁性鋼桁拱架斜拉扣掛懸臂安裝施工，拱圈外包鋼筋混凝土、拱上墩、主橋連續(xù)梁等眾多復(fù)雜工藝高空施工。為了更好地進行施工組織、方案設(shè)計及項目管理，本項目大力推進BIM技術(shù)在施工過程的綜合應(yīng)用。

圖1 工程位置及效果圖

2 BIM組織與應(yīng)用環(huán)境

2.1 BIM應(yīng)用目標

針對奉節(jié)梅溪河雙線特大橋工程建設(shè)的特點和難點，應(yīng)用傾斜攝影技術(shù)，實時地完成地形三維建模，生產(chǎn)出地形正射影像圖、高程數(shù)字地形圖等數(shù)字化產(chǎn)品，實現(xiàn)與其它BIM模型的融合應(yīng)用；使用有限元分析技術(shù)，驗證結(jié)構(gòu)的強度及穩(wěn)定性，通過施工過程中現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，反饋到有限元模型調(diào)整分析參數(shù)，實現(xiàn)現(xiàn)場安全施工。結(jié)合BIM模型的碰撞檢查、優(yōu)化設(shè)計、施工工藝模擬、施工進度模擬等功能，直觀展示工程整體現(xiàn)狀、方便完成臨建布置、重難點施工方案設(shè)計優(yōu)化，最終達到提高項目施工質(zhì)量，提高項目安全性、經(jīng)濟性的目的。

2.2 實施方案

在項目投標階段由公司BIM研究室根據(jù)招標圖紙建立三維模型，模擬重點施工工藝，用于投標算量及外部交流。施工階段，由項目部應(yīng)用傾斜攝影技術(shù)、有限元分析技術(shù)與BIM技術(shù)融合應(yīng)用，建立信息更加全面的BIM模型，模擬重點施工工藝，優(yōu)化主體工程施工方案、臨時工程設(shè)計及施工方案。生產(chǎn)出二維施工圖紙及其他數(shù)字化三維模型。將BIM應(yīng)用軟件與平臺軟件相結(jié)合，實現(xiàn)施工過程管理。

建模過程中項目部遵循《建筑信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標準》（GB/T51212-2016）、《建筑信息模型施工應(yīng)用標準》（GB/T51235-2017），并結(jié)合本項目特點進行進一步細化及延伸，形成了BIM建模標準、BIM應(yīng)用標準、BIM交付標準。如圖2所示。

2.3 團隊組織

BIM團隊由公司總工程師親自帶隊，下設(shè)公司BIM研究室、項目BIM研究小組，分為土建組、鋼結(jié)構(gòu)組、結(jié)構(gòu)檢算組三個專業(yè)。兩級BIM機構(gòu)各專業(yè)工程師相互配合，并由外部單位提供軟件技術(shù)支持，完成 BIM模型生產(chǎn)、管理及施工現(xiàn)場協(xié)調(diào)應(yīng)用。

2.4 軟硬件環(huán)境

圖2 本項目BIM實施方案

表1 軟件應(yīng)用情況

項目綜合應(yīng)用 Bentley ContextCapture、Revit、Tekla、Midas Civil、ABAQUS等BIM應(yīng)用軟件及廣聯(lián)達BIM5D等平臺軟件。軟件應(yīng)用情況如表1所示。硬件方面采用圖形工作站，大內(nèi)存和高性能顯卡的臺式計算機，確保BIM模型生產(chǎn)和數(shù)據(jù)處理的效率。

3 BIM應(yīng)用

3.1 BIM建模

本項目BIM建模包括特大橋橋址地形地貌、主體土建結(jié)構(gòu)模型、鋼結(jié)構(gòu)模型以及以此衍生出的用于有限元分析的三維實體地形模型、臨時結(jié)構(gòu)有限元模型等。根據(jù)BIM應(yīng)用相關(guān)專業(yè)和任務(wù)的需要，參照建模標準創(chuàng)建滿足深化設(shè)計、施工過程控制精度的模型。利用傾斜攝影技術(shù)建立厘米級精度的橋址地形地貌三維模型；按照參數(shù)化建模思想建立橋梁主體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)模型、鋼結(jié)構(gòu)模型，方便模型修改；有限元分析模型確保與工程實體實際受力情況一致，并盡可能詳細地反應(yīng)出結(jié)構(gòu)細節(jié)及受力特征。

3.2 BIM應(yīng)用情況

（1）傾斜攝影技術(shù)的融合應(yīng)用

傾斜攝影技術(shù)是近十幾年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，該技術(shù)從不同視角采集數(shù)字影像[1]。采集到的數(shù)字影像同時記錄了飛行器的空間坐標信息及飛行姿態(tài)信息，然后通過Agisoft Photoscan、Bentley Context Capture等專業(yè)軟件對傾斜攝影獲取的多角度影像進行加工，經(jīng)過幾何校正、聯(lián)合平差等一系列運算得到帶有高程的稠密的點云數(shù)據(jù)，抽稀后構(gòu)建一張連續(xù)的TIN三角網(wǎng)，最后把拍攝的高分影像貼到三角網(wǎng)上，得到傾斜攝影模型。自動化是當代數(shù)字攝影技術(shù)最突出的特點[2]，與傳統(tǒng)攝影測量相比，傾斜攝影不僅能夠真實地反應(yīng)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。本項目引入傾斜攝影技術(shù)，利用1臺旋翼無人機搭載攝影相機，1個工作人員花費2天時間即可完成橋址位置 1km2的現(xiàn)場拍攝及自動建模工作。如圖3所示。

圖3 傾斜攝影影像獲取與處理

圖4 三維空間放線

圖5 傾斜攝影數(shù)字化地形圖

圖6 傾斜攝影模型在其他軟件建模中的應(yīng)用

圖7 邊坡地質(zhì)模型

圖8 邊坡二級開挖位移有限元分析

利用傾斜攝影技術(shù)獲得正射影像圖，讀取和標記圖上的坐標位置，實現(xiàn)臨建規(guī)劃布置由二維平面圖紙放線轉(zhuǎn)變?yōu)檎渫队暗貓D放線，如圖4。方案設(shè)計人員可以更直觀地了解施工點的地形地貌情況，方便完成臨建規(guī)劃，有效組織現(xiàn)場施工。

通過傾斜攝影技術(shù)獲得橋址各位置的坐標信息、尺寸信息，減少了大量高危險的測量工作，也為后續(xù)測量收方工作提供了詳實的數(shù)據(jù)信息。如圖5所示。

傾斜攝影輸出的點云格式文件、網(wǎng)格及貼圖文件格式可以與Autodesk多種BIM平臺兼容，直接應(yīng)用于三維場景設(shè)計。圖6為傾斜攝影模型在其他軟件建模中的應(yīng)用。

利用傾斜攝影地形文件及橋址地質(zhì)信息準確地重構(gòu)三維地形實體模型，導(dǎo)入Abaqus軟件進行有限元分析，分析超高邊坡開挖過程中的結(jié)構(gòu)的位移及穩(wěn)定性，實現(xiàn)傾斜攝影技術(shù)與有限元分析技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用。如圖7、圖8所示。

（2）BIM三維設(shè)計與有限元分析結(jié)合應(yīng)用

奉節(jié)梅溪河雙線特大橋主拱勁性鋼桁骨架采用纜索吊裝—斜拉扣掛懸臂拼裝方案施工。纜索吊系統(tǒng)、斜拉扣掛系統(tǒng)的設(shè)計和施工是項目關(guān)鍵環(huán)節(jié)。采用BIM三維設(shè)計與有限元分析相結(jié)合的手段進行方案設(shè)計及優(yōu)化。根據(jù)工程特點和設(shè)計經(jīng)驗，使用Revit軟件建立了三種系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)形式，直觀地反應(yīng)系統(tǒng)中眾多基礎(chǔ)、塔架、纜索、扣索與橋梁主體結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系。此時建立的模型達到施工圖設(shè)計模型細度，根據(jù)結(jié)構(gòu)和施工順序的不同對模型拆分，建立的比選模型（如圖9所示）包含主要結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、材質(zhì)和工程數(shù)量信息。在保證總體工期的基礎(chǔ)上，綜合考慮地形限制、材料用量、吊機覆蓋范圍等因素，以主橋、引橋平行施工互不干涉為原則，最終選擇 c方案用于工程施工，綜合減少工期近40天。

對初選出的方案進行碰撞檢查及結(jié)構(gòu)細化（如圖10），形成深化設(shè)計模型。此時的模型與施工圖設(shè)計模型相比增加預(yù)埋件、節(jié)點板、加勁板、螺栓、預(yù)留孔洞等的位置及尺寸信息，鋼構(gòu)件的編號信息等非幾何信息。在進行深化設(shè)計的同時，利用現(xiàn)有模型，對纜索吊系統(tǒng)不同施工工況下的結(jié)構(gòu)強度及穩(wěn)定性進行有限元分析；模擬 32個主拱勁性鋼桁骨架節(jié)段對稱安裝及扣掛張拉過程，計算斜拉扣掛系統(tǒng)及各節(jié)段的結(jié)構(gòu)強度、位移和穩(wěn)定性，確保每節(jié)段張拉完成時最大豎向位移為±10mm，如圖11所示。

圖9 纜索吊裝—斜拉扣掛系統(tǒng)方案模型

圖10 纜索吊裝-斜拉扣掛系統(tǒng)深化設(shè)計模型

圖11 斜拉扣掛系統(tǒng)有限元分析

圖12 鋼結(jié)構(gòu)加工過程中BIM應(yīng)用流程

圖13 施工進度模擬和資源曲線

（3）鋼結(jié)構(gòu)加工中的BIM技術(shù)應(yīng)用

奉節(jié)梅溪河雙線特大橋主拱勁性鋼桁骨架具有復(fù)雜的空間曲線設(shè)計，僅僅通過二維圖紙很難準確地表達各構(gòu)件之間的空間位置關(guān)系，滿足鋼結(jié)構(gòu)加工和安裝施工要求。項目部利用BIM技術(shù)輔助鋼結(jié)構(gòu)加工，建立精細化模型，完成碰撞檢查、圖紙深化設(shè)計、加工制造、拼裝模擬等生產(chǎn)關(guān)鍵工序，應(yīng)用流程如圖12所示。

（4）BIM平臺軟件應(yīng)用—施工進度模擬及校核跟蹤

將施工計劃及各專業(yè)三維模型導(dǎo)入廣聯(lián)達 BIM5D平臺，實現(xiàn)對項目進度、物資、成本等方面管理，如圖13所示。通過施工進度模擬，分析計劃的可行性，形象的展示現(xiàn)場的施工進度，更直觀地顯示工作面的工作情況。

通過施工模擬，提前進行工期預(yù)警，根據(jù)統(tǒng)計出的滯后工程量的具體內(nèi)容進行人工工效分析，查看相對應(yīng)的工料機安排是否合理。通過BIM技術(shù)應(yīng)用，優(yōu)化流水作業(yè)的人員、機械配置，保證關(guān)鍵路線施工的嚴謹性。

4 應(yīng)用效果

（1）開拓方案設(shè)計思路，提高項目管理效益

多專業(yè)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計提高綜合設(shè)計效率約20%，出圖效率50%以上；傾斜攝影與BIM模型的綜合應(yīng)用提高了方案論證決策效率，也減少了現(xiàn)場高危場所測量工作量；BIM軟件對結(jié)構(gòu)的計算優(yōu)化提高了施工安全性；下料優(yōu)化預(yù)計減少用鋼量約1.5%，節(jié)約鋼材30t；BIM輔助完成臨時結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)劃，施工組織，預(yù)計減少工期40天。

（2）提升項目管理水平

完善了企業(yè)內(nèi)部的BIM應(yīng)用方案和應(yīng)用標準，提高了BIM應(yīng)用的規(guī)范性和系統(tǒng)性；通過模型與信息數(shù)據(jù)的整合，將現(xiàn)場實際施工質(zhì)量、安全、進度、成本等信息與模型關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)安全、共享和可追溯；BIM技術(shù)的應(yīng)用使現(xiàn)場管理前置，實現(xiàn)項目運作提前籌劃。提高了項目的綜合管理水平。

（3）培養(yǎng)BIM技術(shù)人才

項目部人員普遍形成了建筑信息化施工思想；團隊成員掌握了相關(guān)BIM技術(shù)軟硬件的應(yīng)用方法，在軟件集成應(yīng)用、BIM全流程應(yīng)用方面積累了經(jīng)驗。

5 總結(jié)

鄭萬鐵路奉節(jié)梅溪河雙線特大橋項目大力推行 BIM技術(shù)綜合應(yīng)用，覆蓋方案設(shè)計到施工過程的各個階段。

利用傾斜攝影模型的空間放樣功能，與BIM模型融合，完成臨建規(guī)劃和施工組織規(guī)劃；真實的三維場景與準確的空間位置信息提高了方案論證的效率和結(jié)果的準確性。為建設(shè)各方的交流提供了新的技術(shù)手段。

利用傾斜攝影的點云模型與地質(zhì)數(shù)據(jù)，建立了三維實體地形模型，與有限元分析技術(shù)融合應(yīng)用，模擬了復(fù)雜地質(zhì)情況下超高邊坡開挖過程邊坡的位移及穩(wěn)定性，為三維邊坡有限元分析提供了更加準確的模型。

臨時結(jié)構(gòu)BIM三維設(shè)計與有限元分析技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，形成了一套從方案比選到方案優(yōu)化，再到方案實施的全流程BIM技術(shù)應(yīng)用思路。大大縮短了方案設(shè)計周期，提高了施工安全性。

總結(jié)形成了鋼結(jié)構(gòu)精細化建模、模型深化設(shè)計、二維出圖加工、拼裝模擬等一體化應(yīng)用流程。

BIM技術(shù)在奉節(jié)梅溪河雙線特大橋項目的綜合應(yīng)用取得了良好的效果，積累了寶貴的經(jīng)驗。公司將不斷推進BIM技術(shù)的綜合應(yīng)用研究，并在現(xiàn)場數(shù)據(jù)智能化采集、信息化技術(shù)與BIM技術(shù)結(jié)合應(yīng)用等方面開展進一步深入研究。