BIM技術在屯溪鎮海橋修繕工程中的應用

程忠平 （安徽省徽州古典園林建設有限公司，安徽 黃山 245200）

1 引言

我國是橋的故鄉，歷史悠久，發展于隋，興于宋，自古就有“橋的國度”之稱。我國古代橋梁蘊含著古人的建筑藝術，有不少是世界橋梁史上璀璨的創舉，充分展現了我國古代勞動人民非凡的智慧與創造力。古橋蘊含著豐富的歷史、文化、科技，是當代社會的無價之寶。但由于近年來的洪災增長，不少古橋因洪水毀于一旦，古橋修繕工作顯得尤為重要。

為使傳統工藝盡可能地保留與傳承，修繕多以傳統砌筑方式進行。由文物保護修繕者，提出修繕方法與技術，工匠及相關工藝人員，按照祖先遺留的技術打鑿、修復。此過程中經常會出現數據銜接不連貫，信息表達不準確，不同專業協同不及時的問題，導致修繕工作進展緩慢，逐漸被現代化、便捷化的方式方法所替代。

如何將先人的智慧進行保存流傳，如何將古與今進行對話及碰撞，如何提高傳統工藝的施工效率，是修繕工程需重點解決的問題。

在屯溪鎮海橋的修繕工程之初，提出將現代BIM技術（三維激光掃描、多基線近景三維建模、三維BIM技術、實時監測平臺等）融入古橋的修繕過程之中，用現代的方法將古人的技藝進行記錄，用三維可視化、數字化、信息化、虛擬化、精細化、參數化輔助古橋的設計與施工，提高施工效率、創建新的古建修繕思路。

2 項目概況

2.1 項目簡介

鎮海橋又名“老大橋”，位于黃山市屯溪區，三江口即新安江、率水、橫江三江交匯處，始建于明嘉靖十五年（公元1536年），數百年來，橫臥在江面，跨立在橫江口，貫穿著黎陽與屯溪老街，歷經了數百年的風風雨雨，方便了世世代代的黃山人民出行，承載了徽州人深厚的感情，蘊藏了一段段難以忘卻的記憶。

該橋全長131.2m，寬 2.53m，高13m，拱洞跨度13m～15m不等，為六墩七孔聯拱（石質拱橋），橋面和橋欄用茶園青石鋪建。上部為等截面實腹式石拱，下部為漿砌條石重力式墩臺。橋墩呈等腰三角形，上水頭的分水頭石尖翹起，造成船頭狀，石墩背部為龜背形，仿佛六只石龜馱著橋梁。

圖1 鎮海橋手繪圖

圖2 鎮海橋實景圖

圖3 點云模型

鎮海橋是屯溪歷史重要的建筑標志，是現存的明代大型石拱橋之一，具有很高的歷史、藝術、科學價值。2019年10月7日，屯溪鎮海橋被列入第八批全國重點文物保護單位。

2020年7月7日因基礎沖空，受暴雨洪水的持續沖刷造成一處分水尖坍塌，從而引發橋體相繼倒塌，于9月7日完成鎮海橋石構件打撈，自2020年11月12日開工修繕。

2.2 BIM實施分析

鎮海橋的重新修繕的原則是在保護文物的前提下最大限度保護文物歷史信息，按原形制、原材料、原工藝、原做法，在滿足相關規范的要求，對原橋體的構件進行充分的利用，采用適當的新工藝對橋體進加固。此次修繕方案中，亦采用部分現代橋梁工藝，于橋墩底部加設樁基礎、橋墩墩身內部加入構造柱、拱券中增加預應力鋼板帶等。

據統計，共在江底搶救性打撈石材構件共計4596方，不同規格石料構件多達幾萬塊，由此可見石塊構件的數量十分龐大。黃山地處亞熱帶季風氣候區，雨季雨水量較大，此項目實施過程中存在較多難點。

①對古橋中的文物構件如何進行信息保存、修繕及傳承。

②如此龐大的打撈石料如何快速、歸類整理與統計，整理好的老石料，如何最大程度合理利用。

③如何采用BIM技術輔助修繕施工，對不同構件的使用部位、排布方式進行編排，提高工作效率。

本項目采用BIM技術輔助解決上述問題，提高石塊構件利用率，多角度、多元素展示古橋文化遺產，達到文物修繕過程中的真實性、完整性。

3 BIM技術應用

3.1 BIM技術輔助記錄古文物

BIM三維數據信息模型,增強文物橋梁保護的可視化，借助航拍和實景合成技術將BIM模型融入真實環境，便于古橋修復方案的優化，并作為文物橋梁數字化保護的基準信息模型，用于文物橋梁的全壽命周期保護。

3.1.1 沖毀原貌記錄

鎮海橋修繕原則之一：最大限度保護文物歷史信息，因此對水毀后的古跡現狀數據留存成為古橋修繕的數據來源之一。由于三江口地理位置特殊性，處于禁飛區，常規無人機三維傾斜攝影技術無法實施。與安徽省BIM工程中心合作，結合BIM技術，通過V-RTK高精度設備，采用多基線近景三維建模技術，基于任意表面布爾運算，對水毀現場進行三維數據信息采集。作為BIM三維數據信息模型建立的真實環境，便于古橋修復方案的優化，并作為文物橋梁數字化保護的基準信息模型，用于文物橋梁的全壽命周期保護。

圖4 橋墩一

圖5 橋墩二

圖6 橋墩三

圖7 橋墩四、五

圖8 橋墩六

圖9 橋臺

圖10 斷口處

圖11 大放腳

圖12 鐵錠

打撈石塊量預估 表1

圖13 點云實景模型下的設計模型

基于已采集的數據信息，對石料打撈量進行預估算。

3.1.2 文物數字信息記錄

2020年11 月，工人在黃山市中心城區屯溪老大橋殘余橋墩處搭設腳手架，將對橋墩逐一拆除，拆除中會進行影像記錄，并注重尋找有價值的歷史構件物等。同時，在已經打撈的石料構件中，專家發現了古橋橋墩石料中有一只鐵蜈蚣，該鐵蜈蚣模樣的鐵器造型栩栩如生，被緊緊地嵌在石塊內，印證了民間傳說。

圖14 鐵蜈蚣1石塊模型

圖15 鐵蜈蚣2石塊模型

為更好保存古跡古物，我們采用三維拍攝技術，對此進行三維建模，從而對古橋進行數字傳遞。

3.1.3 三維數字修繕

鎮海橋中間橋墩均刻“禁止取魚”字樣（見圖16)，充分體現了古代人對自然環境的保護意識。

圖16 橋墩勘測原圖

這些刻有字跡的石塊在古橋被沖毀后散落在河底，從河底打撈上來的石塊構件中僅打撈起35塊帶有字樣構件，為了將歷史遺跡盡可能利用起來，采用BIM技術，對石塊進行三維數字建模，按照前期采集的影像資料，進行拼裝，盡最大可能還原古跡。

首先用高清相機全方位多角度拍攝場帶有字跡的石塊素材，再把素材導入到RealityCapture軟件構建出整體模型并調整實際比例。

然后根據“禁止取魚”字跡照片形成的CAD字跡，經過對比分類整理，35塊石料按照“禁”“止”“取”“魚”部首集中分類。

再根據原始勘測的影像資料進行石塊拼裝，經過組裝，拼裝成數個殘缺字形。

圖17 石塊照片素材

圖18 三維石塊模型

據老石料的排布尺寸，定位所需補充新石料的大小，輔助工匠師傅下料、雕刻。

圖19 打撈石塊分類

圖20 4#橋墩勘測圖

圖21 4#橋墩石塊拼裝圖

圖22 5#橋墩勘測圖

3.2 BIM技術輔助數字化老石料建模

為了后續修繕工作的順利開展，在保證安全的前提下，采用人工搜定打撈、機具設備輔助等方式實施打撈，分區域設置圍堰，進行地毯式搜索，人工配合機具設備搬運構件、石料等，沖洗干凈，運輸上岸，歸類碼放。

圖23 5#橋墩石塊拼裝圖

圖24 6#橋墩勘測圖

圖25 6#橋墩石塊拼裝圖

構件打撈時的分類編號，并結合《建筑信息模型分類和編碼標準》（GB/T51269-2017）進行構件編碼，一構一碼，進行文物的數字化儲存管理。

并采用DYNAMO數字編程技術，對打撈構件尺寸統計，建立三維模型。將實施分析數據文件存儲三維信息模型之中，更好地開展數字化保護。

對打撈材料進行理化材性與力學特征檢測分析，驗證文物石材在原位重建原橋后，結構承載力是否滿足業主定位的使用需求，經梳理發現打撈石料砌筑遠遠不夠用于修繕，于是橋墩底部采用新石料進行砌筑，上部使用老石料進行修繕。基于BIM平臺進行橋梁結構參數化建模，對原構件拼裝后的大橋，進行缺、補、填充處建模，并將實施分析數據文件存儲三維信息模型之中，輸出構件信息，以統計補充材料明細，輔助重建施工。為盡可能修復原貌，采用BIM技術，以原貌為準繩，預模擬拱券石排布方案。

圖26 7#橋墩勘測圖

圖27 7#橋墩石塊拼裝圖

圖28 Dynamo編碼

圖29 老石料模型數據

方案1：在拱券內外兩側采用老石料進行加工砌筑，為保證整體觀感效果，每拱采用三種尺寸石料進行加工，基于左右對稱原則進行排布。此方案排布數據詳見圖31所示。

圖30 拱券石排布方案一模型（不同顏色代表不同厚度石塊）

圖31 拱券石排布方案一數據

拱券石排布數據一覽表 表2

此方案整體石塊利用率可達57.88%，但部分尺寸石塊：270mm，280mm使用較多，僅剩幾塊，未充分考慮加工損耗，會存在后續該尺寸老石料缺失情況。與此同時，拱券內外兩側石塊需要雙面糙道加工，老石料加工槽道會更進一步加高損耗率、成本費用等。

方案2，采用部分拱券區域使用老石料布置，此方案在考慮損耗的情況下，亦可盡量保證老料的使用區域規整。

3.3 三維數字化技術輔助傳統工藝砌筑

傳統工藝，即根據石料尺寸大小情況，提前加工風水尖石塊，其余標準處，工匠師傅根據現場堆料位置實時砌筑，此過程中存在現場測量配料、切割、加工的情況。該項目過程中采用手機拍攝實際現場素材，生成三維模型數據，結合現場已有石料尺寸進行石料預排布，將測量、配料、切割、加工等工序由實際現場遷至辦公區域，從而避免損耗、加快項目進程。

圖32 拱券石排布方案二模型（不同顏色代表不同厚度石塊）

圖33 三維預排布模型

3.4 運用BIM技術協同設計

3.4.1 協同碰撞檢查

項目利用REVIT對橋的樁基礎，承臺、圍護樁、墩身、橋身、橋面等按照實際施工進度，原比例建立三維模型，進行三維碰撞檢查，在施工前期發現碰撞元素，從而避免施工過程中的返工、縮短工期、節約成本。

①施工前期，發現鋼板帶布置位置會影響到后續石塊砌筑作業，反饋問題，調整變更鋼板帶預埋預制，解決碰撞問題。

②施工前期，發現拱架加固板與砌筑石塊存在碰撞，反饋問題，調整擋水墻砌筑位置，解決碰撞問題。

③施工前期發現拱架方案中：由于大放腳處尺寸外放，木支撐厚度將達500mm，過厚的支撐將會帶來較大自重荷載，對后續拱架受力及施工難易程度都存在一定影響，從而拱架方案作出一定的調整。

圖34 碰撞點1

圖35 碰撞點2

圖36 碰撞點3

圖37 2#橋墩金剛墻工程量信息復核

圖38 2#橋墩質量信息管理

圖39 施工進度模擬圖

3.4.2 施工質量管理

伴隨項目施工進展過程，結合BIM數字化信息模型進行項目施工信息錄入，對修繕的大橋構件進行參數化信息存儲，質量化檢驗，質量驗收。

3.4.3 進度計劃模擬

將前期三維數據模型與施工進度計劃相鏈接，將空間信息與時間信息整合在一個可視的4D(3D+Time)模型中，然后直觀、精確地反映整個項目的施工過程，也可對三維檢修設備、施工臨時措施等進行預模擬。以動態的形式精確掌握施工進度，優化使用施工資源以及科學地進行場地布置，對整個工程的施工進度、資源和質量進行統一管理和控制，達到縮短工期、降低成本、提高質量的目的。以提高文物建筑體系維修的可行性、安全性、高效性。

3.4.4 BIM平臺的建立及運行

基于文物橋梁的施工BIM模型,建立智慧工地平臺，施工現場開展文物橋梁重建的在線實名制管理、現場施工環境監測、涉水施工安全監測、起重設備安全預警、現場視頻監控、施工進度與質量管理等無縫融合，并將文物橋梁重建現場數據推送到云平臺，工程狀況一目了然。

在運維階段，基于BIM平臺對文物橋梁實施安全監測，對實時水位、環境溫差、橋基與拱圈結構應力應變位移進行監測,實現文物橋梁復雜環境下的多維感知監測，可及時采取措施抵御橋梁面臨輔以環境中自然災害威脅。

4 總結

利用BIM技術，結合鎮海橋修繕項目中實際存在的難點問題，構建三維可視化的虛擬模型，項目中歷史遺跡的數字保存、石塊構件的砌筑、“禁止取魚”字跡石塊構件拼接、砌筑石塊預排布等難點問題得到很好的解決。問題的解決不僅提高現場的施工效率，提高石塊構件的利用率，而且幫助技術人員和施工人員通過三維思考方式精準施工，在一定程度還原了古橋原始面貌，提高了古橋修繕質量。

BIM技術的應用為古橋修繕工作帶來了全新的方式。古橋的時空、屬性信息在BIM中被關聯在一起，用數據信息還原了古橋的結構形式及工藝做法，對于提高文物建筑保護的科學技術水平，促進文物建筑保護的信息化，具有巨大的應用價值和廣闊應用前景。