BIM虛擬施工技術在北盤江大橋縱移懸拼新工藝中的應用

祁潤田,堵一凡，吳佳東，許紅勝

(1.中國城市發展規劃設計咨詢有限公司,北京 100000； 2.長沙理工大學 土木工程學院,湖南 長沙 410076)

0 引言

BIM虛擬施工技術因其可視化、信息化、便捷化等特點[1-4]，受到國內外大量關注，紀博雅等[5]闡述了近十幾年國內BIM技術的現狀，并給出未來研究方向的建議，張繼仁等[6]介紹了國外BIM技術研究現狀，并提出下一步的發展研究方向。目前，BIM技術在建筑等領域已經有了大量的案例與經驗[7-9]，但在交通運輸領域，其應用暫遠不及在建筑領域成熟。不過，近年來隨著國家大力發展與支持，BIM技術在交通領域的應用越來越廣泛，主要運用在橋梁監測、設計、施工管理、地鐵隧道等方面[10-17]。

越來越多的專業人士探索出新的方式將BIM技術運用于交通運輸施工當中。林友強等[18]開發了TJADBrIM平臺，并以此為基礎揭示了BIM技術在橋梁工程中的應用前景；程馬遙等[19]利用BIM技術提出了一種新的地鐵工程基坑施工方法；陳文寶等[20]闡述了BIM技術與裝配式結合在橋梁工程中應用的優點。

本文以北盤江大橋為研究對象，探索BIM虛擬施工技術在縱移懸拼[21]新工藝施工中的應用。借助虛擬仿真模擬，解決新工藝、新技術在設計與施工過程中出現的具體問題，以達到節約成本、縮短工期目的。

1 工程概況

畢都高速北盤江大橋位于貴州省水城縣云貴兩省交界處，是畢都高速跨越北盤江大峽谷的一座特大型橋梁。北盤江大橋主橋為主跨長度720 m的七跨連續鋼桁梁斜拉橋，橋跨布置(80+2×88+720+2×88+80)m，邊跨設置2個輔助墩和1個過渡墩，橋型總長1 232 m，如圖1所示。該橋主跨徑720 m，為世界第一大跨徑公路鋼桁梁斜拉橋，同時，大橋建成后橋面頂距谷底江面高差565.4 m，位列世界第一高橋[22]。

由于畢都北盤江大橋T18施工合同段，進場施工時間較T17施工合同段延遲近220 d，加上現場條件復雜，環境惡劣，為保證大橋在規定時間內順利通車，施工單位創造性地研究了鋼桁梁節段縱移懸拼施工新工藝，并成功進行了應用。

圖1 畢都北盤江大橋橋型布置圖(單位：cm)

2 BIM虛擬施工技術應用

BIM虛擬施工重點表現在信息的完整性、模型的關聯性與信息的一致性等3個方面[23]。BIM虛擬施工技術能夠通過建筑信息模型，實現對一個建筑結構不同方面的信息和工程邏輯關系的完整性表述。將BIM虛擬施工技術運用到橋梁施工的過程中，能夠保障橋梁施工過程中的所有信息的完整性。

通過BIM虛擬施工技術所建立起來的BIM模型，其對象具有相互關聯特征，也就是說，如果其中一個構件發生變化，那么其他具有關聯的構件也會隨之發生改變，從而使整個工程邏輯關系發生新的變更。將該技術運用到橋梁施工中，可以建立比較完整的信息模型，這樣便能保證各個結構之間的緊密聯系，使每個結構的優勢得到展現，從而便于橋梁施工工程的管理。運用BIM虛擬施工技術對模型中某一個信息進行變動時，只需將修改后的信息進行輸入，便能夠對三維模型以及二維圖形進行自動更改，以此保證了施工過程中工程圖紙的一致。圖2為虛擬施工技術路線圖。

圖2 虛擬施工技術路線圖

2.1 建立BIM模型

2.1.1建立三維仿真地形

畢都北盤江大橋地形復雜，地勢海拔高，為了更好利用BIM虛 擬施工技術解決施工過程中各種構件的沖突問題，按照構件作用及位置建立不同的細度模型。仿真三維地形是虛擬施工中不可或缺的元素之一，它是規劃運輸路線、進行場地布置的前提，為了建立真實三維地形圖，結合施工現場及現有條件，利用無人機放樣，再結合谷歌地圖對項目周圍地勢海拔數據進行觀測記錄，然后將點云數據導入Civil 3D中，生成項目區域三維地形圖。

2.1.2建立整體橋梁模型

橋梁整體模型是虛擬施工的主體，是關系著虛擬施工技術是否能夠順利開展的元素之一。根據大橋里程坐標，以施工設計圖為基礎，利用Revit軟件建立細度LOD200的索塔、交接墩、橋頭的1∶1實體模型；建立細度LOD300鋼桁梁節段、斜拉索、豎向支座等構件，當設計圖模型建立完成后，拼裝整個橋梁模型,如圖3所示。

圖3 Revit建立的北盤江大橋整體模型

2.1.3建立臨時構件模型

對于北盤江大橋新工藝，原施工設計圖紙已經無法滿足其施工要求，必須在原設計圖紙上增加新工藝所需的臨時構件設計圖，根據臨時構件的作用和位置建立的模型和細度如表1所示。

表1 臨時構件模型及細度序號臨時構件模型細度LOD1橋面吊機4002縱移小車3003臨時加固桿件2004軌道梁及扁擔支架3005運橋面板小車3006其他臨時構件200

2.2 新工藝虛擬施工的優化

北盤江大橋施工存在新工藝技術中預制構件數量多、體積大及地形復雜等多種不利因素，存在工人不熟悉施工工藝、運輸路線不合理、機械設備布置不適當、構件之間發生碰撞等潛在問題。

2.2.1工藝優化

傳統的橋梁施工要求技術管理人員擁有豐富的施工經驗以及前瞻性，要對施工過程中的重點難點及各個施工工藝清晰了解。而北盤江縱移懸拼新工藝在實際施工中并無參考案例，施工技術人員只能通過想象并按照自己的施工經驗來把握整體施工過程，對施工中的工序操作及細節不能熟悉掌握。

BIM虛擬施工技術以施工設計方案為參考，通過3DSmax軟件的動畫功能對新工藝8個重難點工序進行動態施工模擬，可以解決上述問題。下面以B5節段施工為例，具體闡述施工流程。

1)用拖車將制作好的上橫梁、下橫梁、外側斜腹桿、豎腹桿和內側斜腹桿經模擬的運輸路線運至拼裝場地，然后利用龍門吊對B5整節段按照安裝順序進行拼裝，如圖4所示。

圖4 鋼桁梁節段拼裝工序

2)垂直緩慢提升系統將拼裝好的B5節段從地面提升至指定位置，如圖5所示。

圖5 鋼桁梁節段垂直提升工序

3)B5節段提升就位后，經過復合檢查，確定吊點轉換位置，進行第一次吊點轉換，將節段移交至縱移小車，如圖6所示。

圖6 第一次吊點轉換工序

4)縱移小車按照事先預定的方案進行B5節段縱移，如圖7所示。

圖7 鋼桁梁節段梁底縱移工序

5)在B5節段縱移至B4節段后，復核二次吊點轉換位置，進行二次吊點轉換，連接至橋面吊機，如圖8所示。

圖8 第二次吊點轉換工序

6)橋面吊機緩慢垂直提升B5節段并微調吊點，高強螺栓完成B4節段與B5節段的連接；如圖9所示。

圖9 提升并懸拼節段工序

7)B5節段拼裝完成后，運橋面板小車將預制好的橋面板運至橋面吊機下，采用橋面吊機安裝B5節段橋面板，如圖10所示。

圖10 橋面板安裝工序

8)完成上述工作后，前移橋面吊機進行下一節段施工，如圖11所示。

圖11 前移橋面吊機工序

通過對上述施工過程的動畫演示，技術人員可以形象直觀地了解整個施工工序如何進行轉換，何時進入下一步工序等。例如，B5節段在第一次吊點轉換工序時,對吊點轉換到縱移小車進行了詳細的施工模擬，使施工技術人員清楚了解具體施工工藝步驟及工序銜接。不僅如此，虛擬施工的動畫演示還可以在技術交底過程中供工程相關成員現場觀摩，提前熟悉工藝操作流程，為施工節省大量的前期準備工作時間。

2.2.2運輸路線優化

運輸路線受地形條件、經濟成本、安全等因素的制約，合理的規劃布局能夠減少二次搬運及路線不通暢帶來的經濟損失，達到提高施工效率、縮短工期、節約成本的目的。北盤江大橋現場地質條件復雜，場地制約影響較大，加上新工藝采用對稱施工的方式，導致施工現場車輛及人員流動大，如何合理規劃運輸路線是亟需解決的問題。

現場技術人員以Civil 3D生成的三維地形圖為參考，規劃了整體運輸路線圖。考慮到北盤江大橋新工藝的特殊性，二維平面的路線規劃圖仍然無法避免產生誤差。所以，在二維平面規劃路線圖的基礎上對三維地形圖進行了修改，再通過Revit導入到3DSmax軟件中進行3D模型的虛擬施工模擬。以施工順序為基礎，遵循先模擬再施工的原則，針對不同施工階段進行了不同的運輸路線動態模擬。例如，在場地平整及土方開挖階段，多作業面同時施工，大量運土車進出場，利用虛擬施工技術，按照先進先出，后進后出的原則，對所有作業面車輛的土方回填、堆放及轉運等路線進行了模擬；在道路硬化及各工棚房安裝等施工階段，對材料進出場路線也進行了相應模擬；從施工初始階段直到整個新工藝施工完成均可實現動態模擬。虛擬施工技術的運用，為現場施工減少了大量二次搬運及運輸沖突帶來的經濟損失。

2.2.3動態碰撞檢查優化

現階段BIM技術在實際工程運用中，幾乎都是使用Navisworks軟件進行碰撞檢查。由于軟件的局限性，往往只對Revit中的模型進行分析，而橋梁施工是一個動態的過程，靜態的碰撞檢查已經很難滿足施工的要求。

北盤江大橋縱移懸拼新工藝施工中新增許多臨時構件，按照施工方案施工時，臨時構件的安裝與拆卸是否會與原結構、原臨時構件等發生沖突很難通過經驗去分析，所以將BIM虛擬施工技術引入碰撞檢查的概念，以虛擬施工工序動畫為基準，對8個工序分別進行多視角觀測。方案相關的設計人員通過北盤江大橋模型可以清晰地了解到在虛擬施工過程中，何時何處發生了構件之間的碰撞沖突、構件空間位置是否合理，并對演示過程中的碰撞點進行調整，優化設計方案，通過科學且正確的方式對縱移懸拼施工方案進行修改及驗證。

鋼桁梁整節段起吊作業高度約為80 m，吊裝重量約為170 t，如何合理進行大型構件的拼接施工是橋梁新工藝能否順利實施的關鍵。RIM虛擬施工對整個工序的每一個操作進行了精細化模擬，通過模擬施工發現，橋面吊機前移時會與斜拉索產生碰撞沖突(見圖13)，后續技術人員對碰撞處進行了優化處理(見圖14)，將發生碰撞的構件更改為臨時結構，當橋面吊機前移至指定位置后，再重新安裝臨時構件，進行下一步施工。

圖13 碰撞點

圖14 碰撞點優化

2.2.4機械設備優化

機械設備的使用往往是施工過程中容易被忽略的一個方面，工程中經常因機械設備進場不及時、設備之間相互干擾，導致工期延誤。對一種新的施工工藝實施，就算施工技術人員擁有豐富的施工經驗也很難避免這些問題發生。

因此，提出利用BIM虛擬施工技術對機械設備進行優化管理。以虛擬施工工序動畫為參考，對北盤江大橋每道工序中每一個操作所需機械設備進行記錄，并確定機械設備的種類，對每個設備工作時間、范圍、路徑進行動態模擬，以確保機械設備在使用過程不產生干擾現象。同時，根據施工工序動態模擬對關鍵時間節點進行記錄，以優化機械設備進場時間，達到節約成本縮短工期的目的。

2.3BIM虛擬施工技術應用產生的價值

北盤江大橋的縱移懸拼新工藝通過BIM虛擬施工技術，以施工工序動態模擬為基礎，采取動態糾偏方法，優化碰撞點27處，使整個工程工期縮短100 d。同時，在面向操作的可視化施工指導及新工藝協調方面，優化工序14道，節約協調聯絡時間90 d，優化路線及設備6道，節約材料費約180萬元。

3 結語

BIM虛擬施工技術的應用不僅有利于新工藝順利實施，還可以提高工作效率，減少工期成本，充分體現了BIM虛擬施工技術對橋梁建設的優勢，為后續橋梁建設提供了一種新的方法。但橋梁施工是一個巨大且復雜的過程，實際施工中還有許多東西無法在BIM虛擬施工中體現，這就需要技術人員靈活安排。BIM虛擬施工技術在橋梁施工中的應用還有很大的發展潛力，需要工程技術人員共同去挖掘。