特大鋼管拱橋設計施工一體化BIM技術應用分析

朱覺文　申威

摘要：文章介紹了沙尾左江特大橋運用BIM技術在工程設計階段、施工階段以及工程信息化等三方面的協同應用，有效解決了BIM技術在鋼管混凝土拱橋中應用的發展瓶頸問題。

關鍵詞：BIM;鋼管混凝土拱橋;設計施工一體化;信息化;協同應用

中圖分類號：U448.22

0 引言

近些年來，我國鋼管混凝土拱橋建設得到大力發展，已建及在建的鋼管混凝土拱橋數量已達400余座。由于鋼管混凝土拱橋優越的受力性能和施工的便利性，使這類橋型不斷向超大跨度發展，而利用以往傳統的設計、施工以及建設管理方法，已無法滿足日益趨新的設計理念和建設期望。本文以沙尾左江特大橋為依托項目，系統地研究了BIM技術在拱橋設計和施工中的應用，總結了一套可有效解決大跨度復雜鋼管混凝土拱橋工程技術及管理瓶頸的技術方法，為同類工程BIM應用提供參考。

1 項目概況

沙尾左江特大橋系南寧南過境線（吳圩機場至隆安段）高速公路上跨越左江的一座特大型橋梁。主橋為主跨360 m中承式鋼管混凝土提籃拱橋，建成時是世界上最大跨徑的公路鋼管混凝土提籃拱橋，其中橋梁計算矢高為75 m，矢跨比為1/4.533;拱軸線為懸鏈線，拱軸系數m=1.55。拱肋為鋼管混凝土桁架式結構，提籃傾角為10°。

2 項目重難點與解決措施

對于大跨度鋼管混凝土提籃拱橋，設計精細度直接影響著工程建設難易度。沙尾左江特大橋作為項目控制性工程，質量要求高，項目難度大，在以往鋼管混凝土拱橋設計、施工以及管理模式下仍然存在著幾個技術瓶頸，如下頁表1所示。

3 BIM應用技術路線

針對上述現階段鋼管混凝土拱橋BIM應用存在的技術瓶頸，為保證項目BIM技術應用研究順利開展，由業主方牽頭建立項目BIM應用協作機制。主要從設計階段入手，將設

計BIM成果無縫傳遞至施工階段，開展施工BIM應用及項目信息化管理，如圖1所示。

4 工程BIM設計應用實踐

4.1 基于無人機航測的三維實景建模

在工程設計初期，利用無人機傾斜攝影技術對項目周邊開展三維實景建模工作，創建了現場詳盡的三維實景模型，真實還原項目周邊環境。此舉旨在通過“實景模型”與橋梁BIM模型的結合，使項目設計和管理人員及時了解現場情況、解決現場問題。

4.2 三維地質建模與分析

通過物探數據、鉆探資料、地形資料，建立橋位三維巖土數字模型，包括地層結構、溶洞等，并進行地質平剖面切割、土石方計算，為拱座基礎設計提供直觀的依據，同時也為主橋設計提供重要的基礎資料。

4.3 主橋三維設計、碰撞檢查

通過建立精細化的橋梁BIM模型，如圖2所示，在三維空間中將全橋的外形、尺寸和空間坐標精準確定，并在建模過程中開展各專業、各分項協同設計，及時消除坐標、標高錯誤，確保構件尺寸準確無誤，減少后期返工和變更，提高設計質量，助力復雜空間結構提籃拱實現高精度合龍。[KH-*2D]

對于相同類型的節點構造，比如拱肋扣鎖扣點，其隨著所在位置弦管傾斜角度變化而變化，因此，利用參數化設計手段，建立構件模板，通過修改角度參數，實現扣點的快速實例化。

4.4 計算分析應用

基于BIM模型，可以實現與計算軟件之間的數據共享，在有限元分析軟件中導入模型數據并進行選取和處理，隨后開展數值模擬，為結構計算提供有力的數據支持。

本項目還分別針對吊索上錨頭錨固區應力、格子梁局部、臨時鉸局部、拱肋扣點局部開展了有限元分析，將BIM模型導入有限元軟件，加載受力，運行得到相應的計算結果，以確保設計成果的安全可靠。

4.5 圖紙輸出及工程量統計

針對大橋局部構造二維圖紙無法表達設計意圖以及相應工程量難以統計的難點，可借助BIM軟件出圖功能自動繪制三維實體大樣圖紙及相應尺寸標注，并可同步出具構造工程量統計明細表。較傳統設計方法，利用BIM技術進行模型圖紙輸出及工程量統計，具有三維模型發生變化時，相應圖紙及工程量亦可隨之同步更新的顯著優勢。

5 工程BIM施工應用實踐

5.1 BIM可視化交底

5.1.1 BIM施工工藝模擬

利用BIM可視化的特點，結合實體地形，通過仿真軟件進行仿真模擬，如圖3所示，便于施工方案討論和組織，輔助施工方進行決策。尤其針對提籃拱橋工程施工工藝先進、施工技術含量高的特點，開展基于BIM技術的可視化交底工作，將直接有效地提高施工人員施工技術。

5.1.2 BIM+AR可視化交底

為解決工人看圖難的問題，利用復雜異型構件如主橋主墩、拱肋節段、法蘭盤等相對應的三維設計BIM模型，運用AR技術在對施工人員開展交底工作時，讓施工人員通過手機掃描施工圖紙即可查看施工部位的三維模型，降低溝通成本，起到清晰高效交底的作用。

5.1.3 BIM+VR虛擬現實

對項目重大危險源及重點難點的分部分項工程，采用VR技術對施工人員進行安全技術交底和規范操作教育，也可利用VR虛擬體驗竣工場景，引入VR技術，營造施工環境沉浸式體驗效果，提升安全意識，加強了施工現場的可交互性，有助于設計優化、施工圖深化及方案比選，提高決策效率。

5.2 BIM進度管理方案

5.2.1 BIM+720°云場景

利用720°全景技術來展示項目實地情況及預期要達到的建造效果，搭建好的720°場景可通過手機掃描二維碼隨時觀看。720°場景主要分為實景和渲染場景，既能讓項目對未達到預期效果的地方進行及時調整，又可實時比對項目每期建設情況，方便考察進度。

5.2.2 BIM+無人機應用進度航拍視頻

利用無人機技術按時按月對項目全線開展航拍工作，結合三維模型制作航拍進度視頻，項目管理人員可統計拆遷進度、路基清表、橋梁墩柱施工、預制梁安裝進度、邊坡開挖防護等情況，節省長距離高速公路施工管理的時間成本。

5.2.3 電子沙盤動態進度管理

通過系統平臺將BIM模型與施工進度相關聯，并與GIS信息集成，形成對工程進度、人、機、料等的集成管理。在電子沙盤上可實現不同項目的進度追蹤，將施工過程中現場填報的實際工程進度按照不同顏色顯示對應的分項BIM模型，并與施工計劃關聯來判定進度是否正常、提前或者滯后，存在滯后情況即由系統發出預警，從而實現三維可視化把控施工進度。

5.3 BIM質量管控方案

5.3.1 BIM+無人機應用（土石方測量）

利用無人機對施工場地原始地貌拍攝帶有空間位置信息的照片，將照片導入Photoscan軟件中處理為三維點云數據，并將點云數據導入Midas Civil 3D軟件中生成曲面，將施工作業前后的地形曲面進行體積計算，得出相應的土石方量，如圖4所示。

大橋拱肋構造設計為豎向內傾10°的提籃拱，精度要求極高。為滿足施工精度要求，結合BIM+點云技術開展虛擬拼裝的應用，輔助預拼裝。利用三維激光掃描儀掃描拱肋節段得到點云模型，將點云模型與BIM模型通過基準點在計算機中進行虛擬比較，比對分析得到構件加工模型與設計模型的偏差，以輔助精準校核，確保拼裝滿足精度要求。

5.3.3 預制件加工動態管理系統

本項目通過預制件加工動態管理系統，結合BIM和物聯網信息采集傳遞技術，實現對大橋鋼結構構件加工、運輸、安裝等全過程跟蹤，實現大橋鋼結構構件可視化管理。確保鋼結構施工的進度和質量。

5.4 BIM助力項目信息化管理

5.4.1 BIM+WBS的公路工程管理信息系統

針對項目特點建立了公路工程管理信息系統進行項目管理，該平臺高度集成工程信息，并與質量、安全、進度、成本、環境等項目管理要素有機結合，基于BIM模型結合工程結構部位實現與施工業務數據的掛接，實現數據共享及可視化應用，將試驗、質檢、進度、計量等各項業務系統進行了串聯互通，打破現有獨立業務“數據孤島”現象。

由于系統實現了精細化和“一數一源”的管理目標，項目管理層在過程管控中的進度數據直接來源于日常實時更新的數據，降低了數據經過人工統計產生誤差的可能性，數據更為精準。

5.4.2 BIM+GIS的數字化施工管理

在項目建設初期，搭建了基于BIM+GIS建立的橋梁建設工程管理平臺，通過“BIM+GIS”相結合，在電子沙盤上可直觀真實地了解和掌握工程項目設計意圖以及與周邊環境的匹配關系。同時，在平臺上結合網絡通信技術、視頻壓縮技術，將BIM與鷹眼監控系統相集成，在項目智慧展廳顯示屏上投放展示，便于建設方以及各參建單位對項目整個建設過程進行全方位實時管控，突破距離限制，大大提高效率。

6 結語

南寧南過境線（吳圩機場至隆安段）高速公路為廣西壯族自治區發布的重點推進項目，作為該項目控制性工程，沙尾左江特大橋積極運用BIM技術，基本實現了從勘測設計到施工的全過程應用，基于BIM技術對橋梁結構進行精細化的三維設計和準確的工程量計算，并在施工過程中結合無人機、點云等新技術精準把控項目質量、安全，積累了豐富的應用成果和數據。同時，深度開發了本土化的公路工程管理系統和預制件加工動態管理系統，為運營階段運維管理及更多項目的信息化應用提供豐富的經驗。

參考文獻

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基金項目：

2019年度交通運輸行業重點科技項目“公路工程三維數字化協同設計技術與施工管理平臺推廣”（編號：2019-TG-006）;2019年度廣西科技計劃項目“公路特大橋三維數字協同設計與施工管理融合的關鍵技術研究與應用”（編號：桂科AB19245048）

作者簡介：

朱覺文（1982—），高級工程師，主要從事公路工程施工管理工作;

申 威（1995—），助理工程師，主要從事工程數字化工作。