BIM技術在市政高架橋施工中的研究與應用

劉松梅　任維超

【摘要】我國橋梁歷史悠久，趙州橋、安平橋等歷經千年屹立至今，顯示了古人杰出的工藝水平，近現代由于橋梁科學理論的發展以及預應力混凝土和高強度鋼材相繼出現，在解決跨度和材料問題上出現了突破和變革，鋼架橋、懸索橋、斜拉橋等組合體系橋梁相繼成為主流橋梁類型，真正意義上實現了天塹變通途。

【關鍵詞】BIM技術;市政高架橋;施工應用? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.11.009

引言：

雖然BIM技術在解決橋梁工程施工階段的問題上具有諸多優勢，但是研究過程中也發現了BIM技術在現階段的一些局限性。BIM技術對軟硬件的要求較高，現階段無論是高校還是施工單位，對從業和執業資格方面并不做具體要求，導致了技術水平上的參差不齊，因此在建模和應用時存在差異性。

1、BIM技術的理論概述

BIM技術即工程信息模型，是當前工程行業中應用廣泛的一種新型技術，貫穿應用在工程投資、設計、實施及竣工驗收等環節，還可以融入高架橋施工運營管理中，簡化以往施工及管理流程，全面掌握施工情況，切實維護高架橋施工的整體效益價值。BIM技術主要建立在信息化技術基礎之上，將工程相關的數據信息進行整理，由專業人員將其輸入系統內部進行集中管理與分析，最后把數據整理到同一數據模型中，利用技術本身的模擬特性對施工全過程進行虛擬化模擬，以直觀的三維建筑模型來展現所有施工環節。設計者及管理者通過分析模型相關的數據信息，明確施工重難點，制訂最佳的施工方案及對應的管理方案，從而達到控制施工過程資金風險等目的，推動項目建設目標的實現。

BIM技術在高架橋施工中的實踐應用具有以下重要作用。（1）將以往的設計圖紙從二維信息模型轉換為三維可視化模型，提供給設計者便利的工作條件，讓他們在短時間內找出設計缺陷，然后采取有效措施進行完善。（2）實現工程各項數據的專業化、系統化管理。在后續施工及管理工作的開展中，相關人員直接查詢數據信息即可調取施工所需數據并進行合理的管理，使工程設計的精準性更高。（3）利用BIM技術自身的數據分析性能和直觀的三維效果圖，可高效、快捷地完成施工前期的準備工作，有效防止因數據遺失等問題造成的返工或重建等。

2、BIM技術應用意義

（1）促進工程建設信息化

進入二十一世紀以來，隨著經濟全球化發展和信息技術的突飛猛進，建筑市場的形勢面臨巨大的變化，首先，改革開放以來，國外建筑企業紛紛進入中國市場，對中國本土的設計施工企業的發展帶來了壓力，同時，中國設計施工單位走出國門，在非洲及東南亞國家開拓了新的市場，市場化及全球化的發展為我國設計施工企業帶來了機遇也帶來了挑戰，面對日益激烈的競爭，建筑業的信息化升級日益緊迫。國的建筑業總產值十分巨大，在2016年底達到193567億元，雖然近年增長有所放緩，但是極高的總產值和目前建筑業相對不完善的信息水平使得建筑業信息化發展的空間巨大。建筑業信息化是建筑業發展的趨勢和導向，也是提升建筑業施工水準和利潤空間的有效動力，對改善建筑業發展道路，提升核心競爭力有重要意義。

（2）促進工程精細化管理

應用BIM技術意義在于減少無效工作量，BIM技術在一定程度上通過加快數據共享減少了過程環節的無效工作量，在施工企業的粗放型管理中，可優化的施工動作和不必要的資源浪費導致了工程進度和造價的雙重上漲，根據美國相關部門的研究，建筑業的無效工作量達到了57%，而制造業的無效工作量才26%，在我國這個值估計更高。2016年，全國完成鐵路公路水路固定資產投資27902.63億元，如果無效工作量能降低達制造業水平，那么每年將會為我國省下大約8600億元的支出。

（3）提升施工水平

橋梁作為一種特殊的結構形式，施工風險大，工期長，工藝特殊，施工質量要求高，在新技術的采用進度上一直落后于其他工程。針對橋梁施工存在的如精細化管理、工程造價、質量控制和設計施工協調等問題，利用BIM技術在虛擬施工、工藝優化和應用分析等方面具備的強大能力，協調處理施工階段出現的問題。

BIM技術的優勢在于以其強大的理論支撐和技術基礎，為解決這些問題提供了行之有效的方法，對提升項目生產效率、提高橋梁工程質量、提升施工水平、降低建造成本意義重大。

3、BIM技術在市政高架橋施工中的應用

3.1 BIM技術施工準備階段的應用

BIM技術具有很多應用優勢，在高架橋施工前期準備階段，都可利用BIM技術的程序化特性，依托于BIM技術的指導，對施工流程進行梳理和分析，確保將工程各施工環節的具體工作明確地劃分出來，同時加強對高架橋施工風險的預測，制定有效的風險規避措施，減少施工過程中各種影響因素對建筑施工進度、質量、效益等方面的影響。施工準備階段BIM的應用主要有這幾個方面：施工深化設計，施工方案模擬示，施工現場臨時設施規劃以及大型預（構）制件加工及運輸。與傳統CAD圖紙相比，BIM技術具備了更加直觀的視覺體驗，在施工準備階段，BIM技術人員的主要任務是結合自身經驗以及施工現場情況，聽取施工人員意見，應用BIM技術對施工圖紙進行深化，其主要目的是檢驗施工圖紙的準確度，對建筑信息模型的施工科學性、可行性進行合理分析，減少沖突碰撞，并在此基礎上進行優化。在橋梁工程結構模型的基礎上編排施工工藝進程，施工進度安排等內容，可實現施工工藝的視頻化仿真演示，提升施工方案的可操作程度，提高施工效率。通過施工場地的合理化布置可以提高施工效率，避免由于布置不科學出現的交通堵塞和安全問題。此外，橋梁工程中，大型預（構）制件較多，尤其是預制箱梁和大型鋼筋籠和鋼模板等，在準備階段，利用BIM技術及早溝通準備，確保了構件質量和施工開展。

3.2基于BIM技術的施工現場臨建規劃

施工場地標準化建設一直以來都是優秀施工企業施工安全文明建設的重點，通過施工現場規劃和整理，能夠減少施工作業范圍內空間上的沖突，優化空間結構，提升安全程度和利用效益。通過虛擬施工現場環境，布置和優化各種施工材料設備的堆放位置和場地臨時道路，提高施工效率，應用BIM技術，我們可以將施工場地內的大型設備機械，如塔吊、龍門吊施工作業半徑內的建筑物、高壓線等，在虛擬環境下展現出來，將影響吊裝的各種障礙物及時處理，避免出現安全事故。同時可將將現場規劃模型與物聯網集成，可實時監測施工區域內的人流分布和車輛進出入情況，查看施工動態，保障人員和物資安全。

其具體應用流程如下：

（1）數據準備

1）施工作業模型;

2）現場道路、材料、設備機械，安全設施位置;

3）施工車輛進出數量、時間段;

4）施工現場周圍情況。

（2）操作流程

1）整理數據、確保數據真實可靠。

2）根據現場實際情況在施工作業模型中繪制固定物體模型，將模型在Naviswoks軟件中載入塔吊，計算旋轉半徑，檢查施工部位是否在旋轉半徑內，及施工紅線位置，避免出現碰撞和障礙物。

3）規劃各種材料機械堆放位置，尤其以變電箱、安全滅火器材等位置應著重標準，確保位置合理性。

4）與物聯網集成，在模型中鏈接門禁系統、監視系統等情況，查看施工現場內施工車輛、施工人員流動情況。

5）確定疏散通道、施工車輛?？康任恢?。

6）生成每日監測報告。

3.3基于BIM技術的預制構件加工與運輸

橋梁工程中大型預制構件數量較多，一般施工項目由于經濟性原因和場地原因，一般不在施工區域內建立大型預制場地，尤其是在一些高架橋項目中，預制箱梁、大型鋼模板、鋼圍堰等重量輕則幾十噸，重則上百噸，預制構件的運輸極其困難，故基本上施工單位選擇向預制構件廠商定制或者采用已生成的構件。但是目前設計單位與預制構件廠商聯系不夠緊密，構件廠商在生成過程中出現的疑惑在由施工單位傳遞給設計單位的過程中出現延誤、還有施工單位調整等問題，都影響了預制構件的使用性能。將BIM技術應用到預制構件的加工與運輸過程，主要是利用BIM技術的以下幾個功能：

（1）數據共享，通過框架協議，設計單位和施工單位可以隨時將需求情況和參數調整通過端口發送給廠商;

（2）可視化，BIM模型可從三維角度反映構件的詳細資料，廠商的施工人員在預制構件時可清楚的理解設計意圖，避免預制時出現誤差;

（3）材料統計，構件廠商通過BIM模型提取材料工程量，便于造價核算和成本預算。

3.4 BIM技術在施工實施階段的應用

在橋梁工程中，施工實施階段是指工程開工至工程竣工的整個工程實施過程，是把整個橋梁圖紙的各種線條在指定位置轉換為實體的過程。這個階段的主要工作任務是協調各方在指定時間內通過科學合理的管理手段履行合同約定的全部施工作業內容，確保工程質量和相關指標要滿足到交付要求。

精細化管理和信息化管理是國內施工行業的發展趨勢，在橋梁施工實施階段，利用施工準備階段完成的施工作業模型，結合相應的BIM管理軟件，進行施工過程的資源優化和進度控制，合理規劃施工進程，有利于發現和解決工程中存在的協調問題，降低施工風險，同時，按照前期優化后的施工方案比對現場施工情況，實現人、機、料、法、環的統籌配置，控制施工進度和造價，在BIM技術的幫助下，施工管理人員能更加及時注意到質量和安全問題，實現工程精細化管理。

3.4.1基于BIM技術的施工進度對比

BIM技術以數據信息處理技術為基礎，主要應用在工程數據系統中，負責對工程數據進行加工處理、分析及儲備。如果僅僅依靠人工方式收集、分析和處理工程數據，根本無法保證數據信息的全面性和準確性，而BIM技術的應用使數據處理工作效率更高、更簡便。而在此基礎上與實際施工進度進行對比，可以明顯的反映施工過程中的相對不足的地方，進而研究和解決存在的問題，實現工期的縮減。其具體應用流程如下：

（1）數據準備

1）編制施工進度計劃的資料及依據;

2）施工作業模型;

3）施工進度相關資料。

（2）操作流程

1）收集數據，整理。

2）根據WBS（工作分解結構），將施工任務分解為可單獨匹配某項進度的單項活動，然后根據施工方案確定的施工組織安排和邏輯關系，計算單項工程的工期，制定初步施工進度序列。

3）通過BIM進度管理軟件將進度計劃與工程施工作業模型鏈接。

4）檢查施工進度是否滿足工期、勞動力、材料、環境等要求，對不滿足約束條件的單項進行優化和調整，以達到滿足實際情況下的最優化為目的。

5）通過比較施工進度現狀與計劃目標，針對存在進度偏差的施工問題，先分析其進度緩慢的原因，再制定改進對策，防止對項目整體進度產生影響。在質量管理方面，管理人員也可采取相同的方式，將施工現狀與計劃目標進行比對，快速查找問題原因，為后續施工的順利實施提供改進對策，從而促進項目質量及進度目標的實現。

6）生成施工進度控制報告。

施工企業的進度計劃控制一般以Project軟件生成的甘特圖為核心，其主要內容包含了施工內容、施工起止時間、持續時間和搭接時間，甘特圖能有效反映項目管理時間和進度之間的雙重約束，但是如果內在搭接聯系過多，圖形必將紛繁復雜而增加讀圖時間，故在房建項目中比較適用，在橋梁工程中由于多個工作面開展及先后施工內容的重復搭接，其運用深度有限，此外純文本的施工進度計劃直觀性差，無法實時跟蹤，只能抽象表達進度過程，編制及優化進度計劃時計算復雜，難以發現計劃不合理處，也不能直觀地對實際進度進行跟蹤和分析。

3.4.2基于BIM技術的安全控制

針對不同的項目，安全控制的重點都不一樣，尤其是在橋梁工程中，水上作業和平臺作業較多，應用BIM技術在進行安全管理的時候，隨時要注意管控重大危險源。此外，針對橋梁施工質量，可利用BIM技術建立事先預警機制，在該工序施工前，利用BIM施工工藝模擬視頻進行交底，對重點部位施工加強現場管理。基于BIM技術的安全控制流程如下：

（1）數據準備

1）施工作業模型;

2）質量保證措施、計劃;

3）安全專項施工方案。

（2）操作流程

1）收集數據資料;

2）根據施工方案里的質量保證措施和安全專項施工方案結合專業管理人員建議，布置安全防護實施，尤其以變配電箱、逃生通道、預留管井口等應著重標注，完善施工作業模型。

3）利用施工作業模型的可視化功能，向現場施工作業人員強調質量管理重點，向安全管理人員傳遞安全保證的重點問題。同時，利用精細化施工作業模擬視頻幫助現場勞務人員理清楚施工操作及質量控制、安全管理的重點，提前預防因施工經驗不足而引起的質量安全問題。

4）對于現場出現的質量安全問題，做好記錄工作，及時處理。并以各種影音資料的形式在施工作業模型中鏈接，記錄出現問題的施工部位與節點情況，分析原因，積累相關經驗，為以后類似工程的展開提供有效依據。

質量和安全的控制措施一般在施工方案中強調，但是在實際施工過程中，勞務人員并不會刻意去注意這些細節性的內容，通過BIM技術去落實質量安全管理的內容，其主要方式是通過簡單易懂的方式讓勞務工作人員在操作活動中注意到這些問題的存在，從而形成安全防范意思。

3.4.3基于BIM技術的信息化施工

信息化起源于機械制造業，第二次世界大戰后，傳統的工藝生產流程在效率和誤差方面的問題嚴重阻礙了企業發展，恰逢其時，計算機技術的發展帶動了制造業生產工藝的變革，即第一次CAD技術革命，CAD技術的發展，在本質上觸發了各行各業的信息化進程。在高架橋領域，由CAD的二維時代向BIM的三維時代轉變，本質上是工程走向高端集成信息化的一種反映。信息的詳細程度越高，對施工質量和安全的提升就越大。橋梁施工過程中，基于BIM技術建立的建筑信息核心模型，將數字化信息與施工工藝流程結合起來，從而實現橋梁工程的信息化施工。

結語：

網絡以及通信技術的發達使得越來越多的高新技術出現在人們的視野，高新技術的出現使得各個領域都開始出現了翻天覆地的變化。其中BIM技術就是眾多新興技術中的一種，目前BIM技術已經被廣泛應用到了建筑領域，并且也取得了很好的效果。城市橋梁作為建筑領域的一項基本建筑工程，也將BIM技術充分的結合到了橋梁的施工過程當中，以此實現對施工方案的有效優化，在保證質量的基礎上，縮短工期并降低成本。

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