BIM-4D 技術在橋梁工程中的應用

■王金露 朱賢皓 艾四芽 鮑丹宇 許 坤 余潔歆 許 莉

（1.福州市城鄉建設局，福州 350000；2.福州大學土木工程學院，福州 350108；3.福建省交通科技發展集團有限責任公司，福州 350004；4.福建省二建建設集團有限公司，福州 350003；5.北京工業大學城市與工程安全減災教育部重點實驗室，北京 100124；6.福建江夏學院工程學院，福州 350108）

隨著我國許多大型工程的興起，傳統施工管理方式的弊端逐漸進入工程設計師的視野，有部分學者研究了傳統施工的弊端，同時也有不少學者發現了BIM-4D 的創新之處，目的在于解決我國現有工程中的難點問題。 程立祥[1]表明施工作業的條件較復雜，不確定因素較多，無法準確預測施工中可能出現的情況；喬亞妮[2]總結出傳統施工管理需要大量的人工測量、誤差分析以及后期檢測，才能確保工程不會出現安全隱患；溫海燕[3]表示BIM-4D 能夠編制時間進度表，將建設項目的施工工程通過三維模型表現出來，能夠提早模擬施工全過程，提前對施工進行分析，并提供依據和參考，以便工程施工管理的控制和優化，從而減少施工中埋藏的工程隱患。BIM-4D 技術具有簡潔智能、直觀高效、能實現隱患排查以及實時施工模擬等優點，能很大程度上解決傳統施工技術的弊端。知曉BIM-4D的優點，擺明傳統施工技術的缺點，并了解如何利用BIM 破解這些問題，才能更有效地利用BIM-4D 技術。

1 傳統施工管理的弊端與創新分析

目前，我國大多數的工程管理皆按照傳統的二維圖紙和已有的經驗進行施工。 但隨著我國大型工程的興起，體量大、周期長、工序多對傳統施工管理方法是巨大的挑戰，傳統二維施工圖紙存在容易出現數據缺漏，且立面圖、剖面圖不夠直觀等問題[4]。當工程體量加大、結構體系復雜時，傳統施工管理的缺陷便會體現出來：如果建筑、結構、電氣、管道等各個單位協調不充分，那么各個構件和管線就會發生沖突和碰撞， 造成不必要的停工甚至返工，極大地影響施工的進度，增大工程的投資損耗；在復雜的結構體系下，依靠傳統經驗對施工設計的可行性、 控制優化以及后期的事故進行分析和預測，很有可能會由于思維慣性忽略一些重要因素，舍本逐末，更無法繼續開展精確的定量分析[4]。

技術進步與經濟增長促進了我國土木工程行業長遠持續發展，亟需改進我國傳統的施工管理方式，順其本源，從其弊端上找到創新的突破口。 二維圖紙不直觀，則考慮是否能建立3D 模型甚至4D 模型，將信息數據導入模型當中，讓原本體量大、結構體系復雜的工程濃縮至簡單直觀的模型，且各個單位皆可通過此模型進行交流與分析，從而改善因二維圖紙的缺陷帶來的一系列問題。 在施工質量方面，由于慣性思維與已有經驗或許存在缺陷，可能會使設計方案中存在安全隱患，因此還欠缺一套可以檢測施工品質的體系，考慮能否引入智能且自動化的技術對一系列數據進行充分比對，模擬現場施工，對施工質量進行實時全面的監測[5]，從而發現問題所在。 從以上幾點出發，課題組想到近年來風靡土木工程行業的BIM-4D 技術，若運用得當，能夠很好地解決傳統施工技術的缺陷問題。

2 BIM-4D 模擬技術的優點及技術手段

2.1 BIM-4D 模擬技術的優點

BIM-4D 模擬技術是把設計階段創建的3D 模型加上時間的維度， 與施工進度計劃進行關聯，包含質量、資源、安全、成本，按照各個單位的需求提前模擬現場施工過程，實現虛擬建造，使施工全過程能夠直觀地向人們展示[6]。BIM-4D 模擬技術除了能實現虛擬建造，實現施工過程的可視化，還能結合施工現場的環境、施工進度等對原先的施工管理方案進行客觀評價以及相應的修改。 此功能需要時刻依賴BIM-4D 技術實時監測施工現場，并實時采集施工數據。 數據采集功能依靠先進的技術手段，目前三維坐標的采集有2 種方法：照相機測量技術和激光掃描技術[7]。BIM-4D 實現了施工進度的監測和成本的掌控，并在施工期間對先前的方案進行更改。 利用完善的數據4D 模型，可以改進施工交互，顯著改善返工和漏工問題，使施工人員更好地理解施工操作過程，提高施工、運營管理效率，提前排查施工作業中埋藏的安全隱患。

針對傳統施工管理的缺點，BIM-4D 模擬技術可以高效地提供各個單位所需的所有數據信息，提高施工工程各方面的運營管理效率， 增強各個項目參與者的協調性，減小構件、管線沖突與碰撞的可能性。 BIM-4D 模擬技術可自動計算工程材料用量，為施工作業提供完善的設計方案，為工程計算提供精準的數據庫， 從而避免傳統施工管理中慣性思維和傳統經驗的弊端，使施工設計的可行性提高，對后期事故的分析與預測也更加的精確周密。

2.2 BIM-4D 模擬技術的技術手段

由圖1 可知，4D 技術主要在平臺層、模型層、應用層施展。 平臺層包含BIM 數據集成與管理平臺以及4D 可視化平臺。 BIM 數據集成平臺可以快速地對施工數據進行讀取、保存、提取、集成、驗證構件具有信息的數據模型[8]。 4D 可視化平臺提供了視圖變換、圖形控制、動態漫游等功能，如圖2 所示，對后續施工過程、運營維護起到了至關重要的作用。

圖1 工程施工BIM 應用的技術架構

圖2 BIM-4D 實現漫游、二次裝修以及事故緊急預案展示

模型層是將平臺層所收集的信息分成若干子信息模型，包括：4D 施工優化子信息模型、4D 施工管理子信息模型、4D 施工安全子信息模型、施工現場動態時空子信息模型、 項目綜合管理子信息模型[9]。 將數據模型分類后能提高BIM-4D 模型效率，使其更加智能化。

應用層是基于模型層的應用系統， 也是BIM-4D 技術在功能上展現的重要一環， 包括BIM-4D技術施工過程模擬與優化、BIM-4D 施工進度、資源、成本及場地動態管理、BIM-4D 施工安全與沖突分析、設計與施工碰撞檢測、項目綜合管理等[8]。

各層環環相扣，構成了BIM 工作的技術架構，最終實現了豐富的功能應用。由于BIM-4D 擁有以上功能應用，其相較于傳統施工管理能夠更智能地實現先模擬后建造的活動[10]，可以提前分析出施工作業中的難點以及關鍵點，減少施工周期，降低施工成本。

3 BIM-4D 技術在橋梁工程中的應用

3.1 工程概況

福州工業路某項目改造工程（圖3）為城市主干道，主路設計速度50 km/h，輔路設計速度40 km/h，改造起于K0+730，止于K1+500，改造長度1.77 km，改造寬度40 m。 主路新建高架橋起于K0+730， 止于K0+230，長度為500 m，標準寬度為18 m；主線新建高架橋起于K1+935， 止于K2+500 長度為565 m，標準寬度為18 m；輔路為路面擴寬改造。

圖3 福州工業路改造工程

其施工難點主要為：（1）地下二維管線綜合圖紛繁復雜，雖有部分剖面圖，能表現上下層關系，但大部分地方不夠直觀；（2）項目面臨人車流量大、地下管線復雜、施工操作工作面狹窄等問題，如何制定合理、有效的交通導改方案；（3）工業路與楊橋中路頂管位置地下管線復雜、與地鐵盾構區間距離較近，如何控制頂管安全施工；（4）施工任務重，工期緊張。

3.2 BIM-4D 模擬技術在應用成果上的優勢

3.2.1 搭建標準化族庫彰顯簡潔智能

工業路地下管線復雜，工程量大，針對此難點，BIM 在項目開展前期，采集并集成工業路改造項目所需的主要族文件，并在項目開展過程中通過BIM 的照相機測量技術以及激光掃描技術逐步將數據庫擴充，目前已經完成項目部、地下管線、交通導改、頂管、新建橋梁部分族庫搭建，如圖4所示，族庫擁有100 余個族文件，滿足基本項目各階段應用需求。 對于體量龐大的工程，其不同類型族庫的建立可以使數據充分保留，避免傳統施工中人為因素引起的缺失，并且在操作上也擺脫了普通圖紙與表格的束縛，使操作起來更加簡潔，智能。

圖4 工業路部分數據族庫

3.2.2 搭建虛擬模型彰顯直觀高效

工業路工程量大，圖紙紛繁復雜。 針對傳統二維圖紙不夠直觀的問題， 施工方采用了BIM 技術。BIM 后期為不同作業搭建多個的虛擬模型將傳統二維圖紙上的圖形以3D 甚至是4D 的形式更加直觀地展示出來，如圖5 所示，將體量龐大的工程濃縮至一個信息模型上，從而讓施工單位能夠更充分地理解設計方案，提高了施工作業的效率。

圖5 工業路新建高架橋的虛擬模型

3.2.3 設計審查以及碰撞檢測實現隱患排查

工業路高架橋上部均為鋼結構，對數據和模型精度要求較高， 模型搭建完畢后，BIM 可對內部細節進行檢查，如圖6 所示，減少因設計工作不完善而導致的問題，防止各類建設項目管理、設計環節和成本環節出現問題。 BIM-4D 技術將設計方案進行模擬，不僅可以對設計工作進行成本核算和模擬工作，減少設計師因慣性思維引起的設計失誤，還可以在時間維度上利用工程建設的視覺和動態功能，高效地開展工程設計工作。

圖6 設計審查過程中發現Y8 墩柱模型上數據的差異問題

工業路與楊橋中路頂管位置地下管線復雜、與地鐵盾構區間距離較近， 確保施工安全極為重要，需及時檢測安全威脅，并實施相應措施進行防范。 在工業路改造工程中，因傳統施工無法精確、快速地監測到安全隱患， 故采用了BIM 當中的碰撞檢測功能，在實際施工前，檢測是否有構件發生碰撞，如圖7 所示，預測施工作業中埋藏的安全隱患； 利用信息技術對施工現場的各類數據進行采集，并與數據庫作比對分析，及時發現存在的設計問題。利用BIM 技術的優勢，在施工前就能預測安全隱患所在，并快速鏟除，降低了返工的概率，也確保了施工以及后期工程的安全， 避免了傳統施工的弊端。

圖7 污水管與樁基的碰撞檢測功能

3.2.4 施工模擬實現施工進度實時監測

工業路人車流量大，需要實時監測施工作業的進度情況。 針對傳統施工無法實時監測施工進度的缺點，如圖8 所示，將BIM 與施工進度結合，不但使施工單位可以及時監測施工進度，后續還能夠按照現實情況及時地進行調控，這些創新是傳統施工所欠缺的。通過BIM 的模擬技術將多種施工管理方案進行模擬實施，可以快速地發現不同設計方案的優勢和缺陷，暴露設計方案中的問題，以得出最佳的施工方案。 同時，對于原先無法模擬項目中的難點，皆可以精確到時、分甚至秒進行模擬。 利用BIM-4D 實時監測工地施工進度， 同時收集整理各項目進度的數據信息并反饋至BIM 模型，再將施工完成的部分作為今后施工的依據與約束，不斷更新后續工程作業使施工項目達成目標，符合最終標準。

圖8 三維方式展示施工進度組織

3.2.5 實現Dynamo 參數化建模

Dynamo 是基于Revit 的參數化設計的一個輔助工具，借助其豐富、強大的功能，與Revit 配合使用，可提高BIM 建模效率。Dynamo 屬于一種可視化的編程工具，如圖9 所示，它可以將Excel 的表格數據信息、三維數據信息、BIM 的構件指令信息等進行聯動，從而實現一些更復雜的，批量重復性的操作，減輕因工程復雜而造成的巨大建模量。 在福州工業路工程項目當中的高架橋梁部分，由于構件類型復雜，構件族類繁多，構件信息十分龐大，因此BIM 借助Dynamo 的二次開發對承臺、橋墩、蓋梁、箱梁進行參數化建模，如圖10 所示，通過讀取Excel 中橋梁參數數據，快速準確地對應、匹配至高架橋梁部分的幾何模型，進行參數化建模。 引入此項技術避免了因構件位置、類型的不同而放大工程建模量的弊端，打破了手動導入參數信息的模式，從而有效地提高BIM 建模效率。

圖9 Dynamo 實現參數化模型

圖10 橋面參數化建模

4 結語

本文闡述了傳統施工管理的弊端，提出在3D的基礎上引入時間維度造就的BIM-4D， 為所有施工參與者提供了一個順暢溝通和共同協作的工作平臺；其為橋梁工程施工完善設計、識別安全隱患、減少施工周期、降低施工成本做出了重大貢獻；其搭建虛擬模型、設計審查、碰撞檢測以及施工模擬的功能解決了施工過程中可能出現的安全隱患，降低了因慣性思維、設計誤差造成的返工可能性。