基于BIM技術的裝配式橋梁建設施工

胡秀軍 中鐵第五勘察設計院集團有限公司工程師

隨著《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》《“十三五”裝配式建筑行動方案》等文件的出臺，意味著我國已將裝配式建筑視作建筑行業朝著標準化、綠色化以及工業化方向發展的重點[1]。近年來，裝配式橋梁工程得到了廣泛應用，但通過深入研究發現目前我國裝配式橋梁在建設施工中還存在許多問題，如設計集成度低、投入成本偏高、構件產業鏈未匹配等。目前現有技術中BIM 技術是解決上述問題的相對較優途徑。因此，下文主要從設計、生產、施工、運維等各個階段著手，重點針對基于BIM 技術的裝配式橋梁建設施工展開分析。

1 基于BIM 技術的裝配式橋梁工程建設施工方案

某裝配式橋梁工程項目位于城市交通核心位置，建設總長度為5.2 km，定位為城市快速路。其中，該項目主路部分采取高架敷設形式，減少與其他交通主干道的沖突，項目最大跨度為60 m，標準跨度為30 m，標準寬度為25 m。為了項目順利完工以及減少工程建設對城市交通的影響，決定采取裝配式工藝施工，在具體施工中需要樁基650 個、預制蓋梁142 座、預制墩柱325 根、預制箱梁840 片。而在對裝配式橋梁工程展開施工建設時，需要先構建橋梁模型，精準測算出施工建設的材料用量，實現精細化施工。結合過往施工經驗來看，這一類工程項目的施工建設質量取決于工程模塊化建設，因此在建設方案預設中需要格外重視橋梁工程模型的構建。

1.1 預制構件參數化模型

本裝配式橋梁工程項目所需構件不僅類型眾多，而且量較大，所以必須依據項目建設的需求，對各項參數進行相應調整，大幅提高不同類型構件的模型建設速度。而參數化模型的建設應當采取拼接手段，構建標段橋梁模型，以此作為該項目的施工管理基礎。

1.2 軟件開發預制構件

裝配式橋梁項目的預制構件具有非常復雜的內部結構，并且所需鋼筋規格眾多，同時需依據項目建設方案進行不同部位的安放。現階段，大多數工程項目依舊采取人工化管理模式，對項目構件和有關數據信息進行核算，核算結果作為施工參考依據。但是人工管理不但需要投入大量人力資源，而且經常出現偏差。在如今的信息化時代，傳統的裝配式橋梁工程預制構件模式得以改變，結合BIM 技術建立鋼筋模型，仔細觀察三維立體結構模型中的所有指標數據以及分布規律，可以從中獲悉橋梁工程的具體施工信息。

盡管目前構建的鋼筋模型能夠提升項目工程方案圖紙的辨識精準度，但受限于工程軟件自身設計功能，在橋梁結構中樁頭螺旋箍筋模型的建立方面存在一定的難度。而為了改善這一問題，在該項目施工建設中有必要對軟件進行二次開發利用。

基于螺旋箍筋結構模型的建立基礎，借助BIM 技術實現可視化處理，從而降低模型構建難度，獲得二次建模結果。近些年，BIM 技術二次軟件開發在許多工程項目中得到運營，并且從項目驗收情況來看，該項技術在裝配式橋梁工程建設施工中能明顯降低模型構建難度。

1.3 橋梁結構信息化模型

借助軟件進行橋梁模型的二次開發，能清楚呈現出橋梁的內部結構，再對各個部分的結構模型進行開發，最終實現橋梁信息化模型逐步趨于完整。通過觀察橋梁結構信息化模型，發現該項目箱梁一共14 跨，由腹板、橫梁頂板、底板、節點板等眾多部件組成。鑒于箱梁結構較為復雜，為了確保橋梁穩定，則要實現鋼板焊接的精準操作，此時可應用BIM技術構建鋼箱梁的可視化模型，通過計算機設備觀察部件裝配操作，并做好對施工現場的動態監督。

2 裝配式橋梁建設施工中BIM技術的應用實踐

2.1 基于BIM 技術的一體化設計

設計質量的優劣是決定裝配式橋梁工程效用的關鍵基礎，因此在設計階段需要格外關注。而BIM 技術的應用能夠實現裝配式橋梁的一體化設計管理，不僅可以優化施工圖設計，而且可以實現多專業協同設計以及深化模型設計，從而保證前期工程設計的質量。

2.1.1 多專業協同設計

基于BIM 技術的協同設計平臺，不同專業設計人員在統一的數據庫中提出標準統一的基點、坐標、單位、命名等，從構件數據庫中選出適用的標準化構件，展開裝配式建筑、結構、機電等眾多專業的協同設計，從而構建集成多專業的裝配式橋梁工程綜合模型[2]。利用BIM仿真分析軟件，對專業內部與不同專業之間的碰撞進行測試，并以此為依據進行調整，在前期設計階段便能保證橋梁建筑不會出現結構沖突[3]。

2.1.2 施工圖設計

在BIM 協同設計平臺可開展針對裝配式橋梁工程的施工圖設計，基于多專業協同設計的綜合模型，確定預制構件的類型及部位，套用標準構件數據庫中的參數，確定最終的拆分尺寸、拆分重量等參數，對裝配式橋梁模型展開3D 智能化拆分與現澆節點的設計。拆分預制構件完成后對構件信息進行深度提取，分類型歸總主體構件、預制構件，如PC構件、鋼結構構件等，統計出裝配式橋梁所用的各類構件的數量和預制率的精確度，簡化施工圖設計流程，進一步優化設計效果[4]。

2.1.3 深化模型設計

在裝配式橋梁模型的設計過程中，設計工作人員需要綜合考量多方因素，其中包含技術規范要求、施工現場需要、橋梁設計意圖等，進而構建出含有鋼筋、管線、孔洞以及各類預埋件的裝配式橋梁模型，保證所有構件完全參數化，進行機電一體集成化設計。具體來講，可將深化設計后的模型輸入仿真分析軟件中，如Navisworks 等，結合裝配式橋梁構件的設計意圖，提前設定好碰撞參數、碰撞類型、忽略規則等碰撞測試規則，并展開檢測。同時，還可借助PCMaker等專業的裝配式建筑深化設計軟件，將設計圖中的規劃布局信息與設計院需求相聯系，保證圖紙精度能夠達到設計、生產和施工的要求，進而形成深度優化后的加工圖紙。

2.2 基于BIM 技術的構件智能化生產

在裝配式橋梁的建設施工全過程中，要結合設計方案的要求對施工所需的構件進行預制生產。在生產過程中同樣可應用BIM 技術保證生產的智能化與完善化。由于裝配式橋梁的建設施工會用到大量的混凝土、PC 構件、鋼構件等，因此必須重視BIM 技術對生產穩定性及安全性的提升作用[5]。除了有BIM 技術的支持以外，預制構件智能化生產過程還需要結合RFID、CAM 智能控制系統以及北斗技術等，實現對加工、生產、運輸的完善管理。

2.2.1 打造信息化構件生產管理系統

在對裝配式橋梁的預制構件進行生產的過程中，一方面要結合工廠管理方面現有的公司資源計劃系統、倉管系統等，另一方面要建立信息化生產管理系統，將預制構件加工生產的信息管理、排產計劃管理、物料采購與倉儲管理以及預制構件質量檢測管理等功能整合其中。同時，融入RFID 技術、無線互聯網技術等，對預制構件的原材選購、生產排產、模具加工、倉庫存儲等展開信息化管理。

2.2.2 實現構件CAM 智能化生產加工

在對標準構件進行生產加工的過程中，可將深化設計后的裝配式橋梁BIM模型數據關聯到生產企業的構件自動化生產設備上，打通BIM 模型與廠家生產線之間的屏障，實現裝配式預制構件的CAM 智能化加工與自動化生產。將信息化構件生產管理系統與生產廠家的CAM智能控制系統相連，能夠自動識別與提取BIM 模型中的設計參數信息，從而依據既定格式輸出數據文件，保證生產線的智能化加工順利進行[6]。而加工生產設備的PLC 系統可實現對構件加工數據信息的自動識別，保證預制構件的數字化、智能化生產加工。

2.2.3 完善預制構件運輸管理

裝配式橋梁的預制構件運輸到施工現場，同樣可實現智能化運輸管理，主要應用物聯網技術與北斗技術為所有預制構件分配二維碼以及在運輸車輛內置RFID 卡。預制構件下線后，出廠過程中需關聯運輸車輛與構件信息，利用數據處理的PDA 手持終端，對運輸車輛進行掃描和出廠登記。構件運輸路途中，應用北斗衛星定位技術設計出最佳運輸路線，爭取最短時間到達施工現場。

運輸車輛到達施工現場后，通過數據處理終端掃描二維碼獲取車輛及運載構件的信息，保證構件進場登記的自動化。構件進場后，掃描二維碼就能了解所有安裝細節，結合安裝需要對構件存放區域進行規劃安排，方便后續的吊裝施工。由此可見，在預制構件的運輸管理過程中，無論是運輸車輛，還是運載的預制構件，都能實現信息的溯源查詢，保證了運輸的全程風險可控化。

3 基于BIM 技術的信息化吊裝施工

在裝配式橋梁的構件吊裝施工過程中，可以借助BIM 技術的信息化特點實現工業化管理。基于前期做好的施工準備，將BIM 技術應用在吊裝施工操作環節中，不僅能夠優化裝配式橋梁建設施工中的資源，而且能夠保證施工操作流程的合理性，并且可以實現對施工進度的有效控制。同時，BIM 技術的應用還能及時發現裝配式橋梁建設施工中的操作問題，通過發現、分析和解決問題，達到節約裝配式橋梁施工的時間成本與資金成本的效果。具體來講，基于BIM 技術的裝配式橋梁信息化吊裝施工操作中，需要做好以下幾方面工作。

3.1 三維可視化模擬

首先，結合施工實踐，選用BIM 場地布置軟件，對預制構件在施工現場的吊裝位置、堆放位置以及臨時設施建設位置等進行提前模擬，合理選擇預制構件的最佳存放位置和排布順序，同時確定塔吊地點。

其次，應用Navisworks 等BIM 軟件，充分整合吊裝設備的工作半徑、裝載極限和預制構件的安裝點、安裝時間、安裝工序等相關信息，保證吊裝施工模擬的精準化，從而確定最合適的預制構件吊裝計劃。

最后，依托于BIM 模型的可視化優勢，展開技術研討，將每個構件的節點及規范安裝操作細則呈現在所有施工人員面前，嚴格按照規范操作步驟開展施工，保證一切按照施工進度計劃進行，從而提高裝配式構件吊裝質量與效率。

3.2 構件安裝質量管理

預制構件安裝完成后，需要對安裝質量進行檢查，此時可整合BIM 技術與移動技術。由工作人員借助手持終端，在檢查安裝質量時同步比對設計模型，及時發現與設計不符的安裝質量問題。此外，技術專員還可將典型的裝配式橋梁工程質量檢查、監測數據提前輸入BIM質量管理系統中，對相應的預制構件的質量控制指標展開核查。在BIM 技術與移動技術的支持下，構件安裝質量管理更為靈活，且質量問題能得到全程追溯。

3.3 施工進度與成本管理

在裝配式橋梁施工過程中，將施工進度計劃、造價預算編制與BIM 模型建立關聯，形成可視化的三維或四維模型。同時，基于BIM 的構件編碼體系銜接工程施工進度計劃，能夠實現對施工進程的動態化模擬，保證進度管理的高效性與可控性。此外，基于BIM 模型還能精準預算出投入的資金、人力、材料及機械設備，與實時產生的成本進行比對，進而實現裝配式橋梁建設施工的成本精細化管理。

4 基于BIM 技術的高效化運維管理

在裝配式橋梁工程的運行維護管理環節中，應用BIM 技術能夠保證工程項目的完工質量。基于BIM 技術能設計出動態的裝配式橋梁模型，從而判斷各個施工環節中的技術工藝是否與規范步驟、施工標準相符，為完工后能否正常使用提供參考依據。因此，在對裝配式橋梁工程項目進行運維管理時，可借助BIM技術創建的模型去輔助相關管理人員，從而提高裝配式橋梁建設施工水平。具體來講，基于BIM 技術的裝配式橋梁運維管理，需要重視以下3 個方面。

4.1 日常維護管理

在BIM 技術與物聯網技術的支持下，依據裝配式橋梁設備安全管理需求能夠實現空間定位、信息查詢的功能，基本滿足日常運維管理的需求。在BIM 模型中添加關鍵受力點的位置信息能夠實時記錄監測數據，為異常分析與處理提供參考。

4.2 設備維護管理

裝配式橋梁建設施工的進行過程中會逐步完善BIM 模型中的信息，主要包括設備的生產日期、生產廠商、使用壽命等非設計類信息，借助運維管理平臺，還能對裝配式橋梁的維修信息進行查看與修改。因此，基于BIM 平臺能查看各類設備的基本信息，其中包含設備的信息模型參數、運行歷史數據、維修記錄信息等，不僅能夠為相應設備的維保工作提供參考，而且能夠提高設備維保工作質量與效率。

4.3 巡視檢查與維護

在對完工后的裝配式橋梁進行巡視檢查時，相關人員可借助北斗定位系統和BIM 信息模型數據及時發現并記錄施工病害，以圖文形式傳送到管理系統中。管理人員需依據檢查人員的反饋總結出病害成因，提出解決問題的方法。技術人員同樣可結合施工情況給出可行的維修養護處理辦法，確保早發現、早解決。

5 結語

在當前國家大力推動裝配式建筑發展的背景下，裝配式橋梁憑借工期短、噪聲小、交通影響小等優勢得到了廣泛應用，也迎來了巨大的發展機遇。而在裝配式橋梁的建設施工過程中，BIM 技術的應用能夠實現一體化設計、智能化生產、信息化施工以及高效運維，進一步完善了裝配式橋梁建設施工全生命周期的管理模式，實現了裝配式橋梁建設的精細化管理。在BIM 技術的支持下，裝配式橋梁建設施工能夠有效避免工期延誤、工程返工等諸多問題的出現，提高了裝配式橋梁建設施工質量與效率，也全面推動了我國建筑行業朝著標準化、綠色化、工業化方向發展。