基于BIM技術的投建一體化示范項目創新與實踐

文｜郭玉龍 向正松

近年來，BIM 技術在橋梁領域的應用逐漸增多，比如夜郎河雙線特大橋、滬通長江大橋、湖北鄂東長江公路大橋等都已或正在運用BIM技術服務于項目。這些項目不同程度上應用了BIM 技術，利用BIM 技術解決了不少工程中的難點和重點，為以后使用BIM 技術的工程項目提供了現實依據。

2016 年印發的《關于打造公路水運品質工程的指導意見》提出，有序推進公路水運工程BIM 技術應用，在條件成熟的領域和專業優先應用BIM 技術，逐步實現BIM 技術在公路水運工程廣泛應用。根據《指導意見》，結合四川路橋集團在行業的發展現狀和目標，科學制定BIM 技術發展規劃，以項目示范試點、標準化、技術研究等為先導，在條件成熟的領域優先應用 BIM 技術，總結經驗，統籌推進，逐步實現BIM 技術在公路工程廣泛應用。赤水河大橋是四川路橋集團投建一體化示范項目，路橋集團以該項目為依托探索投建一體化項目BIM 技術應用新模式，尋找一條有效推廣BIM 技術的路徑。

工程概況

赤水河大橋項目位于習水縣習酒鎮，橫跨川黔兩省界赤水河，連接貴州江習古高速與四川敘古高速，大橋全長2009 m，主橋設計為1200 m 雙塔單跨鋼桁梁懸索橋，造價17 億元，是江津經習水至古藺高速公路重要控制性工程。

赤水河大橋主橋為（325 m+1200 m+205 m），寬27 m，主梁為板桁結合鋼桁梁，帶豎腹桿的華倫式桁架結構。貴州岸引橋跨徑布置為2×30 m+4×(4×40 m)，四川岸引橋跨徑布置為3×33 m，引橋寬24.5 m，兩岸引橋均為先簡支后結構連續T 梁。總體布置見圖1 所示。

圖1 總體布置圖（單位：cm）

赤水河大橋在同類型橋梁項目中具有示范意義，其工程特點突出，表現在橋位處地形地質情況復雜，施工地勢險要，項目選線難度高，懸索橋結構體系復雜。

赤水河大橋是整個項目的控制性工程，對橋位的選擇關系到整個線路的走向。本橋段主要受控因素是兩岸的岔角灘煤礦采空區及壓礦影響，橋位選擇從穿越采空區及避繞采空區兩個思路擬定，其中Q、K、S 為穿越貴州境采空區的方案，Y、X 為穿越四川境采空區的方案，V 線為避繞采空區的方案。

赤水河大橋位于不對稱的峽谷地形，貴州岸為緩坡地段，四川岸為陡崖，設計高程與地面高程之間的最大高差約為300 m。根據工程地質測繪勘察，赤水河特大橋橋位區主要有崩塌、危巖及巖溶等不良地質。橋位四川岸地形陡峭，局部坡面最大坡度接近90°，平均坡度40°左右。主塔頂距赤水河面約450 m，橋位正下方為車流量較大的縣道X013 古習路，施工安全風險大，且索塔設計直接關系到工程開挖防護的規模。

在結構體系方面，懸索橋是目前跨越能力最大的一種橋型，主要由懸索、索塔、錨碇、吊桿、橋面系組成。懸索橋的錨碇屬于隱蔽工程，預留孔洞多而且定位復雜，同時錨碇內部的鋼筋、預應力鋼束、冷卻水管等構件穿插交錯，極易產生“錯、漏、碰、缺”等問題，一旦出錯可能造成后期返工甚至延長工期。

基于懸索橋設計過程中存在的困難，項目在設計過程中引入BIM 技術，輔助工程師進行設計工作。

BIM 實施路線

依托本項目探索投建一體化BIM 應用新模式，建設伊始應用BIM 技術的目標是提高項目設計質量，減少施工階段變更，提升溝通效率和設計施工效率，節約建設工期，從而節約投資，同時兼顧考慮特大橋建、管、養全生命周期的建設理念，發揮投建一體化的優勢。具體應用目標主要有以下幾方面：

一是建立高精度BIM 模型，進行設計深化應用，解決懸索橋設計難點、痛點，提高設計質量，同時為特大橋建設-運維提供模型載體。

二是探索二三維結合的出圖模式，保障設計意圖的高效傳達；利用三維模型及其參數信息，自動生成所需要的圖紙及文檔。

三是研發項目管理平臺，打通各軟件廠商數據互通壁壘。二次開發建模插件及出圖插件，提高建模及出圖效率。

根據上述應用目標，制定項目實施方案，利用BIM 技術輔助解決懸索橋重難點設計，實施路線如圖2 所示。

圖2 實施流程圖

四川路橋勘察設計分公司BIM 中心團隊聯合路橋集團各部門技術力量，以及中交公規院、北京跨世紀組成的設計團隊開展協同工作。四川路橋進行總體統籌管理，各專業在統一平臺上協同設計。為更好的將BIM 技術應用于赤水河大橋項目中，公司成立包含道路、橋梁、地質、測繪、計算機等專業的專人BIM 小組，將BIM 小組統一納入赤水河大橋項目組管理，各專業設計人員負責相關專業模型的深化設計、版本管理、成果輸出管理等。

項目團隊依托本項目組織制定企業內部《BIM 協同設計管理體系》《BIM 建模標準》《BIM信息模型應用與編碼標準》三部標準。在項目應用過程中，為了滿足項目的實際需求，采用MicroStation、PowerCivil（現為OpenRoads Designer）、ProStructures 建立線路、測繪、地質、橋梁主體BIM 模型。

在公司技術中心及項目組等多方支持下，項目BIM 團隊配備了高性能的工作站、服務器、VR 設備等硬件環境。

BIM 設計應用

根據項目特點，采用軟件完成全橋建模工作，全橋模型精度為LOD300。通過軟件建立精確的橋梁模型實體，能夠根據模型進行構件的加工制造，構件信息包括幾何尺寸、材料類別、工程數量、構件編碼等產品信息，模型信息量與施工圖設計完成時的CAD 圖紙上的信息量保持一致。利用模型進行主橋復雜構件的三維出圖與鋼結構的加工制造，同時對主索鞍、散索鞍、索夾和鋼桁梁等鋼結構做深化設計，能夠精確統計用鋼量。模型完成后將模型上傳至二次開發的GIS 平臺，進行BIM+GIS 展示。

運用多旋翼無人機加上傾斜相機航拍項目現場，對項目場地做三維地形測繪，可視化采集橋位區地形地貌。無人機航拍的數據導入ContextCapture 進行實景建模，建立場地的三維數字模型。采集和可視化現有場地條件，形成詳細、精確的三維數字模型。利用這些數據輔助科學決策，加快方案設計流程。通過三維場地測繪，能夠解決現場險要地勢測繪困難及采樣點不足，加快方案設計效率和降低成本。

赤水河大橋橋位選址是整個線路的控制性節點，本段線路考慮的控制因素較多，同時受控于岔角灘煤礦采空區及壓礦區影響。項目采用ORD 生成Q、K、S、Y、X、V 六條路線方案后導入GIS 平臺，如圖3 所示。GIS 技術能夠直觀反映主線方案橋位處不良地質和采空區的分布情況，運用三維可視化技術快速分析出路線節點工程如橋梁、隧道、高邊坡等三維數字場地，便捷查詢橋梁主要構件位置處的地形地貌，輔助橋址選擇。結合三維傾斜攝影，對索塔、錨碇設置場地的施工難度和合理性進行分析，實現精細化設計。

圖3 主線方案

赤水河大橋橋位處地勢陡峭，現場踏勘困難，為了縮短便道方案設計周期，借助于GIS三維可視化技術輔助便道方案比選。GIS 平臺快速統計工程數量，確定工程規模，縮短便道的設計周期。本次方案高效確定了隧道長度最短，造價最低的方案四作為實施方案。同時，三維數字場景直觀呈現橋位區地形地貌、構造物空間位置關系，運用BIM 技術快速、合理規劃場地大臨設施布置，優化施工組織，如圖4所示。

BIM 技術在深化設計方面也有其獨特的優勢，如錨碇精細化設計、索夾設計、鋼梁設計等方面。

懸索橋錨碇混凝土斷面尺寸大、單次澆筑混凝土方量大、澆筑時間長，錨碇施工屬于大體積混凝土施工，如果分層澆筑時間較長，混凝土水分蒸發過快，導致混凝土收縮開裂。而傳統設計只提供分層原則，逐層數量統計困難。在建立錨碇時，按照構件拆分原則將重力錨分為散索鞍支墩、支墩基礎、錨體后澆帶。建立錨碇模型，依照分層澆筑原則，錨碇分為15 層，每層模型為一個對象，對象有幾何屬性和非幾何屬性，三維設計能夠高效統計逐層數量，優化材料供應，嚴控澆筑水化熱，提升澆筑質量與品質。

錨碇系統精確定位是施工難點，傳統設計圖紙提供相對坐標、施工累計誤差大、放樣效率低。根據預應力管道中心線定位錨碇拉索，確定各拉索的相對位置，錨碇模型根據道路中心線組裝后確定其坐標。三維模型可精確輸出索股空間坐標，解決二維設計索股定位困難，提升設計效率。同時，通過三維模型可動態查詢隧道錨曲面任意空間截面控制點坐標，施工單位無需根據進度自行計算控制點坐標，可直接導入全站儀進行現場放樣，隨時修正模板定位，提高放樣精度與效率。

另外，由于錨固系統的鋼絞線拉索、索股錨固件數量繁多且空間位置復雜。對錨碇模型按照“系統、構件、零件”層級進行結構拆分，通過BIM 模型建立錨碇鋼筋三維模型，避免索股、冷卻水管、定位型鋼和鋼筋的空間碰撞，優化索股角度和鋼筋布置，提高設計質量。

錨碇排水是懸索橋中的一個難點，本項目利用BIM 模型分析隧道錨與主線的空間位置關系，將錨碇的排水引入主線隧道排水系統中，創造性的解決了隧道錨永久排水問題。同時，BIM 模型與三維場景的結合，提出重力錨利用地形設置引洞方案將錨碇內明水排出地表，解決重力錨的排水難題，降低運維安全風險，節約運維成本。

本項目鋼桁梁板件多而空間小，操作難度相對較大，鋼桁梁幾乎所有弦桿都需要預拼裝，一旦桿件設計出錯導致桿件返工，嚴重耽誤施工工期。傳統二維設計無法進行鋼結構的虛擬拼裝，同一個節點板的設計意圖需要多張圖紙結合表達，對參建單位人員專業技能要求高。利用BIM 技術參數化鋼桁梁設計，在模型中對鋼結構進行虛擬拼裝，在設計階段消除鋼桁梁設計誤差，通過虛擬安裝優化結構尺寸，使得結構設計更合理可靠，節約工程造價。鋼桁梁復雜節點采用“三維+二維”相結合的出圖方式，將三維模型圖和二維投影圖有機結合，設計意圖更加清晰直觀。三維設計模型與二維圖紙關聯，一方面可以確保圖模一致性，另一方面可以實現便捷的聯動批量修改，形成自動化的智能交互過程，大大節省了設計制圖時間，避免了調整帶來的重復工作量。并且采用三維+二維結合表達方式能夠減少圖紙張數，節約自然資源，更加環保。

BIM 最直觀的特點在于三維可視化，利用BIM 的三維技術在項目前期可以進行碰撞檢查，優化工程設計，查找鋼桁梁吊裝工藝中潛在的碰撞，優化施工方案組織，減少懸索橋在施工階段可能存在的錯誤損失和返工的可能性，優化桿件拼裝空間和泄水管排布方案。

BIM 拓展應用

項目團隊自主開發項目管理平臺，以IFC數據格式為基礎，打通了傳統軟件間數據互通的技術壁壘，確保數據信息的高效流通。平臺具有BIM 模型拆分、模型輕量化和統一數據格式的功能，可根據相關編碼標準對構件快速編碼，經過平臺處理完成后的數據通過GIS 端展示，管理平臺為項目的建設和運維提供基礎模型載體，平臺如圖5 所示。

圖5 項目管理平臺

為提高建模效率，高效查詢相關模型信息，項目團隊自主研發出圖插件、樁號查詢、批量坐標輸出和快速打孔等工具，輔助本項目BIM技術的應用。出圖插件能快速將三維模型轉換為二三維結合的圖紙，提高出圖效率；查詢樁號工具方便建模人員隨時查閱、定位設計樁號。查詢坐標工具方便建模人員批量查詢關鍵部位坐標，校審圖紙，現場人員能夠快速查詢模型坐標進行施工放樣、定位；鋼桁梁快速打孔工具能批量打孔并生成螺栓、螺母構件，輔助鋼結構建模。

運用VR 技術，將大橋竣工效果虛擬呈現，展現大橋整體設計景觀效果如圖6 所示。同時，借助VR 技術進行項目沉浸式漫游，可直觀查看鋼桁梁、索塔、錨碇和索鞍等復雜結構設計和空間位置的合理性。此外，通過仿真駕駛，檢驗公路停車視距，識別視距是否滿足要求，標志標牌設置是否合理、醒目等。

圖6 VR仿真分析

BIM 技術給工程建設項目帶來多維度可視化解決方案，對于大體量、投資高、周期長、參與方多的公路項目來說，BIM 技術將眾多工程信息集成，通過信息化的方式實現可追溯、可繼承，改變了傳統的點對點信息傳遞模式，解決“信息孤島”的問題，貫徹了全生命周期的建設運維理念，為智慧公路打好基礎。針對公路工程民生屬性的要求，BIM 技術的可視化、模擬性提供了直觀便捷的溝通方式，協助項目決策，通過BIM 與新興技術的結合，為傳統建設難題提供了多樣化的解決方案。

在管理層面通過協同管理機制，建立一系列的BIM 標準和制度，將信息化、移動化辦公技術融入項目設計流程中，采用統一數據編碼和標準的項目交付，為投建一體項目后續施工、運維階段打下信息基礎，提升工程全壽命周期應用價值。

項目利用BIM 三維技術，進行錨碇系統精細化設計，精確高效的坐標輸出和碰撞處理方式，解決傳統二維設計難點和痛點；依托BIM+GIS 技術提出的錨碇永久排水方案，解決錨碇排水難題。通過BIM+GIS 技術快速、科學合理的場地規劃，優化場地布置，提高施工場地利用率，避免二次搬遷。

通過VR 技術進行復雜節點檢查，優化結構設計，VR 駕駛體驗不僅能呈現大橋整體景觀及視覺效果，還能檢查標志標牌設置是否合理、醒目等。

通過精細化建模進行深化設計，共發現114 處錯、漏、空、缺，提前發現項目設計中存在的問題，避免后期變更，節約成本。三維可視化交底突出隱蔽工程風險點，規范施工流程，解決現場人員識圖慢、識圖難的問題，確保設計意圖的清晰傳遞。

本項目運用BIM 技術解決山區大跨徑懸索橋設計中的難點問題，并提出相應解決方案，收到良好的效果，對同類型項目具有較強的借鑒意義，具有一定的推廣應用價值。