BIM技術在金沙江雙線特大橋施工中的應用研究

蔣平江，楊 凱，曾紹武，王明強

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術學院，陜西渭南 714099；2.中交隧道局第五工程有限公司，天津 300162)

我國土木建筑工程領域率先在房屋建筑工程、地鐵車站等項目中運用BIM技術進行碰撞檢查，管線綜合優(yōu)化與深化各專業(yè)設計，取得了良好的應用效果。中鐵一局西安某綜合樓建造過程中運用BIM技術解決專業(yè)之間的協(xié)調(diào)問題，進行碰撞檢查，找出各專業(yè)之間的碰撞沖突點438處，并在施工之前一一進行深化修正設計，經(jīng)測算為項目部節(jié)省費用128萬元[1]。中鐵航空港局在蘭州地鐵1號線東崗車站運用BIM技術核查出設計院漏算混凝土321 m3，鋼筋36t，依據(jù)BIM技術和第三方計量機構出具的數(shù)據(jù)，經(jīng)監(jiān)理與設計院確認，向業(yè)主申請增加設計變更費用246萬元[2]。在橋梁施工管理領域，曾紹武等在中鐵一局湖潤1號大橋提出一種基于BIM解決鋼筋與預應力管道沖突的方法，針對公路40 m標準T梁給出詳盡的鋼筋大樣圖修改方案，有效避免了鋼筋與預應力管道沖突，將工人鋼筋綁扎效率提高將近1倍[3]。曾紹武等在杭黃鐵路現(xiàn)澆梁支架群施工過程管理中運用BIM技術，對鐵路車站異型梁下高大復雜支架群進行有效管理，控制了材料用量，加快了施工進度[4]。該BIM研究項目在2016年中國建筑業(yè)協(xié)會承辦的全國BIM大賽中獲得二等獎。趙文武等以鐵路信號設備數(shù)據(jù)管理為研究載體，探索運用BIM技術解決鐵路運營管理自動化、智能化問題[5]。馬少雄等以中鐵一局夜郎河大橋為例進行大跨度拱橋BIM管理平臺的深入開發(fā)和研究[6-8]，為空間線形復雜的提籃拱橋智慧建造和智能化管理提供BIM技術支持，該BIM研究項目在2016年中國建筑業(yè)協(xié)會承辦的全國BIM大賽中獲得一等獎，應用效果得到業(yè)界好評。中鐵一局張為和等在夜郎河雙線特大橋施工前期運用CATIA及達索平臺研究施工方案[9]，為大跨度提籃拱橋如何運用信息化施工手段周密規(guī)劃提供范式。錢楓等就運用BIM技術改善斜拉橋等特殊橋梁的設計質量，提高設計效率，加強施工組織管理提出了自己見解和思路[10]。李紅學等通過分析橋梁工程設計和施工的特點及其存在問題，提出了基于BIM的橋梁工程設計和施工優(yōu)化解決方案[11]。劉智敏等利用BIM技術對塞拉利昂公路中的一座橋梁在設計階段的應用進行研究，為BIM技術在橋梁工程設計和全生命周期維護方面的應用及推廣積累了經(jīng)驗[12]。為了進一步總結成功經(jīng)驗，挖掘BIM新的應用價值點，項目組依托金沙江雙線特大橋，深入研究探索BIM技術在高墩大跨雙線橋梁施工過程的可視化、智能化管理問題[13-14]。

1 概述

1.1 工程概況

金沙江雙線特大橋位于云南省楚雄州元謀縣物茂鄉(xiāng)蔬菜基地內(nèi)，橋梁分別跨越金沙江、鄉(xiāng)村便道及深山溝谷。該橋起止里程為DK640+663.78～DK642+301.5，全長1637.72 m，跨徑組合形式為：10×32 m+(40+64+40) m連續(xù)梁+10×32 m+(42+72+42) m連續(xù)梁+(84+144+84) m連續(xù)剛構+4×32 m+1×24 m+6×32 m。橋梁總造價達2.3億元，計劃工期30個月，為改建鐵路成昆線永仁至廣通段擴能工程控制性橋梁工程之一，云南省目前在建鐵路橋梁最高墩、最大跨的橋梁。金沙江雙線特大橋具有深樁(65 m)、高墩(117 m)、大跨連續(xù)梁(144 m)及大體積混凝土澆筑(3731.5 m3)等施工難點。

1.2 采用BIM技術的原因

金沙江雙線特大橋最深樁基65 m，最大墩高117 m，連續(xù)梁最大跨度144 m，混凝土澆筑最大體積達到3731.5 m3，施工要求標準高，工期緊，施工過程復雜，難度大，給項目管理帶來一定的挑戰(zhàn)。運用BIM技術主要解決以下關鍵問題。

第一，由于大橋最深設計樁長達到65 m，穿越了不同地層地質，運用BIM技術建立詳盡的三維地質地層分布模型信息，立體展示地層空間分布狀況，全面有效地掌握地質變化情況，為不同樁位處深基礎的施工方案選擇，打樁鉆頭的選取以及打樁工藝決策提供信息化參考依據(jù)，確保樁基礎工程的順利進展。

第二，運用BIM技術精細化構建內(nèi)部鋼筋模型、鋼結構模型、預應力管道模型、冷卻水管模型，為內(nèi)部結構空間結果的碰撞檢查提供技術支持，為避免預應力管道與鋼筋的沖突，鋼結構與鋼筋的沖突，冷卻水管與鋼筋的沖突尋找預案。

第三，運用BIM技術對117 m高墩關鍵施工工藝進行仿真模擬，將施工過程以可視化動態(tài)展現(xiàn)，加深技術人員和工班組長對施工過程的理解，實現(xiàn)動態(tài)三維技術交底，確保控制性關鍵工序的有序推進；

第四，運用DELMIA進行人體工學仿真分析，對高墩臨時施工安全結構進行模擬，對高墩混凝土澆筑風險源進行分析，有效排查安全隱患，為工程項目的安全、文明施工保駕護航。

總之，為了進一步加強金沙江雙線特大橋施工過程管理，實現(xiàn)大橋施工標準化，管理精細化，運用BIM技術預先研究施工方案的可行性，分析物資、設備配置的經(jīng)濟性，確保橋梁施工過程安全可控，通過運用BIM技術對金沙江雙線特大橋重點、難點施工工藝(工序)進行仿真演示，施工進度動態(tài)模擬，確保大橋安全、質量和進度全面受控。金沙江雙線特大橋BIM模型總體布置如圖1所示。

2 BIM建模軟件與三維信息模型構建

BIM建模軟件的正確選用對于BIM技術在項目實施中有著決定性的作用，一般要根據(jù)具體項目實際情況，分析項目采用BIM技術的原因，合理選用、配置相關的BIM系列軟件實現(xiàn)技術目標與管理目標。

圖1 金沙江雙線特大橋BIM模型總體布置

2.1 BIM建模軟件選用

目前國內(nèi)外常用的BIM建模軟件類型較多，主要包括中國上海魯班BIM系列軟件及其平臺，美國Autodesk BIM系列軟件及其平臺，法國Dassault BIM系列軟件及其平臺，美國Bentley BIM建模軟件及其平臺。其中，上海魯班BIM系列軟件及其平臺主要針對房屋建筑工程，有豐富的實踐經(jīng)驗與應用價值點，尤其是其基于云技術的強大BIM平臺為BIM用戶提供了極大的便利；美國Autodesk BIM系列軟件及其平臺也主要針對房屋建筑、水暖電安裝，采用Revit建筑、結構和機電系列，在工用與民用建筑中占有大量市場，而且其與二維軟件AutoCAD本是一家，具有天然的優(yōu)勢，但是其三維工藝仿真能力有限；美國Bentley BIM建模軟件及其平臺主要針對石油、電力、醫(yī)藥、化工領域的工廠設計，也能解決市政、水利、橋梁、道路等交通運輸工程領域BIM應用與管理問題，但是其入門門檻高，費用昂貴，光是購置正版BIM軟件就將近百萬投入，一般施工企業(yè)難以承擔起高昂的BIM咨詢費用[15-16]。

法國Dassault BIM系列軟件及其平臺具有以下特點。

第一，Dassault BIM系列軟件中的基礎建模軟件CATIA強大，能夠實現(xiàn)空間線形復雜的任何結構的建模，包括飛機和輪船，而且建模精度非常高，這就能夠滿足復雜變截面高墩以及變截面連續(xù)梁的精細化建模。

第二，CATIA建模參數(shù)化程度高，具備強大的知識工程陣列工程，結構形狀相似的墩臺、主梁可以采用參數(shù)設定來實現(xiàn)一次建模多次運用，也就是建一個變截面橋墩，就可以通過修改參數(shù)實現(xiàn)所有類似橋墩的建模。

第三，Dassault BIM系列軟件中的三維仿真軟件DELMIA功能強大，能夠幫助進行橋梁關鍵施工工藝與施工過程的仿真。

鑒于以上原因，項目部決定采用法國Dassault BIM系列軟件及其平臺，具體各軟件在該BIM技術服務項目中的應用如表1所示。

表1 法國Dassault BIM系列軟件及其平臺配置

2.2 三維信息模型構建

金沙江雙線特大橋三維信息模型的構建主要包括地質BIM模型構建、全橋BIM模型構建、細部鋼筋混凝土模型構建以及施工機具BIM模型構建4部分。

(1)地質BIM模型構建

利用CATIA建立地質BIM模型，將設計院提供的地表點云數(shù)據(jù)導入，由點構成線，由線構成面，形成地質分層表面，如圖2所示。然后根據(jù)設計院提供的地質勘查報告，獲取各地質巖土層的分層厚度信息，按每隔20 m間距的精度采集地層巖層厚度數(shù)據(jù)，生產(chǎn)帶有厚度的地質總模型，如圖3所示。

圖2 金沙江雙線特大橋址處各巖層分布BIM模型

圖3 金沙江雙線特大橋址某處地質BIM模型

(2)全橋BIM模型構建

金沙江雙線特大橋BIM模型的構建，嚴格按照設計院給定的點位高程進行，與設計尺寸呈1∶1的真實比例關系。其建模整體思路是先根據(jù)橋梁線形、高程信息搭建空間骨架，再在相應的位置精確定位構建橋梁，最后在已經(jīng)建立好的地質模型上精確組裝完成整體BIM模型。如圖4～圖7所示。

圖4 金沙江雙線特大橋整體BIM模型

(3) 細部鋼筋混凝土模型構建

根據(jù)橋梁構件細部鋼筋圖、構造圖建立細部鋼筋混凝土模型，進一步深化、細化建模精度，為下一步進行碰撞檢查奠定基礎。如圖8所示。

圖5 金沙江雙線特大橋橋臺爆炸BIM模型

圖6 金沙江雙線特大橋變截面箱梁BIM模型

圖7 金沙江雙線特大橋箱梁局部BIM模型

圖8 金沙江雙線特大橋樁基承臺鋼筋BIM模型

(4)施工機具BIM模型構建

構建橋梁施工過程需要用到的各種施工機具模型，為下階段運用DELMIA進行施工工藝仿真工作奠定基礎。如圖9所示。

圖9 金沙江雙線特大橋部分施工機具BIM模型

通過大量的精細化建模工作，為下一步進行BIM技術應用夯實基礎，BIM模型的豐富程度、精準程度在一定程度上決定著BIM技術服務項目是否能夠取得成功。

3 BIM技術在金沙江雙線特大橋施工中的應用

依托金沙江雙線特大橋工程施工項目，基于法國達索BIM平臺，運用CATIA構建橋梁地質、主要構件與施工機具BIM模型，運用DELMIA建立BIM施工仿真模型，主要從施工圖紙校核、工程材料用量核算、三維技術交底、4D施工進度模擬、碰撞檢查、關鍵施工工藝仿真、安全風險預警等方面入手，深入研究BIM技術應用價值，為金沙江雙線特大橋安全、文明、高效、智能施工提供技術支持。

3.1 樁基施工方案選擇與優(yōu)化

樁基施工方案的選擇，包括打樁鉆頭類型的科學選取，鉆孔施工工藝的正確決策，打樁順序的合理優(yōu)化。針對設計樁長普遍較深的客觀現(xiàn)狀，而地層地質變化較為復雜，采用BIM技術較為準確地構建地質結構分層模型，可以提前相對精確地獲取地層地質分布的厚度與深度信息，對于不同地質情形做出應對預案，針對地質堅硬打樁困難區(qū)段，原則上選用沖擊鉆成孔，對于地質相對軟弱、土層深厚利于施工的，可以采用旋挖鉆或者正循環(huán)鉆進成孔。采用BIM技術建立詳盡的三維地質地層分布模型信息，立體展示地層空間分布狀況，可以幫助施工技術人員全面有效掌握地質變化情況，為不同樁位處深基礎的施工方案選擇，打樁鉆頭的選取以及打樁工藝決策提供信息化參考依據(jù)，確保樁基礎工程的順利進行。

3.2 施工圖紙校核與工程材料用量核算

構建橋梁三維施工模型，既可以直觀展示橋梁的整體結構，又可以檢查設計圖紙存在的問題，建模的過程就是將二維施工圖紙轉化成三維BIM模型，在此過程中相當于將設計圖紙尺寸嚴格復核一遍，可以直觀簡單查找出設計中存在的錯、漏、偏、差問題。如圖10所示，在建模過程中發(fā)現(xiàn)部分承臺、墩身、墩帽、托盤、墊石混凝土方量與設計值存在偏差，部分樁身鋼筋、承臺鋼筋、墩身鋼筋、墩帽鋼筋、托盤鋼筋、墊石鋼筋也與設計值存在一定的偏差。具體核對出來的差值如圖10紅色方框所標識。除此以外，在建模過程中核對出連續(xù)箱梁各階段梗腋處設計院漏掉φ16 mm的HRB400加強鋼筋4排，全橋累計缺少鋼筋約25.4 t。BIM建模情況與設計有一定偏差，再與實際鋼筋混凝土材料用量情況相對比確認其客觀性，依據(jù)BIM模型向監(jiān)理與設計院提交設計變更，為項目部追加了設計變更費用。

圖10 樁基承臺墩身鋼筋混凝土材料BIM核算

3.3 三維技術交底

三維技術交底相對于傳統(tǒng)的二維技術交底，更加形式直觀，提高了技術交底的效率。通過三維視角的交代，交底工作不再是枯燥深奧難懂的施工圖紙加似懂非懂文字疊加，而如同放電影似的直觀簡單有趣，在工班組長頭腦中形成立體印象。如圖11所示，工程師將墩身空心段鋼筋在空間上如何排布，運用BIM模型采用不同的顏色區(qū)分向工人交底，并提前利用視頻編輯軟件，將要重點闡述的鋼筋編號、類型、直徑和形狀標識出來，在工地為了移動方便可以利用iPad向工人播放提前制作好的視頻，進行移動三維技術交底工作。

圖11 18號橋墩墩身空心段鋼筋排布BIM三維技術交底

3.4 4D施工進度模擬

4D施工進度模擬是指將BIM模型構件與相應的施工進度計劃安排關聯(lián)，使其施工過程能夠隨時間動態(tài)模擬演示，在可視化狀態(tài)下，工程技術人員能夠直觀了解分析項目進展及其時間節(jié)點狀況，分析4D施工進度計劃，可以預估施工高峰期和關鍵工期節(jié)點，從而提前針對施工高峰期配置更多的材料、人員、機械和設備。

如圖12～圖14所示，其圖左側為施工進度時間安排甘特圖，圖右側為動態(tài)生成BIM模型進展過程，圖右下側為正在同時施工的部位名稱，3張圖分別反映在建造金沙江雙線特大橋的前期、中期與后期的施工狀態(tài)。利用BIM技術模擬4D施工進度，實現(xiàn)施工進度可視化，為調(diào)整施工計劃、資源配置，保證施工過程的科學合理性提供參考依據(jù)。

圖12 4D施工進度模擬狀態(tài)1

圖13 4D施工進度模擬狀態(tài)2

圖14 4D施工進度模擬狀態(tài)3

3.5 碰撞檢查

由于橋梁工程不像房屋建筑工程那樣擁有水、暖、電、土建等各種專業(yè)，不同專業(yè)之間單獨設計，在管線綜合時不可避免的出現(xiàn)空間位置沖突，而橋梁結構較為單一，對于橋梁結構的碰撞檢查，一般是指橋梁結構內(nèi)部鋼筋混凝土或者鋼結構與預應力管道、冷卻水管等內(nèi)部管道之間的空間位置干涉。如圖15所示，檢測到的是0號塊鋼筋與波紋管之間的碰撞，一般通過修改鋼筋大樣圖避繞預應力管道。如圖16所示，檢測到承臺冷卻水管與鋼筋發(fā)生碰撞共計22處，則可以合理排布均勻調(diào)整冷卻水管來保證鋼筋的位置。碰撞檢查的處理原則，一般遵循確保重要受力構件的空間位置，相對次要構件為其讓出空間位置。在預應力鋼筋混凝土0號塊箱梁內(nèi)部結構，預應力鋼筋的位置比普通鋼筋重要，所以采取普通鋼筋彎折避繞預應力管道的方式。在承臺中，冷卻水管只是一種臨時降溫措施，其理應為承擔力學任務的普通鋼筋讓位，冷卻水管合理挪動以避開普通鋼筋。

圖15 0號塊鋼筋與波紋管碰撞檢測

圖16 承臺冷卻水管與鋼筋碰撞檢測

3.6 關鍵施工工藝仿真

通過仿真，一方面對施工工藝進行驗證，對重難點施工方案進行優(yōu)化和調(diào)整，確保施工方案準確無誤；另一方面通過仿真再一次對現(xiàn)場作業(yè)人員進行動態(tài)三維技術交底，提供現(xiàn)場操作的動態(tài)指導，實現(xiàn)了施工技術交底的直觀化和生動化，提高工程師與工人之間技術交流溝通的效率。圖17為高墩模板安裝模擬仿真，通過事先模擬仿真一遍施工過程，將橋墩施工中需要預埋的構件(如檢查梯、吊圍欄滑漕，電梯、輸送管和塔吊固定預埋件等)以及預埋件與墩身鋼筋、預埋件位置與洞身通風孔及模板拉筋之間的空間位置關系精細直觀展現(xiàn)在工班組面前，實時提醒作業(yè)人員在每循環(huán)施工中及時埋設預埋件與管道。

圖17 高墩模板安裝模擬仿真

3.7 安全風險預警

安全是施工現(xiàn)場的頭等大事，是每個工程項目常抓不懈的重要工作，如何利用BIM技術對工地相應危險源進行分析，對施工現(xiàn)場存在的安全風險進行預警，是一個全新的有價值的課題。

金沙江雙線特大橋BIM項目在墩身施工仿真中發(fā)現(xiàn)作業(yè)人員在安裝外模板時，因原設計平臺寬度較窄，操作困難且有墜落的風險，為保證作業(yè)人員人身安全，將三角支架平臺寬度由原來的0.4 m調(diào)整為0.6 m，其安全整改以后的效果如圖18所示。圖18左側為整改前支架寬度為40 cm，此時利用人體工學原理，采用法國達索系列BIM軟件之一的DELMIA進行仿真分析時，發(fā)現(xiàn)工人在緊固外模螺栓操作作業(yè)時，其腳將懸空出支撐范圍。圖18左側為整改后支架寬度為60 cm，再次采用DELMIA進行仿真分析，工人的身體可以全部位于支架范圍之類，這樣就更好地保證了工人操作空間，為工人安全施工保駕護航。

圖18 高墩模板安裝支架寬度人體工學BIM模擬仿真

圖19 高墩模板搖擺危險區(qū)域BIM模擬分析

模板會自由擺動，高空作業(yè)時擺動幅度更大，模板擺動區(qū)域為危險區(qū)域，利用BIM技術對模板擺動區(qū)域進行仿真，確定危險區(qū)域范圍，在模板吊裝時對作業(yè)人員進行安全指導，保證人員處在安全區(qū)域。圖19的左半側有2名工人在現(xiàn)場協(xié)助模板吊裝作業(yè)，在常規(guī)狀態(tài)下他們2個根本無法預知那個區(qū)域存在極大的安全隱患和風險，通過圖19右半側畫面的DELMIA模擬仿真分析，可以清晰地看到深藍色區(qū)域為模板擺動能涉及到的危險區(qū)域，因此圖19右半側畫面相對靠近左上方的工人正處于危險境地，如果模板隨風不規(guī)則擺動將會碰傷該工人，而圖19右半側畫面相對靠近右下方的那位工人相對安全。通過模擬仿真工人被碰傷的情形，提前給工人和現(xiàn)場技術管理人員播放演示預警，將血淋淋的畫面提前虛擬展示在他們眼前，安全教育更加生動形象，留給工人和技術人員的印象更加深刻，教育效果更好。

4 結語

通過運用BIM技術在金沙江雙線特大橋項目進行施工過程安全、質量、進度管理的探索，實現(xiàn)了橋梁施工過程4D動態(tài)模擬控制、設計圖紙的三維校核、工程量的精細化核算、承臺墩身等重點難點施工工藝(工序)的仿真，借助BIM技術進行了三維交底、危險源辨識、安全風險管理，取得了良好的應用效果。下一步將進行施工信息管理平臺研發(fā)，在平臺上將增加工程量統(tǒng)計、施工過程5D管理、移動客戶端應用等內(nèi)容。