基于BIM 的鐵路轉(zhuǎn)體橋梁施工精細(xì)化管理

豐逍野，朱俊波，馬耀舉，董俊

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.中交投資有限公司，北京 100020；3.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢），湖北 武漢 430074）

0 引言

數(shù)字化信息時代下，在橋梁工程中進(jìn)行數(shù)字化方案擬定與結(jié)構(gòu)設(shè)計、信息化施工模擬與變更協(xié)調(diào)，精細(xì)化施工與文明管控，已成為當(dāng)前橋梁工程施工大環(huán)境下的熱點問題。而BIM（Building Information Modeling，簡稱BIM）技術(shù)的高速發(fā)展，從早期的建筑領(lǐng)域深入到公路領(lǐng)域之中，為橋梁工程施工注入了新的活力。BIM 技術(shù)在方案規(guī)劃、施工、設(shè)計、管理維護(hù)等多領(lǐng)域都涌現(xiàn)了許多優(yōu)秀的應(yīng)用案例[1-5]，如京張、京雄鐵路轉(zhuǎn)體橋等工程BIM 應(yīng)用，其內(nèi)容主要圍繞于施工交底、進(jìn)度模擬及工程量統(tǒng)計。隨著BIM 技術(shù)的深層推進(jìn)，開始出現(xiàn)BIM 與其他技術(shù)手段的交叉應(yīng)用[6-10]，如基于BIM+GIS 技術(shù)進(jìn)行工程管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成，還可結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、云計算、計算機(jī)視覺分析等手段，解決橋梁工程中的后期運維問題。

但目前BIM 技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用，也表現(xiàn)出了一些問題。BIM 技術(shù)以其三維可視、單體模型精細(xì)為特點，多被應(yīng)用于橋梁工程出圖統(tǒng)量及可視化交底。而橋梁工程以跨越能力為功能需求，尤其是鐵路橋梁，其施工與周邊場地環(huán)境息息相關(guān)，兩者之間是否存在侵入干擾問題目前研究甚少，導(dǎo)致常出現(xiàn)前期拆改方案模糊擬定，數(shù)據(jù)支撐較少等問題。此外，對于施工單位而言，更為注重BIM 技術(shù)在施工階段的生產(chǎn)管控能力，達(dá)到有條不紊的全局管理。橋梁工程推進(jìn)過程中涉及工種多，導(dǎo)致基于各種BIM 格式文件下的多方人員之間的信息傳輸很不友好，往往出現(xiàn)單位之間信息變更與交互不及時，文件查看困難等問題，協(xié)同效率低，缺乏系統(tǒng)的平臺管理與信息數(shù)據(jù)規(guī)整。如何在橋梁工程施工管理中進(jìn)行數(shù)據(jù)集成、協(xié)同管理，也是需要研究的問題。

對此，本文進(jìn)行BIM 技術(shù)下的鐵路轉(zhuǎn)體橋梁施工精細(xì)化應(yīng)用研究，基于BIM 技術(shù)進(jìn)行橋梁與場地環(huán)境智能分析，將BIM 模型與實際施工深入結(jié)合，并通過BIM 協(xié)同平臺進(jìn)行集成管理。

1 BIM 精細(xì)化施工應(yīng)用集成

BIM 技術(shù)通過一個三維模型數(shù)據(jù)庫，以其可視化、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性、模擬性、可出圖性5 個特點，能實現(xiàn)所有工程信息的集成。信息庫不僅能包含幾何信息，同時能集成空間狀態(tài)信息。而且即使BIM 軟件層出不窮，種類繁多，對應(yīng)產(chǎn)生的文件就有RVT、NWC、NWF、DWG、CHE 等多種格式，但在基于統(tǒng)一的IFC（Industry Foundation Class）數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)下，不同軟件可以共享同一數(shù)據(jù)源，從而達(dá)到數(shù)據(jù)的共享及交互。

汪軍等[11]構(gòu)建基于雙“核心結(jié)構(gòu)樹”構(gòu)建管理平臺，根據(jù)樹形結(jié)構(gòu)特點及工程建設(shè)管理特點，提出結(jié)構(gòu)樹在各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用場景及方法，有效解決公路工程建設(shè)過程中數(shù)據(jù)共享與傳遞的問題?；谏鲜鯞IM 技術(shù)的特點，通過建立三維可視化的交互環(huán)境，及橋梁結(jié)構(gòu)BIM 三維模型，將工程所有信息進(jìn)行集成，包含工程主體結(jié)構(gòu)，場地環(huán)境信息，施工組織信息等，相互映射，相互反饋。從現(xiàn)實場景轉(zhuǎn)變?yōu)樘摂M模型，再由虛擬模型反饋到現(xiàn)實工程，最終實現(xiàn)在BIM 協(xié)同平臺上進(jìn)行系統(tǒng)的集成管理。為避免各種數(shù)據(jù)信息混亂及流失，在BIM 協(xié)同平臺建立BIM 數(shù)據(jù)庫框架，輸入數(shù)據(jù)，進(jìn)行分類管理，設(shè)置權(quán)限查看，提高管理質(zhì)量。數(shù)據(jù)庫與源模型同時實時更新，項目各方可根據(jù)需要進(jìn)行BIM 數(shù)據(jù)的提取，同時，若工程推進(jìn)過程中發(fā)生前后環(huán)節(jié)不匹配的現(xiàn)象，例如發(fā)生施工變更，或者當(dāng)前設(shè)計不滿足后期運維要求，也可以錄入新的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行補(bǔ)充修改，并直接影響到源模型的變更，實現(xiàn)信息的動態(tài)化變更與儲存。圖1 為BIM 應(yīng)用集成框架。

圖1 BIM 應(yīng)用集成框架Fig.1 Integration framework of BIM application

2 應(yīng)用實例

2.1 工程概況

本文依托京秦高速ZQ-SG-10 標(biāo)段的上跨京哈鐵路大橋，位于秦皇島市山海關(guān)區(qū)古城村東側(cè)，橋下鐵路等級為國鐵Ⅰ級。其中（61+119+61）m預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)體連續(xù)箱梁、2×66 m 轉(zhuǎn)體T 構(gòu)均為涉鐵轉(zhuǎn)體。預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)體連續(xù)箱梁設(shè)3 號、4 號2 座轉(zhuǎn)體主墩，轉(zhuǎn)體T 構(gòu)設(shè)7 號1 座轉(zhuǎn)體主墩，其中3 號、4 號兩主墩雙向轉(zhuǎn)體85?和81?，7號墩逆時針轉(zhuǎn)體87?。轉(zhuǎn)體橋與津山鐵路下行線交角95?，與龍山鐵路下行線交角79?，與龍山鐵路上行線交角83?，與津山鐵路上行線交角89?。橋梁平曲線半徑1 600 m，其工程概況總覽見圖2。現(xiàn)對（61+119+61）m 連續(xù)箱梁，2×66 m 轉(zhuǎn)體T 構(gòu)2座轉(zhuǎn)體橋梁，擬采用BIM 技術(shù)進(jìn)行鐵路轉(zhuǎn)體橋梁施工精細(xì)化管理應(yīng)用研究。

圖2 京哈鐵路大橋效果圖Fig.2 Effect drawing of railway bridge on Beijing-Harbin Railway Line

2.2 施工場地交互分析

由于轉(zhuǎn)體橋橋址位置禁止無人機(jī)飛行進(jìn)行航測作業(yè)，無法使用GIS 技術(shù)進(jìn)行場地地理信息采集與模擬，使該工程前期相關(guān)拆改方案擬定變得困難許多。在此情況下，僅依靠原始CAD 平面地形圖的高程信息，基于BIM 技術(shù)，結(jié)合場地環(huán)境信息，進(jìn)行可視化分析研究橋梁轉(zhuǎn)體的碰撞情況，為工程的安全提供有力保障，提高施工精細(xì)化程度。

2.2.1 轉(zhuǎn)體碰撞模擬

采用BIM 設(shè)計建模軟件Sketch Up 進(jìn)行橋梁上部結(jié)構(gòu)建模，基于三維空間可視化定量分析梁體間的碰撞情況，對各梁體之間轉(zhuǎn)體過程中的最小間距進(jìn)行三維測量，精準(zhǔn)監(jiān)控轉(zhuǎn)體過程安全情況，如圖3 所示。

圖3 轉(zhuǎn)體碰撞方案模擬Fig.3 Simulation of swivel collision

根據(jù)工程要求安排，先后對7 號、4 號、3 號轉(zhuǎn)體主墩進(jìn)行轉(zhuǎn)體仿真模擬。經(jīng)動態(tài)模擬分析，轉(zhuǎn)體橋梁各梁體在轉(zhuǎn)體過程中均無結(jié)構(gòu)碰撞，確保實際施工橋梁轉(zhuǎn)體安全可靠，并得到對轉(zhuǎn)體橋梁（61+119+61）m 預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)體連續(xù)箱梁轉(zhuǎn)體角度與梁端最小間距關(guān)系曲線如圖4 所示，最小間距均大于0 無碰撞發(fā)生。

圖4 連續(xù)箱梁轉(zhuǎn)體角度與梁端最小間距關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between rotation angle of continuous box girder and minimum spacing of box girder

由圖4 可知，3 號、4 號梁體在轉(zhuǎn)體進(jìn)行至68?左右時，梁端距離達(dá)到最小值。由于工程實際施工不確定因素較多，因此轉(zhuǎn)體達(dá)到該位置時為最高風(fēng)險狀態(tài)，需在實際施工時進(jìn)行精準(zhǔn)控制?；诖薆IM 分析結(jié)果，建議施工3 號主墩轉(zhuǎn)體達(dá)到50?時降低轉(zhuǎn)體速度，同時相關(guān)單位嚴(yán)格監(jiān)控梁端距離，保證精細(xì)施工，嚴(yán)防安全事故發(fā)生。

2.2.2 凈空分析及接觸網(wǎng)碰撞模擬

項目工程中橋梁上跨4 條國鐵I 級鐵路線，對橋下凈空及轉(zhuǎn)體過程的鐵路接觸網(wǎng)碰撞與否有著嚴(yán)格要求。傳統(tǒng)的基于二維平面圖紙的碰撞分析，已不能滿足工程人員的工作需求，其可視性差，計算繁瑣，嚴(yán)重降低了拆改方案擬定的工作效率?；贐IM 技術(shù)，進(jìn)行接觸網(wǎng)碰撞三維可視化模擬，通過Sketch Up 進(jìn)行鐵路運營線搭建，使用ENE Rail Road 模擬鐵路插件，將平面線條轉(zhuǎn)變?yōu)殍F軌，并添加JPod support Structure 結(jié)構(gòu)支柱調(diào)整至指定高程，按間距要求進(jìn)行路徑陣列，模擬鐵路沿線接觸網(wǎng)，將橋梁與場地互相結(jié)合進(jìn)行三維分析。

由于工程航測受限，無法得到精準(zhǔn)的三維實體地形模型，僅依靠CAD 平面圖中的高程點進(jìn)行模型分析，導(dǎo)致Sketch Up 中每條運營線的接觸網(wǎng)信息均基于同一高程。缺少高程z 軸變化下的數(shù)據(jù)信息問題屬于二維平面問題，不能真實模擬現(xiàn)實情況。

針對此問題，選定任一高程點作為基準(zhǔn)高程平面進(jìn)行接觸網(wǎng)建模，然后依據(jù)CAD 中其他高程點與基準(zhǔn)平面的高程差對Sketch Up 中z 軸高程進(jìn)行校正。Sketch Up 中的橋下凈空數(shù)據(jù)只需要在模型數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上加上校正值，便能貼近真實情況數(shù)據(jù)。以橋下津山下行線接觸網(wǎng)模型為例，其部分關(guān)鍵臨近節(jié)點計算結(jié)果見表1。

表1 凈空校正值計算Table 1 Calculation of clearance correction value

校正值計算如下：

式中：Δ 為校正值結(jié)果；z0為選定基準(zhǔn)平面高程；zn為其他任意點的真實高程。

以津山下行線接觸網(wǎng)凈空分析為例，對橋下4 條鐵路接觸網(wǎng)進(jìn)行三維凈空分析模擬。基于以上校正計算，得到橋下最小真實凈空，均大于鐵路所要求7.96 m，滿足橋下凈空要求，確保接觸網(wǎng)無碰撞發(fā)生。但考慮日后橋下接觸網(wǎng)更新維護(hù)作業(yè)困難，施工前還需對橋下支柱改移處理。根據(jù)三維模型的可視化分析，可直觀發(fā)現(xiàn)橋下既有支柱編號，并提出相應(yīng)拆改方案，見圖5。

圖5 接觸網(wǎng)拆改方案模擬Fig.5 Simulation of catenary dismantling

基于BIM 的施工場地三維可視化交互分析，能更直觀準(zhǔn)確地對鐵路轉(zhuǎn)體橋梁及周邊場地環(huán)境進(jìn)行位置分析，在施工前得到更為精細(xì)化的轉(zhuǎn)體控制數(shù)據(jù)及準(zhǔn)確合理的拆改方案。

2.3 橋梁精細(xì)化建模

橋梁工程涉及到多種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的組合，相比于其它類型的橋梁，轉(zhuǎn)體橋的結(jié)構(gòu)更為繁雜。就其轉(zhuǎn)體系統(tǒng)而言有球鉸、撐腳、反力座、滑道等結(jié)構(gòu)，形式各異，傳統(tǒng)的二維圖紙不便于施工人員理解相關(guān)結(jié)構(gòu)，同時也會對預(yù)算人員進(jìn)行工程量統(tǒng)計造成困難。

本項目采用Revit 對橋梁進(jìn)行三維實體建模繪制，組建完整的工程項目。使施工方能對任意橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維查看，優(yōu)化交底流程。而預(yù)算人員可以選擇對應(yīng)的工程結(jié)構(gòu)，通過Revit 中的數(shù)量明細(xì)表進(jìn)行工程量自動統(tǒng)計，更為精確地得到材料數(shù)量，進(jìn)行成本分析。項目轉(zhuǎn)體橋梁Revit 模型如圖6 所示。

圖6 Revit 橋梁模型Fig.6 Revit bridge model

2.3.1 Revit 上部結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模

由于項目工程鐵路轉(zhuǎn)體橋梁位于平曲線（半徑1 600 m）上，平縱面均為曲線線形，傳統(tǒng)體量的拉伸式建模無法達(dá)到梁體線形的效果，因此必須通過在精準(zhǔn)的軸網(wǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行截面輪廓的放樣，才能實現(xiàn)曲線橋建模。而由于上部箱梁結(jié)構(gòu)相似，僅尺寸不一，因此在Revit 的上部結(jié)構(gòu)建模中，可以充分利用Revit 參數(shù)族編輯的優(yōu)點，對箱梁截面各特征的尺寸定義參數(shù)，通過參數(shù)化建模，快速便捷，也能在三維模型中更加直觀精準(zhǔn)地提取到所需要的尺寸數(shù)據(jù)。Revit 箱梁模型如圖7 所示。

2.3.2 Revit 下部結(jié)構(gòu)族編輯建模

在Revit 下部結(jié)構(gòu)建模中，由于各個構(gòu)件形態(tài)不一，復(fù)雜多樣，需分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，見圖8。通過構(gòu)件編輯下內(nèi)建模型或族編輯建模載入項目的方法，均可實現(xiàn)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)建模，并可在項目之中重復(fù)嵌套，減少重復(fù)建模，提高效率。

2.3.3 碰撞檢測及優(yōu)化

橋梁BIM 精細(xì)化模型創(chuàng)建后，可將模型導(dǎo)出為NWC 格式文件，通過Navisworks 中的Clash Detective 功能進(jìn)行三維碰撞模擬，直觀找到項目模型的結(jié)構(gòu)沖突點，并基于此碰撞結(jié)果返回建模軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，避免后續(xù)施工時產(chǎn)生碰撞調(diào)位問題。相較于傳統(tǒng)計算核圖式碰撞檢測，BIM三維碰撞更直觀且準(zhǔn)確，保障施工精準(zhǔn)程度。

2.4 橋梁施工管理應(yīng)用

本文2 座轉(zhuǎn)體橋梁的轉(zhuǎn)體施工為項目重難點控制性工程，可通過各種BIM 管理軟件進(jìn)行施工階段的技術(shù)交底應(yīng)用。除了施工質(zhì)量的要求外，BIM 技術(shù)可提高施工組織協(xié)調(diào)性，基于其信息集成特點，實現(xiàn)合理的施工流水劃分，完成施工的分包管理，為各專業(yè)施工方建立良好的工作面協(xié)調(diào)管理而提供支持和依據(jù)。通過BIM 技術(shù)對施工進(jìn)行多維度下的全局管理，實現(xiàn)精細(xì)化施工。

2.4.1 可視化技術(shù)交底

通過Lumion Live Sync For Revit 插件將Revit三維實體模型下的各個結(jié)構(gòu)圖元導(dǎo)出為dae 中間格式文件，在Lumion 中對施工工藝流程進(jìn)行動態(tài)模擬，制作成形象的施工工藝展示動畫，加快施工效率，改善施工質(zhì)量，有效避免施工人員因工藝不熟悉或操作不規(guī)范導(dǎo)致的構(gòu)件錯裝漏裝、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)安裝失準(zhǔn)等問題，提高橋梁施工的精細(xì)化程度。橋梁轉(zhuǎn)體施工可視化交底如圖9 所示。

圖9 轉(zhuǎn)體施工可視化交底Fig.9 Visual disclosure of rotation operation

2.4.2 進(jìn)度成本管控

基于項目中京哈轉(zhuǎn)體大橋段施工特征及時間成本要求，圍繞其關(guān)鍵作業(yè)要點和節(jié)點目標(biāo)編制PM（Project Manager）施工進(jìn)度計劃，與BIM 模型關(guān)聯(lián)起來，對項目進(jìn)行高效率的計劃、組織、指導(dǎo)和控制，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入項目管理軟件Fuzor 進(jìn)行4D 進(jìn)度及5D 成本模擬，得到施工進(jìn)度成本關(guān)聯(lián)動畫。管理人員可直觀地查看進(jìn)度計劃及成本投入，調(diào)配機(jī)械、人工、材料等需求計劃，提前備料，保證施工進(jìn)度，調(diào)整施工成本結(jié)構(gòu)。施工時可輸入實際進(jìn)度數(shù)據(jù)，直觀演示實際與計劃之間差異，保證多維度下精細(xì)化施工，見圖10。

圖10 BIM 進(jìn)度成本管控Fig.10 Cost control of BIM progress

由圖10 可知，在2022 年3 月和2023 年4 月開始，資金曲線出現(xiàn)有4 次顯著的峰值。在該部分峰值區(qū)域范圍內(nèi)，有主墩樁基施工區(qū)段和上部結(jié)構(gòu)混凝土澆筑區(qū)段。該施工時間區(qū)段資金投入相對較高。因此相關(guān)工程人員需提前備料，做好資金協(xié)調(diào)，防止在該工程節(jié)點時間出現(xiàn)備料不足，資金流動不暢的情況，更能防止少料作業(yè)帶來的質(zhì)量問題。

2.5 工程協(xié)同管理

橋梁工程的施工精細(xì)化管理，不只單方面由施工方完成，還應(yīng)與相關(guān)各單位的各專業(yè)人員協(xié)同。多方人員在項目推進(jìn)過程中將所有的數(shù)據(jù)信息集成于BIM 源模型之中，如地理信息、結(jié)構(gòu)材料信息、預(yù)埋件埋置要求、后期橋梁維護(hù)等信息，一并影響著其它各專業(yè)人員管理。即使出現(xiàn)變更調(diào)整，最終落腳點均在一個BIM 模型之中，極大地方便了各個部門或單位的管理，使工程推進(jìn)變得協(xié)調(diào)有序。夏子立等[12]梳理了我國橋梁技術(shù)狀況評定規(guī)范體系及BIM 技術(shù)在橋梁運營管理的應(yīng)用概況，設(shè)計了基于BIM 的技術(shù)狀況評定系統(tǒng)總體框架及業(yè)務(wù)模塊功能，解決了智能有效工程管理的問題。

基于各方單位需求及項目特征，開發(fā)并使用BIM 協(xié)同平臺進(jìn)行智能管理，平臺首頁界面見圖11。

圖11 BIM 協(xié)同管理平臺界面Fig.11 Interface of BIM collaborative management platform

在BIM 協(xié)同平臺上構(gòu)建項目橋梁信息庫，提供模型可視化展示，工程進(jìn)度、重要通知、實時視頻監(jiān)控等功能，且基于子功能模塊完成工程信息分類集成，實現(xiàn)多專業(yè)、多單位人員下的協(xié)同管理，并可在手機(jī)端進(jìn)行操作，極大方便工程管理。對于施工文明中最重要的安全管控問題，可在項目中建立BIM 三維模型讓各分包管理人員提前對危險源進(jìn)行判斷，在危險源附近快速地進(jìn)行防護(hù)設(shè)施模型的布置。通過實時監(jiān)控反饋現(xiàn)場畫面于平臺之上，工程人員可以隨時進(jìn)行現(xiàn)場安全管控并及時下達(dá)通知管理，代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工巡檢，使辦公更高效合理。

3 BIM 施工精細(xì)化管理價值分析

該工程采用BIM 技術(shù)進(jìn)行施工精細(xì)化管理，確保施工精度的同時，完成了BIM 數(shù)據(jù)的集成與規(guī)范管理，使工程推進(jìn)更為系統(tǒng)有序。對該BIM應(yīng)用解決的工程問題、應(yīng)用效益及考慮的適用領(lǐng)域進(jìn)行分析，其BIM 施工精細(xì)化管理效益見表2。

表2 BIM 施工精細(xì)化管理效益表Table 2 Benefits of BIM-based refined management of construction

4 結(jié)語

本文以京哈鐵路大橋項目為依托對鐵路施工精細(xì)化問題應(yīng)用BIM 技術(shù)，完成了橋梁與場地信息的交互分析，精細(xì)化橋梁模型構(gòu)建，施工技術(shù)交底及組織協(xié)調(diào)，以及工程所涉及的多方人員協(xié)同工程管理，多方面提高了橋梁的施工精細(xì)化程度。

1）將場地環(huán)境信息與結(jié)構(gòu)主體進(jìn)行BIM 交互應(yīng)用是橋梁工程BIM 技術(shù)應(yīng)用的必要一環(huán)，依此才能做出更準(zhǔn)確而合理有效的方案設(shè)計及施工。

2）依托BIM 技術(shù)強(qiáng)大的三維可視性及生產(chǎn)管控能力，作出準(zhǔn)確的碰撞優(yōu)化、細(xì)致的施工動畫交底及多維度的工程全局管理，保證施工精細(xì)化程度。

3）基于BIM 協(xié)同平臺的工程信息集成管理，分類更為科學(xué)，管理更為系統(tǒng)與協(xié)調(diào)，保障工程施工的有序推進(jìn)。