(湖南尚上公路橋梁建設有限公司，湖南 長沙 410116)

BIM技術在道路橋梁施工管理中的應用研究

向聃

(湖南尚上公路橋梁建設有限公司，湖南 長沙 410116)

為提高道路橋梁項目的建設管理水平，在施工全過程中應用BIM技術。針對道路橋梁施工的難點，搭建BIM三維可視化模型，分析對施工的優(yōu)化性。按照施工前、施工中、施工后的順序研究BIM技術在碰撞檢驗、場地布置、施工模擬、災害應急等方面的應用要點。最后介紹BIM技術在某高速公路大橋施工的應用實例。

BIM技術；道路橋梁；施工管理

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，車輛行駛密度顯著增大，對各類型道路橋梁工程的需求也不斷提升，不僅全國范圍內(nèi)興建公路、橋梁、隧道等工程，而且對其承載力、質(zhì)量、成本等方面的要求也逐步加大。道橋工程施工復雜，不僅有多變的地理環(huán)境，還涉及多項專業(yè)技術領域[1]。目前，道橋項目的施工仍然依托傳統(tǒng)的二維圖紙，層層進行信息傳遞，難以及時發(fā)現(xiàn)施工中存在的問題，從而影響施工的進度、成本和質(zhì)量。因此，采用先進的科學技術與管理方法，能夠?qū)Φ罉蚴┕じ麟A段進行更好的管控，提高施工品質(zhì)。

BIM技術的最大特征是信息的高度共享，它能夠?qū)㈨椖康囊磺袔缀?、非幾何信息整合到一個獨立的建筑模型中，并對資源計劃、施工進度等進行模擬[2]。在西方發(fā)達國家，BIM應用于項目全生命周期，包括規(guī)劃、設計、采購、施工和運營等各個階段；而國內(nèi)，由于傳統(tǒng)模式難以改變，人才、技術匱乏等原因，使得BIM的應用程度較低，且主要在設計階段得到較為實際的應用[3]。同時，國內(nèi)外對BIM的研究主要集中于建筑工程，在道路橋梁領域的應用研究很少。一些學者大多針對某具體項目進行探討，比如卡塔爾多哈大橋的施工工藝模擬和專項施工管理平臺的建立、武漢市二環(huán)線漢口段高架橋施工的工程管理BIM實施框架等[4,5]，缺少對道橋施工全過程中應用BIM技術的系統(tǒng)性、概括性的總結歸納。

因此，應用BIM技術，對道路橋梁構件進行參數(shù)化處理，建立信息模型，減少施工過程中工作量大、原始資料缺失、工程管理滯后等問題[6]，對進度、質(zhì)量、成本加強控制。本文基于BIM技術，針對一般道路橋梁工程，對道路橋梁施工管理進行了歸納性研究。

1 道路橋梁工程施工難點分析

1.1 涉及專業(yè)多樣

一個道路橋梁工程通常涉及多項專業(yè)領域，比如水下工程、邊坡工程、鋼棧橋工程、隧道工程等，而且道橋的造型結構多樣，使得材料、設備、施工人員與工藝流程等難以達到統(tǒng)一標準，進而提高道路橋梁施工管理的復雜性。

1.2 設計意圖難以表達

設計過程中，建設單位對可能存在的影響因素進行收集，經(jīng)過協(xié)商、決策后，交由施工方嚴格執(zhí)行，以保證設計意圖的正確實現(xiàn)[2]。然而，設計方大多通過二維圖紙進行交底，有的部分甚至僅是文字說明，施工方無法獲得準確的設計意圖，便會影響工程的進度和質(zhì)量，使設計意圖難以實現(xiàn)，造成人、財、物的損失。

1.3 施工組織不易

道路橋梁工程具有點多線長的特點，施工條件復雜，隨著進度的推進，難免會出現(xiàn)一些凍土、軟基、滑坡等不良地段，加上露天施工的方式，還會受到溫度、降水、風沙等外界氣候的影響，使得施工現(xiàn)場環(huán)境多變。另外，在不同的路段，即使同樣的工序?qū)氖┕すに?、機械、設備等也會有所不同，施工組織不易。因此，道橋工程需要有針對性的制定施工模式、施工工藝、人員設備的標準。

2 BIM模型搭建及施工優(yōu)化性

BIM技術的應用前提是三維模型的搭建，建模師根據(jù)設計圖紙搭建模型，形成可查看任一視角的三維立體圖。并將參數(shù)信息添入對應的構件，不僅可以對配筋、構件等進行沖突檢測，還為后續(xù)的施工模擬提供了模型支撐[7]。

2.1 多角度可視化

BIM技術能夠?qū)⑽闯霈F(xiàn)的事物可視化，加強構件、整體模型、操作人員之間的互動、反饋。不僅整個建造過程均可視，還能展示各角度效果圖、輸出報表等，輔助道路橋梁項目施工中的溝通、交底、決策，如圖1所示為某公路的3D模型圖。

圖1 某公路的BIM3D模型

2.2 多方協(xié)調(diào)合作

隨著道路橋梁工程的外形、結構、功能的復雜度不斷加深，對各專業(yè)領域溝通合作的要求也與日俱增。建筑信息模型的協(xié)調(diào)性服務為各專業(yè)搭建了一個技術協(xié)作平臺，能夠基于同一數(shù)據(jù)模型支持多人在項目建設不同階段進行信息共享、協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)，避免各種專業(yè)碰撞問題[8]。

2.3 多元模擬優(yōu)化

BIM模型中的構件不單是視覺構件，除模擬幾何形狀外，還能模擬構件性能、時間、功能等非幾何信息，因而通過BIM技術可以模擬出道路橋梁施工中可能遇見或者實際中難以操作的場景，并通過各種優(yōu)化工具對復雜問題進行分析處理，從而制定合理施工方案。

2.4 多處參數(shù)驅(qū)動

BIM模型中所有圖元都是關聯(lián)的，對模型中某一處進行修改時，其它關聯(lián)地方都會自動做出調(diào)整，可以隨時輸出平、立、拋二維圖紙。通過對道路橋梁工程的可視化展示、協(xié)調(diào)、模擬優(yōu)化后，再經(jīng)檢查碰撞修改設計，許多錯誤便被消除，減少了施工過程中可能出現(xiàn)的問題[9]。

3 BIM技術在道路橋梁施工管理中的應用價值分析

3.1 BIM技術在道橋工程項目中的實施流程

道路橋梁的施工是一個復雜、動態(tài)的過程，隨著施工進度的不斷地推進，工程規(guī)模、復雜程度等也在不斷提升，施工管理的難度也越來越大。BIM技術能夠?qū)⑹┕と^程信息化、可視化，首先構建三維模型，然后按照施工的邏輯順序研究BIM技術的應用，如圖2所示，包括施工前的碰撞檢驗及深化設計，施工中的虛擬建造與進度模擬，施工后的質(zhì)量檢測與災害應急等，將道路橋梁施工的整個過程都集中在一個信息共享平臺，提前預測施工過程中可能出現(xiàn)的問題并制定應對措施，提升施工管理效率與水平。

圖2 BIM技術在道橋工程項目中的實施流程

3.2 道路橋梁項目施工前BIM的應用

道路橋梁工程施工前，基于三維模型，運用可視化技術進行碰撞檢驗、深化設計等施工輔助。傳統(tǒng)的施工圖紙中各專業(yè)內(nèi)容互相分開，加上道橋工程施工的復雜性，難以發(fā)現(xiàn)潛在的管線碰撞等問題，在建筑信息模型中，每個構件都匹配相應的參數(shù)信息，用參數(shù)來驅(qū)動三維模型進行碰撞檢驗，可以自動顯示出碰撞數(shù)量及碰撞構件ID、碰撞點詳圖等，如圖3所示，并出具碰撞檢測報告，修改錯誤，及時深化設計。除了構件，BIM還可以對施工中機械間、操作空間、機械和結構間等的碰撞進行檢測[10]。BIM還可以輔助車流量分析，計算結構穩(wěn)定和承載力等性能參數(shù)，不斷進行整體和局部的細化處理。這些都有利于節(jié)約施工成本、降低施工風險、保障施工質(zhì)量。

圖3 碰撞檢驗生成的碰撞圖像

由于道橋工程施工路線長，棧橋、圍堰、材料堆場、鋼筋加工場等臨建設施很容易集中分布在狹窄的施工區(qū)域內(nèi)，若遇上不利的地形環(huán)境則會更擁堵，因此對施工現(xiàn)場布置的要求很高。運用BIM技術對測量得到的三維地形進行建模，再結合施工區(qū)域總體布置，確定公路、主橋、平臺、棧橋、大型機械設備及材料加工場等的相對位置，建立形象直觀的施工現(xiàn)場三維布置圖。

3.3 道路橋梁項目施工中BIM的應用

BIM具有3D可視化-4D時間-5D成本的特征，能夠?qū)崿F(xiàn)施工過程各階段的精細化管理。通過BIM模型對工程量、進度、預算等關鍵信息進行整合，再關聯(lián)圖紙、物料、合同、安全等信息，綜合后進行施工模擬。利用數(shù)字化管理與實時監(jiān)控等手段，模擬項目進度、物資消耗等，為關鍵節(jié)點的施工、商務、計劃等環(huán)節(jié)提供合理精確的數(shù)據(jù)，從而節(jié)約時間和成本，提高施工管理效率。

道路橋梁工程的結構形式特殊，一般以施工進度為基礎對質(zhì)量、成本、安全、材料等進行控制。目前國內(nèi)道橋項目大多使用甘特圖編制進度計劃，數(shù)字與文字輔助說明，但施工人員難以客觀形象地了解施工進度及構件間的復雜關系。依據(jù)BIM模型，匯總施工階段的各類信息，按照需要調(diào)取相關數(shù)據(jù)，對道橋施工各階段展開虛擬建造，在施工進度模擬的基礎上進行成本預算、資源計劃、建材運輸?shù)?，對比實際與計劃間的進度、成本偏差，以便及時調(diào)整后期計劃，對道路橋梁施工進行優(yōu)化，如圖4所示。

圖4 BIM技術應用下的道路橋梁施工優(yōu)化過程

在真實的道橋施工過程中，BIM技術可做到實時指導、提前預測并解決下一階段可能出現(xiàn)的問題，項目管理由“被動”轉為“主動”。在施工中，通過BIM的信息共享平臺，提前了解相關施工工藝、安全隱患等，幫助工人做好準備，減少問題的產(chǎn)生，簡化施工現(xiàn)場管理，提高現(xiàn)場管理人員的效率。

3.4 道路橋梁項目施工后BIM的應用

在我國，項目施工大多對進度和成本的關注較重，忽視了對質(zhì)量的管理，就連最后的質(zhì)量驗收過程也不夠規(guī)范，留下許多安全隱患。對于道路橋梁項目，其質(zhì)量安全極為重要。應用BIM技術，工作人員在施工中通過三維模型信息庫，將構件的實施信息輸入共享平臺中，做到隨時反饋，時刻監(jiān)督。而每個構建都有唯一的ID代碼，這樣在驗收時，質(zhì)檢人員便可以迅速定位所需檢查的構件，獲取全面的信息，進行規(guī)范化檢驗，全面判斷質(zhì)量是否合格并做好記錄，嚴控質(zhì)量驗收的水準。可以防止因抽檢、質(zhì)檢員本身問題等帶來的檢測結果偏差。

對于道路橋梁工程，在施工過程中不同路段會按一定的順序建成，對于已建成的部分可能面臨的斷裂、塌陷、泥石流等災害，應急管理就需要很高的要求。BIM存儲的數(shù)據(jù)具有空間性質(zhì)，能夠?qū)崟r獲取相關數(shù)據(jù)，當災害發(fā)生時，BIM系統(tǒng)能夠協(xié)助響應人員及時定位，并繼續(xù)識別潛在的隱患部位和其他突發(fā)事件，在應急人員趕赴途中，提供具體信息，不僅有助于災害的解決，還可以培養(yǎng)運維人員在緊急情況下的應急響應能力。另外，建筑信息模型可以模擬災害發(fā)生的情況，制定合理的解決方案，同時評估突發(fā)事件造成的損失，以便研究和測試對應的相應計劃。

4 應用實例

4.1 工程概況

宿州市某高速公路大橋，位于華北平原，地形平緩，村鎮(zhèn)分布密集，半濕潤季風氣候，日照充足，雨量適中。大橋全長548.2 m，通行凈空5.5 m，采用雙向六車道標準設計，上部是預應力混凝土組合箱梁，下部是肋板臺，柱式橋墩，墩臺為樁基礎，其中9#墩位于高速公路中分帶上。

4.2 基于BIM的深化設計與場地布置

施工單位在施工前根據(jù)圖紙分別建立族、單個構件、配筋等，最后合成三維可視化模型，并對施工中用到的箱梁的模板、腳手架、樁位測量等進行了深化設計，三維出二維圖，便于對工人的技術可視化交底。隨后進行施工場地布置，按照預制梁的生產(chǎn)、橋位、取土區(qū)、進出場車輛的行進路線區(qū)域、臨時給水用電方案等，結合周邊場地環(huán)境，進行場地規(guī)劃，如圖5所示。因為本工程較簡單，所以場地布置也很簡潔。

圖5 宿州市某高速公路大橋施工場地布置

4.3 基于BIM的施工模擬與優(yōu)化

因為設計單位一般不會提供BIM模型，或者即使提供模型也并不適用實際施工情況，因此項目部成員以WBS的方式將所有構件按照工序級進行分割，給模型賦予時間屬性，匹配后導入Navisworks里，進行施工模擬。如圖6所示，按照常規(guī)的施工方法，先左后右逐跨進行施工，但由于高速公路大橋的9#墩跨高速公路中間分隔帶，需隔斷交通，所以劃分7個階段，計劃工期為163 d。隨后項目部成員邀請相關專家、業(yè)主，將BIM技術應用其中，經(jīng)討論與嘗試，將施工過程縮減為5個階段，不再是先左后右的單跨架設，而是同時架設，以減少中間阻斷交通的時間，總工期為144 d，優(yōu)化進度19 d。通過BIM的可視化模型向業(yè)主進行施工進度模擬，很快就得到對方的理解和接受，減少協(xié)調(diào)時間，這也是本項目在應用BIM技術時取得的較為突出的成效。

圖6 優(yōu)化前與優(yōu)化后的施工進度模擬

4.4 基于BIM的質(zhì)量管理與驗收

本工程根據(jù)施工專業(yè)、工序的不同將工程質(zhì)量控制點劃分為3個等級：

A級——關鍵質(zhì)量控制點；

B級——重要質(zhì)量控制點；

C級——一般質(zhì)量控制點。

可以由總承包、業(yè)主、監(jiān)理、設計單位、勘察單位、質(zhì)監(jiān)站等分別對其評定，再取綜合結果。為保證工程質(zhì)量達標，對A級的全部、B級的部分進行質(zhì)量控制點的三維可視化工序，以便交底。

本項目采用的是事后質(zhì)量控制，通過二維碼將實體構件與模型聯(lián)系起來，用色譜的方式區(qū)分哪些地方驗收好了，哪些沒有驗收，哪些正在驗收，并在不合格的地方標注，如圖7所示。

圖7 質(zhì)量驗收管理表與色譜顯示

4.5 基于BIM的協(xié)調(diào)工作

如圖8所示，BIM技術的應用需要各個部門的協(xié)同工作，工程部以WBS工序建模，編制進度計劃；經(jīng)營部將價格關聯(lián)后輸出預算文件；物資部制定材料計劃，記錄實際工程量消耗；質(zhì)檢部跟蹤工程進度，實時上傳現(xiàn)場照片；安全部建立安全措施模型，展開文明工地布置。綜合而言，所有部門協(xié)調(diào)工作，雖然很大范圍的應用了BIM技術，但是實際上耗時很長，很費現(xiàn)場，增加了工程量。現(xiàn)實中由于業(yè)主、經(jīng)理、設計、分包、勞務分包等并沒有基于模型的操作，因此許多協(xié)調(diào)的手段還得靠傳統(tǒng)的辦法。

圖8 各部門基于BIM的協(xié)調(diào)合作

5 結語

本文針對道路橋梁工程施工難點和實際施工效果，總結歸納了BIM技術輔助道路橋梁項目施工全過程的可行性，并結合案例進行驗證。通過施工前搭建三維可視化模型和施工場地布置，進行碰撞檢驗，對模型的整體和局部不斷細化，從而深化設計、降低施工風險；通過施工中采用BIM虛擬建造技術，模擬施工進度，并在此基礎上對成本、質(zhì)量、材料、安全等進行控制，及時發(fā)現(xiàn)實際與預計的偏差并做出調(diào)整，實現(xiàn)施工過程精細化管理；通過施工后在質(zhì)量驗收、災害應急中應用BIM技術，可以加強質(zhì)檢的全面性、規(guī)范化，識別已發(fā)生或潛在的突發(fā)事件，迅速確定具體位置，及時處理應急情況。

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1008-844X(2017)03-0165-06

U 445.1

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2017-07-24

向 聃(1981-)，男，工程師，研究方向：公路橋梁與隧道工程。