(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

圖1 工程概況

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

中興大橋及接線工程起于寧波市中興路—江南路口，沿中興北路跨越甬江，止于青云路，全長(zhǎng)約2.62km，是通途路與世紀(jì)大道間跨甬江重要的交通主干道。工程總投資22.6億元，主橋采用上層機(jī)動(dòng)車(chē)、下層非機(jī)動(dòng)車(chē)的雙層布置，主跨400m，V型橋塔橋面以上高度37m，為當(dāng)今全球最大跨徑的單索面矮塔斜拉橋，如圖1所示。

1.2 工程特點(diǎn)和難點(diǎn)

中興大橋位于寧波莊橋機(jī)場(chǎng)60m航空限高范圍內(nèi)，同時(shí)甬江航道要求主橋一跨過(guò)江，因此采用矮塔斜拉橋的方案，創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)外同類(lèi)橋型的最大跨徑記錄。橋梁不僅設(shè)計(jì)難度高，施工過(guò)程中采用支架滑移、橋面吊機(jī)拼裝及豎向轉(zhuǎn)體等多種施工工藝，而且周邊環(huán)境復(fù)雜，地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜，地鐵3號(hào)線與大橋同步建設(shè)，沿線待拆遷建筑超過(guò)120 000m2。

中興大橋建設(shè)條件苛刻、橋梁構(gòu)造復(fù)雜、施工工藝先進(jìn)、施工場(chǎng)地有限，因此項(xiàng)目從方案階段開(kāi)始使用BIM進(jìn)行正向設(shè)計(jì)，并積極引入傾斜攝影、虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與BIM的融合應(yīng)用。

2 BIM組織與應(yīng)用環(huán)境

2.1 BIM應(yīng)用目標(biāo)

圖2 本項(xiàng)目BIM應(yīng)用目標(biāo)

圖3 本項(xiàng)目BIM實(shí)施方案

針對(duì)中興大橋工程建設(shè)的特點(diǎn)，應(yīng)用傾斜攝影、虛擬現(xiàn)實(shí)及交通仿真等技術(shù)，結(jié)合BIM模型的碰撞檢測(cè)、設(shè)計(jì)優(yōu)化及虛擬建造等功能，直觀展示工程整體現(xiàn)狀、確定車(chē)道建設(shè)規(guī)模、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證施工方案可行性等，解決工程周邊環(huán)境復(fù)雜、交通功能多樣、施工場(chǎng)地有限等工程難題，如圖2所示。

2.2 實(shí)施方案

在方案設(shè)計(jì)階段，應(yīng)用傾斜攝影、虛擬現(xiàn)實(shí)與BIM融合技術(shù)，結(jié)合VISSIM交通仿真確定橋型方案及建設(shè)規(guī)模，并利用我院自主研發(fā)的SMEDI-RDBIM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速化建模。施工圖設(shè)計(jì)階段構(gòu)建精細(xì)化模型，利用模型優(yōu)化設(shè)計(jì)、模擬關(guān)鍵工序并輔助二維出圖，設(shè)計(jì)完成后模型按IFC準(zhǔn)則交付，直接應(yīng)用于大橋施工監(jiān)控BIM平臺(tái)。

建模過(guò)程中始終遵照《中國(guó)市政行業(yè)BIM指南》，并充分繼承我院春曉大橋等項(xiàng)目的BIM構(gòu)件庫(kù)，結(jié)合本項(xiàng)目的特點(diǎn)進(jìn)一步拓展與延伸，形成本項(xiàng)目BIM標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步完善我院BIM標(biāo)準(zhǔn)體系。

2.3 團(tuán)隊(duì)組織

BIM團(tuán)隊(duì)由院總工程師親自帶隊(duì)，下設(shè)BIM研發(fā)中心與BIM應(yīng)用工作組，橋梁總工及項(xiàng)目負(fù)責(zé)人進(jìn)行設(shè)計(jì)把關(guān)，并由法國(guó)達(dá)索公司提供技術(shù)支持，橋梁、道路、結(jié)構(gòu)、傾斜攝影及VR等不同專(zhuān)業(yè)的工程師相互配合，并實(shí)現(xiàn)上海本部與寧波當(dāng)?shù)氐漠惖貐f(xié)同工作。

2.4 軟硬件環(huán)境

BIM設(shè)計(jì)以法國(guó)達(dá)索3D Experience平臺(tái)為基礎(chǔ)，自主研發(fā)SMEDI-RDBIM、SMEDI-Para 3D等三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)，綜合運(yùn)用UE4、ANSYS等軟件，實(shí)現(xiàn)各軟件之間的信息共享和模型協(xié)同，并利用BIM模型進(jìn)行二維出圖，如圖4所示。硬件方面采用了大內(nèi)存和高性能顯卡的圖形級(jí)工作站，同時(shí)配備了專(zhuān)業(yè)級(jí)服務(wù)器來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖4 軟件協(xié)同構(gòu)架

外業(yè)影像獲取 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理圖5 傾斜攝影影像獲取與處理

3 BIM應(yīng)用

3.1 BIM建模

BIM建模涵蓋全工程3km2范圍內(nèi)的地形、周邊建筑、道路、橋梁、盾構(gòu)、地下管線、路燈及景觀等。周邊建筑及地形利用傾斜攝影獲取，精度達(dá)厘米級(jí)。橋梁、道路及盾構(gòu)等模型按設(shè)計(jì)階段不同分不同模型精度：在方案設(shè)計(jì)階段，模型等級(jí)為L(zhǎng)OD1-2，包含構(gòu)件的外形及尺寸等主要信息，可實(shí)現(xiàn)快速建模與修改，高效率的確定工程方案； 在施工圖設(shè)計(jì)階段模型精度達(dá)到LOD3，鋼結(jié)構(gòu)模型包含基本的板厚、型材以及人孔、過(guò)焊孔、焊縫等細(xì)節(jié)，可直接用于工廠加工。設(shè)計(jì)模型按照IFC準(zhǔn)則交付，直接應(yīng)用于中興大橋施工監(jiān)控BIM平臺(tái)。

3.2 BIM應(yīng)用情況

(1)傾斜攝影、虛擬現(xiàn)實(shí)與BIM融合

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新的測(cè)量技術(shù)。它改變了以往航測(cè)遙感影像只能從垂直方向拍攝的局限性[1]，通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從垂直、傾斜不同的角度采集影像[2]，同時(shí)記錄航高、航速、坐標(biāo)等參數(shù)，然后通過(guò)專(zhuān)業(yè)程序?qū)A斜影像進(jìn)行自動(dòng)分析和整理，從而獲得真實(shí)三維影像。本項(xiàng)目在方案階段引入傾斜攝影技術(shù)，利用1臺(tái)旋翼攝影相機(jī)， 2個(gè)工作人員花2天時(shí)間即完成3.0km2的現(xiàn)場(chǎng)拍攝，再利用2天時(shí)間完成自動(dòng)建模，如圖5所示。相比傳統(tǒng)的測(cè)量方法，傾斜攝影不僅能夠真實(shí)地反應(yīng)地物情況[3]，而且無(wú)論是外業(yè)影像拍攝還是內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理效率都大大提高。

傾斜攝影可以構(gòu)建工程的真實(shí)三維場(chǎng)景，輸出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式可與Bentley、歐特克等多種BIM平臺(tái)兼容，直接應(yīng)用于三維場(chǎng)景設(shè)計(jì)。基于數(shù)據(jù)的可量測(cè)性，結(jié)合項(xiàng)目的規(guī)劃條件，利用傾斜攝影可準(zhǔn)確計(jì)算場(chǎng)地平整方量，了解地區(qū)市政配套設(shè)施及房屋動(dòng)遷房分布等信息，通過(guò)多次拍攝掌握?qǐng)龅卦趧?dòng)拆遷期間的動(dòng)態(tài)變化，輔助土地征用決算，如圖6所示。

圖6 傾斜攝影數(shù)據(jù)測(cè)量土地方量

圖7 傾斜攝影與BIM融合

利用我院自主研發(fā)的基于CATIA、面向道路交通設(shè)計(jì)SMEDI-RDBIM系統(tǒng)，快速完成道路中心線的平縱設(shè)計(jì)并生成三維中心線，基于中心線、橫斷面等信息進(jìn)行道路模型的快速創(chuàng)建，一鍵式完成橋梁布跨設(shè)計(jì)以及管線和附屬設(shè)施的設(shè)計(jì)。相比CATIA直接建模，SMEDI-RDBIM系統(tǒng)將道路橋梁及管線的建模效率提高近10倍。

將傾斜攝影真實(shí)三維場(chǎng)景與工程BIM精確模型分別導(dǎo)出.fbx格式，在3ds max平臺(tái)進(jìn)行融合，并將融合后的模型導(dǎo)入U(xiǎn)E4虛擬現(xiàn)實(shí)引擎，通過(guò)分析項(xiàng)目建設(shè)對(duì)周邊環(huán)境的影響確定橋梁方案，如圖7所示。

借助虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，有效解決不同設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)之間的協(xié)同問(wèn)題，同時(shí)優(yōu)選各方意見(jiàn)，綜合景觀效果、工程造價(jià)及實(shí)施條件等多種因素，確定設(shè)計(jì)內(nèi)容。通過(guò)設(shè)計(jì)師和行業(yè)專(zhuān)家的虛擬代入式體驗(yàn)，從合理性和人性化的角度，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，完善交通標(biāo)志、景觀及燈帶等細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，如圖8所示。

(2)VISSIM交通仿真

我院自主研發(fā)了基于VISSIM的交通仿真平臺(tái)，首創(chuàng)基于BIM模型的車(chē)輛路徑快速生成、交通流量自動(dòng)疊加算法，可一鍵式提取CATIA信息、自動(dòng)建立仿真路網(wǎng)模型，完成BIM與交通仿真的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)多維度交通評(píng)價(jià)。

中興大橋原規(guī)劃為雙向8車(chē)道，通過(guò)在交通仿真平臺(tái)中導(dǎo)入路網(wǎng)布設(shè)及道路規(guī)模等信息進(jìn)行交通仿真模擬后發(fā)現(xiàn)，雙向6車(chē)道方案能滿足交通需求。因此推薦主橋采用雙向6車(chē)道方案，比原規(guī)劃8車(chē)道方案節(jié)約造價(jià)約1.2億元，如圖9所示。

圖9 VISSIM交通仿真確定車(chē)道規(guī)模

(3)施工圖設(shè)計(jì)階段BIM設(shè)計(jì)與應(yīng)用

根據(jù)中國(guó)市政行業(yè)BIM標(biāo)準(zhǔn)，在現(xiàn)有IFC基礎(chǔ)架構(gòu)上拓展市政橋梁工程構(gòu)件的常用屬性，深度達(dá)到LOD3等級(jí)。拓展的屬性集和幾何模型能通過(guò)IFC格式跨平臺(tái)傳遞與共享，為BIM的全生命周期應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

利用CATIA鋼結(jié)構(gòu)模塊及鋼筋模塊建立全橋鋼結(jié)構(gòu)及部分混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋的精細(xì)化模型，建模時(shí)保證構(gòu)件命名規(guī)則的統(tǒng)一性，借助參數(shù)化構(gòu)件加快建模速度。利用CATIA報(bào)表功能，精確快速統(tǒng)計(jì)工程量，根據(jù)鋼筋碰撞檢測(cè)結(jié)果調(diào)整鋼筋放樣。

將BIM模型導(dǎo)入到ANSYS有限元分析軟件，不僅省去大量建模工作，而且BIM模型精度更高，計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確。

根據(jù)管線碰撞檢測(cè)結(jié)果，在橋梁施工前實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)狀管線的針對(duì)性排查，提高了管線遷改的效率。

(4)二維出圖

主橋鋼結(jié)構(gòu)出圖采用CATIA中的AITAC二維出圖模塊，通過(guò)定制鋼結(jié)構(gòu)出圖模板，采用三維+二維相結(jié)合的出圖方式，使圖紙表現(xiàn)更豐富、清晰。

自主研發(fā)SMEDI-Para 3D與RADS軟件，并打通與CATIA的數(shù)據(jù)接口，結(jié)合Bridge Wise、管立得等商業(yè)軟件，實(shí)現(xiàn)了道路工程、引橋工程及管線的自動(dòng)化快速出圖。

(5)關(guān)鍵工序模擬

利用CATIA模型進(jìn)行樁基及承臺(tái)施工、主梁邊跨滑移、主塔豎向轉(zhuǎn)體及橋面吊機(jī)懸拼施工等關(guān)鍵工序的模擬，驗(yàn)證施工方案的可行性，并實(shí)時(shí)調(diào)整時(shí)間節(jié)點(diǎn)，統(tǒng)籌安排各項(xiàng)工作。

(6)特大型橋梁施工監(jiān)控BIM平臺(tái)

針對(duì)中興大橋施工工藝復(fù)雜、安裝精度高的特點(diǎn)，專(zhuān)門(mén)定制研發(fā)了國(guó)內(nèi)第一個(gè)特大型橋梁可視化、動(dòng)態(tài)化施工監(jiān)控BIM平臺(tái)，平臺(tái)與BIM設(shè)計(jì)模型可無(wú)縫銜接。

4 總結(jié)

圖10 中興大橋施工監(jiān)控BIM平臺(tái)

中興大橋及接線工程BIM設(shè)計(jì)與應(yīng)用覆蓋方案設(shè)計(jì)到施工過(guò)程的各個(gè)階段。在方案設(shè)計(jì)階段，利用傾斜攝影與BIM模型融合技術(shù)進(jìn)行方案比選，通過(guò)分析工程建設(shè)對(duì)周邊環(huán)境的影響確定最終方案，相比傳統(tǒng)的效果圖形式，由于傾斜攝影三維場(chǎng)景真實(shí)、BIM模型準(zhǔn)確，方案分析結(jié)論價(jià)值更高。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的代入式體驗(yàn)，不僅優(yōu)化了交通標(biāo)志、景觀及燈帶等細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，同時(shí)為建設(shè)各方的交流匯報(bào)提供了新的技術(shù)手段。

通過(guò)本項(xiàng)目全過(guò)程、多專(zhuān)業(yè)的BIM正向設(shè)計(jì)，進(jìn)一步豐富了BIM模型的構(gòu)件庫(kù)； 通過(guò)自主研發(fā)的SMEDI-RDBIM軟件將道路橋梁專(zhuān)業(yè)的建模效率提高了近10倍，通過(guò)自主研發(fā)的SMEDI-Para 3D與RADS軟件，結(jié)合bridge wise、管立得等商業(yè)軟件實(shí)現(xiàn)了道路工程、引橋工程及管線的100%自動(dòng)化快速出圖。

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