蔣平江，楊 凱，曾紹武，王明強

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)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(lǐng)域率先在房屋建筑工程、地鐵車站等項目中運用BIM技術(shù)進行碰撞檢查，管線綜合優(yōu)化與深化各專業(yè)設(shè)計，取得了良好的應(yīng)用效果。中鐵一局西安某綜合樓建造過程中運用BIM技術(shù)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(shè)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(shù)核查出設(shè)計院漏算混凝土321 m3，鋼筋36t，依據(jù)BIM技術(shù)和第三方計量機構(gòu)出具的數(shù)據(jù)，經(jīng)監(jiān)理與設(shè)計院確認，向業(yè)主申請增加設(shè)計變更費用246萬元[2]。在橋梁施工管理領(lǐng)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(yù)應(yīng)力管道沖突的方法，針對公路40 m標(biāo)準(zhǔn)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(yù)應(yīng)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(shù)，對鐵路車站異型梁下高大復(fù)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(shè)備數(shù)據(jù)管理為研究載體，探索運用BIM技術(shù)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(fù)雜的提籃拱橋智慧建造和智能化管理提供BIM技術(shù)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(yīng)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(shù)改善斜拉橋等特殊橋梁的設(shè)計質(zhì)量，提高設(shè)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(xué)等通過分析橋梁工程設(shè)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(shè)計和施工優(yōu)化解決方案[11]。劉智敏等利用BIM技術(shù)對塞拉利昂公路中的一座橋梁在設(shè)計階段的應(yīng)用進行研究，為BIM技術(shù)在橋梁工程設(shè)計和全生命周期維護方面的應(yīng)用及推廣積累了經(jīng)驗[12]。為了進一步總結(jié)成功經(jīng)驗，挖掘BIM新的應(yīng)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(shù)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(gòu)+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(shù)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(biāo)準(zhǔn)高，工期緊，施工過程復(fù)雜，難度大，給項目管理帶來一定的挑戰(zhàn)。運用BIM技術(shù)主要解決以下關(guān)鍵問題。

第一，由于大橋最深設(shè)計樁長達到65 m，穿越了不同地層地質(zhì)，運用BIM技術(shù)建立詳盡的三維地質(zhì)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(zhì)變化情況，為不同樁位處深基礎(chǔ)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(chǔ)工程的順利進展。

第二，運用BIM技術(shù)精細化構(gòu)建內(nèi)部鋼筋模型、鋼結(jié)構(gòu)模型、預(yù)應(yīng)力管道模型、冷卻水管模型，為內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間結(jié)果的碰撞檢查提供技術(shù)支持，為避免預(yù)應(yīng)力管道與鋼筋的沖突，鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋的沖突，冷卻水管與鋼筋的沖突尋找預(yù)案。

第三，運用BIM技術(shù)對117 m高墩關(guān)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(shù)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(shù)交底，確?？刂菩躁P(guān)鍵工序的有序推進；

第四，運用DELMIA進行人體工學(xué)仿真分析，對高墩臨時施工安全結(jié)構(gòu)進行模擬，對高墩混凝土澆筑風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)化，管理精細化，運用BIM技術(shù)預(yù)先研究施工方案的可行性，分析物資、設(shè)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(shù)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(zhì)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(gòu)建

BIM建模軟件的正確選用對于BIM技術(shù)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(shù)的原因，合理選用、配置相關(guān)的BIM系列軟件實現(xiàn)技術(shù)目標(biāo)與管理目標(biāo)。

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(yīng)用價值點，尤其是其基于云技術(shù)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(jié)構(gòu)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(lǐng)域的工廠設(shè)計，也能解決市政、水利、橋梁、道路等交通運輸工程領(lǐng)域BIM應(yīng)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(dān)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(chǔ)建模軟件CATIA強大，能夠?qū)崿F(xiàn)空間線形復(fù)雜的任何結(jié)構(gòu)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(fù)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(jié)構(gòu)形狀相似的墩臺、主梁可以采用參數(shù)設(shè)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(guān)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(shù)服務(wù)項目中的應(yīng)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(gòu)建

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

(1)地質(zhì)BIM模型構(gòu)建

利用CATIA建立地質(zhì)BIM模型，將設(shè)計院提供的地表點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入，由點構(gòu)成線，由線構(gòu)成面，形成地質(zhì)分層表面，如圖2所示。然后根據(jù)設(shè)計院提供的地質(zhì)勘查報告，獲取各地質(zhì)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(zhì)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(zhì)BIM模型

(2)全橋BIM模型構(gòu)建

金沙江雙線特大橋BIM模型的構(gòu)建，嚴格按照設(shè)計院給定的點位高程進行，與設(shè)計尺寸呈1∶1的真實比例關(guān)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(yīng)的位置精確定位構(gòu)建橋梁，最后在已經(jīng)建立好的地質(zhì)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(gòu)建

根據(jù)橋梁構(gòu)件細部鋼筋圖、構(gòu)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(chǔ)。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(gòu)建

構(gòu)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(chǔ)。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(shù)應(yīng)用夯實基礎(chǔ)，BIM模型的豐富程度、精準(zhǔn)程度在一定程度上決定著BIM技術(shù)服務(wù)項目是否能夠取得成功。

3 BIM技術(shù)在金沙江雙線特大橋施工中的應(yīng)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(gòu)建橋梁地質(zhì)、主要構(gòu)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(shù)交底、4D施工進度模擬、碰撞檢查、關(guān)鍵施工工藝仿真、安全風(fēng)險預(yù)警等方面入手，深入研究BIM技術(shù)應(yīng)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(shù)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(xué)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(shè)計樁長普遍較深的客觀現(xiàn)狀，而地層地質(zhì)變化較為復(fù)雜，采用BIM技術(shù)較為準(zhǔn)確地構(gòu)建地質(zhì)結(jié)構(gòu)分層模型，可以提前相對精確地獲取地層地質(zhì)分布的厚度與深度信息，對于不同地質(zhì)情形做出應(yīng)對預(yù)案，針對地質(zhì)堅硬打樁困難區(qū)段，原則上選用沖擊鉆成孔，對于地質(zhì)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(shù)建立詳盡的三維地質(zhì)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(shù)人員全面有效掌握地質(zhì)變化情況，為不同樁位處深基礎(chǔ)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(chǔ)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(gòu)建橋梁三維施工模型，既可以直觀展示橋梁的整體結(jié)構(gòu)，又可以檢查設(shè)計圖紙存在的問題，建模的過程就是將二維施工圖紙轉(zhuǎn)化成三維BIM模型，在此過程中相當(dāng)于將設(shè)計圖紙尺寸嚴格復(fù)核一遍，可以直觀簡單查找出設(shè)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(shè)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(shè)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(biāo)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(shè)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(shè)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(shè)計院提交設(shè)計變更，為項目部追加了設(shè)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(shù)交底

三維技術(shù)交底相對于傳統(tǒng)的二維技術(shù)交底，更加形式直觀，提高了技術(shù)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(biāo)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(shù)交底工作。

圖11 18號橋墩墩身空心段鋼筋排布BIM三維技術(shù)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(gòu)件與相應(yīng)的施工進度計劃安排關(guān)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(shù)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(yù)估施工高峰期和關(guān)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(shè)備。

如圖12～圖14所示，其圖左側(cè)為施工進度時間安排甘特圖，圖右側(cè)為動態(tài)生成BIM模型進展過程，圖右下側(cè)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(shù)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(xué)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(shè)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(jié)構(gòu)較為單一，對于橋梁結(jié)構(gòu)的碰撞檢查，一般是指橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋混凝土或者鋼結(jié)構(gòu)與預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(gòu)件的空間位置，相對次要構(gòu)件為其讓出空間位置。在預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土0號塊箱梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yīng)為承擔(dān)力學(xué)任務(wù)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(guān)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(zhǔn)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(shù)交底，提供現(xiàn)場操作的動態(tài)指導(dǎo)，實現(xiàn)了施工技術(shù)交底的直觀化和生動化，提高工程師與工人之間技術(shù)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(yù)埋的構(gòu)件(如檢查梯、吊圍欄滑漕，電梯、輸送管和塔吊固定預(yù)埋件等)以及預(yù)埋件與墩身鋼筋、預(yù)埋件位置與洞身通風(fēng)孔及模板拉筋之間的空間位置關(guān)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(shè)預(yù)埋件與管道。

圖17 高墩模板安裝模擬仿真

3.7 安全風(fēng)險預(yù)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(shù)對工地相應(yīng)危險源進行分析，對施工現(xiàn)場存在的安全風(fēng)險進行預(yù)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(shè)計平臺寬度較窄，操作困難且有墜落的風(fēng)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(cè)為整改前支架寬度為40 cm，此時利用人體工學(xué)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(cè)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(xué)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(shù)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(dǎo)，保證人員處在安全區(qū)域。圖19的左半側(cè)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(yù)知那個區(qū)域存在極大的安全隱患和風(fēng)險，通過圖19右半側(cè)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(cè)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(fēng)不規(guī)則擺動將會碰傷該工人，而圖19右半側(cè)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(shù)管理人員播放演示預(yù)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(shù)人員的印象更加深刻，教育效果更好。

4 結(jié)語

通過運用BIM技術(shù)在金沙江雙線特大橋項目進行施工過程安全、質(zhì)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(shè)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(shù)進行了三維交底、危險源辨識、安全風(fēng)險管理，取得了良好的應(yīng)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(yīng)用等內(nèi)容。