王迎彬 李國華 王海峰

（中鐵上海工程局集團建筑工程有限公司，上海 201900）

1 工程概況

1.1 項目簡介

奉節(jié)梅溪河雙線特大橋位于重慶市奉節(jié)縣境內、長江支流梅溪河河口上游 1.5km處，是鄭萬鐵路全線重點控制工程。橋梁全長687.8m，主橋跨度340m，矢高 74m，主拱采用鋼桁勁性骨架外包鋼筋混凝土結構，勁性骨架主弦管為Φ750*24mm鋼管，材質為Q390D，管內灌注 C60自密實無收縮混凝土，拱圈外包C55補償收縮混凝土。拱上11根墩柱、三聯(lián)連續(xù)梁。鄭州端引橋為 2×65mT構連續(xù)梁，萬州端引橋為（44+72+44）m連續(xù)梁+24m簡支梁。工程位置及效果圖如圖1所示。

1.2 工程特點和難點

橋址位置為U字形河谷地貌，自然坡度25～60°，兩岸邊坡陡峭，施工場地狹??；主引橋結構與既有公路、水路、纜索吊機及扣掛系統(tǒng)等臨時設施及復雜地形之間相互交織，給工程施工造成巨大困難。

項目施工工法多、重大危險源多，方案設計復雜，整體施工組織難度大。涉及50m以上超高邊坡深基坑施工，2 616m3大體積混凝土承臺施工，150 t級纜索吊機設計、施工，主橋勁性鋼桁拱架斜拉扣掛懸臂安裝施工，拱圈外包鋼筋混凝土、拱上墩、主橋連續(xù)梁等眾多復雜工藝高空施工。為了更好地進行施工組織、方案設計及項目管理，本項目大力推進BIM技術在施工過程的綜合應用。

圖1 工程位置及效果圖

2 BIM組織與應用環(huán)境

2.1 BIM應用目標

針對奉節(jié)梅溪河雙線特大橋工程建設的特點和難點，應用傾斜攝影技術，實時地完成地形三維建模，生產出地形正射影像圖、高程數(shù)字地形圖等數(shù)字化產品，實現(xiàn)與其它BIM模型的融合應用；使用有限元分析技術，驗證結構的強度及穩(wěn)定性，通過施工過程中現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，反饋到有限元模型調整分析參數(shù)，實現(xiàn)現(xiàn)場安全施工。結合BIM模型的碰撞檢查、優(yōu)化設計、施工工藝模擬、施工進度模擬等功能，直觀展示工程整體現(xiàn)狀、方便完成臨建布置、重難點施工方案設計優(yōu)化，最終達到提高項目施工質量，提高項目安全性、經濟性的目的。

2.2 實施方案

在項目投標階段由公司BIM研究室根據(jù)招標圖紙建立三維模型，模擬重點施工工藝，用于投標算量及外部交流。施工階段，由項目部應用傾斜攝影技術、有限元分析技術與BIM技術融合應用，建立信息更加全面的BIM模型，模擬重點施工工藝，優(yōu)化主體工程施工方案、臨時工程設計及施工方案。生產出二維施工圖紙及其他數(shù)字化三維模型。將BIM應用軟件與平臺軟件相結合，實現(xiàn)施工過程管理。

建模過程中項目部遵循《建筑信息模型應用統(tǒng)一標準》（GB/T51212-2016）、《建筑信息模型施工應用標準》（GB/T51235-2017），并結合本項目特點進行進一步細化及延伸，形成了BIM建模標準、BIM應用標準、BIM交付標準。如圖2所示。

2.3 團隊組織

BIM團隊由公司總工程師親自帶隊，下設公司BIM研究室、項目BIM研究小組，分為土建組、鋼結構組、結構檢算組三個專業(yè)。兩級BIM機構各專業(yè)工程師相互配合，并由外部單位提供軟件技術支持，完成 BIM模型生產、管理及施工現(xiàn)場協(xié)調應用。

2.4 軟硬件環(huán)境

圖2 本項目BIM實施方案

表1 軟件應用情況

項目綜合應用 Bentley ContextCapture、Revit、Tekla、Midas Civil、ABAQUS等BIM應用軟件及廣聯(lián)達BIM5D等平臺軟件。軟件應用情況如表1所示。硬件方面采用圖形工作站，大內存和高性能顯卡的臺式計算機，確保BIM模型生產和數(shù)據(jù)處理的效率。

3 BIM應用

3.1 BIM建模

本項目BIM建模包括特大橋橋址地形地貌、主體土建結構模型、鋼結構模型以及以此衍生出的用于有限元分析的三維實體地形模型、臨時結構有限元模型等。根據(jù)BIM應用相關專業(yè)和任務的需要，參照建模標準創(chuàng)建滿足深化設計、施工過程控制精度的模型。利用傾斜攝影技術建立厘米級精度的橋址地形地貌三維模型；按照參數(shù)化建模思想建立橋梁主體鋼筋混凝土結構模型、鋼結構模型，方便模型修改；有限元分析模型確保與工程實體實際受力情況一致，并盡可能詳細地反應出結構細節(jié)及受力特征。

3.2 BIM應用情況

（1）傾斜攝影技術的融合應用

傾斜攝影技術是近十幾年發(fā)展起來的一項高新技術，該技術從不同視角采集數(shù)字影像[1]。采集到的數(shù)字影像同時記錄了飛行器的空間坐標信息及飛行姿態(tài)信息，然后通過Agisoft Photoscan、Bentley Context Capture等專業(yè)軟件對傾斜攝影獲取的多角度影像進行加工，經過幾何校正、聯(lián)合平差等一系列運算得到帶有高程的稠密的點云數(shù)據(jù)，抽稀后構建一張連續(xù)的TIN三角網，最后把拍攝的高分影像貼到三角網上，得到傾斜攝影模型。自動化是當代數(shù)字攝影技術最突出的特點[2]，與傳統(tǒng)攝影測量相比，傾斜攝影不僅能夠真實地反應地物情況[3]，而且無論是外業(yè)影像拍攝還是內業(yè)數(shù)據(jù)處理效率都大大提高。本項目引入傾斜攝影技術，利用1臺旋翼無人機搭載攝影相機，1個工作人員花費2天時間即可完成橋址位置 1km2的現(xiàn)場拍攝及自動建模工作。如圖3所示。

圖3 傾斜攝影影像獲取與處理

圖4 三維空間放線

圖5 傾斜攝影數(shù)字化地形圖

圖6 傾斜攝影模型在其他軟件建模中的應用

圖7 邊坡地質模型

圖8 邊坡二級開挖位移有限元分析

利用傾斜攝影技術獲得正射影像圖，讀取和標記圖上的坐標位置，實現(xiàn)臨建規(guī)劃布置由二維平面圖紙放線轉變?yōu)檎渫队暗貓D放線，如圖4。方案設計人員可以更直觀地了解施工點的地形地貌情況，方便完成臨建規(guī)劃，有效組織現(xiàn)場施工。

通過傾斜攝影技術獲得橋址各位置的坐標信息、尺寸信息，減少了大量高危險的測量工作，也為后續(xù)測量收方工作提供了詳實的數(shù)據(jù)信息。如圖5所示。

傾斜攝影輸出的點云格式文件、網格及貼圖文件格式可以與Autodesk多種BIM平臺兼容，直接應用于三維場景設計。圖6為傾斜攝影模型在其他軟件建模中的應用。

利用傾斜攝影地形文件及橋址地質信息準確地重構三維地形實體模型，導入Abaqus軟件進行有限元分析，分析超高邊坡開挖過程中的結構的位移及穩(wěn)定性，實現(xiàn)傾斜攝影技術與有限元分析技術的結合應用。如圖7、圖8所示。

（2）BIM三維設計與有限元分析結合應用

奉節(jié)梅溪河雙線特大橋主拱勁性鋼桁骨架采用纜索吊裝—斜拉扣掛懸臂拼裝方案施工。纜索吊系統(tǒng)、斜拉扣掛系統(tǒng)的設計和施工是項目關鍵環(huán)節(jié)。采用BIM三維設計與有限元分析相結合的手段進行方案設計及優(yōu)化。根據(jù)工程特點和設計經驗，使用Revit軟件建立了三種系統(tǒng)基本結構形式，直觀地反應系統(tǒng)中眾多基礎、塔架、纜索、扣索與橋梁主體結構的位置關系。此時建立的模型達到施工圖設計模型細度，根據(jù)結構和施工順序的不同對模型拆分，建立的比選模型（如圖9所示）包含主要結構的幾何尺寸、材質和工程數(shù)量信息。在保證總體工期的基礎上，綜合考慮地形限制、材料用量、吊機覆蓋范圍等因素，以主橋、引橋平行施工互不干涉為原則，最終選擇 c方案用于工程施工，綜合減少工期近40天。

對初選出的方案進行碰撞檢查及結構細化（如圖10），形成深化設計模型。此時的模型與施工圖設計模型相比增加預埋件、節(jié)點板、加勁板、螺栓、預留孔洞等的位置及尺寸信息，鋼構件的編號信息等非幾何信息。在進行深化設計的同時，利用現(xiàn)有模型，對纜索吊系統(tǒng)不同施工工況下的結構強度及穩(wěn)定性進行有限元分析；模擬 32個主拱勁性鋼桁骨架節(jié)段對稱安裝及扣掛張拉過程，計算斜拉扣掛系統(tǒng)及各節(jié)段的結構強度、位移和穩(wěn)定性，確保每節(jié)段張拉完成時最大豎向位移為±10mm，如圖11所示。

圖9 纜索吊裝—斜拉扣掛系統(tǒng)方案模型

圖10 纜索吊裝-斜拉扣掛系統(tǒng)深化設計模型

圖11 斜拉扣掛系統(tǒng)有限元分析

圖12 鋼結構加工過程中BIM應用流程

圖13 施工進度模擬和資源曲線

（3）鋼結構加工中的BIM技術應用

奉節(jié)梅溪河雙線特大橋主拱勁性鋼桁骨架具有復雜的空間曲線設計，僅僅通過二維圖紙很難準確地表達各構件之間的空間位置關系，滿足鋼結構加工和安裝施工要求。項目部利用BIM技術輔助鋼結構加工，建立精細化模型，完成碰撞檢查、圖紙深化設計、加工制造、拼裝模擬等生產關鍵工序，應用流程如圖12所示。

（4）BIM平臺軟件應用—施工進度模擬及校核跟蹤

將施工計劃及各專業(yè)三維模型導入廣聯(lián)達 BIM5D平臺，實現(xiàn)對項目進度、物資、成本等方面管理，如圖13所示。通過施工進度模擬，分析計劃的可行性，形象的展示現(xiàn)場的施工進度，更直觀地顯示工作面的工作情況。

通過施工模擬，提前進行工期預警，根據(jù)統(tǒng)計出的滯后工程量的具體內容進行人工工效分析，查看相對應的工料機安排是否合理。通過BIM技術應用，優(yōu)化流水作業(yè)的人員、機械配置，保證關鍵路線施工的嚴謹性。

4 應用效果

（1）開拓方案設計思路，提高項目管理效益

多專業(yè)數(shù)字化協(xié)同設計提高綜合設計效率約20%，出圖效率50%以上；傾斜攝影與BIM模型的綜合應用提高了方案論證決策效率，也減少了現(xiàn)場高危場所測量工作量；BIM軟件對結構的計算優(yōu)化提高了施工安全性；下料優(yōu)化預計減少用鋼量約1.5%，節(jié)約鋼材30t；BIM輔助完成臨時結構設計規(guī)劃，施工組織，預計減少工期40天。

（2）提升項目管理水平

完善了企業(yè)內部的BIM應用方案和應用標準，提高了BIM應用的規(guī)范性和系統(tǒng)性；通過模型與信息數(shù)據(jù)的整合，將現(xiàn)場實際施工質量、安全、進度、成本等信息與模型關聯(lián)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)安全、共享和可追溯；BIM技術的應用使現(xiàn)場管理前置，實現(xiàn)項目運作提前籌劃。提高了項目的綜合管理水平。

（3）培養(yǎng)BIM技術人才

項目部人員普遍形成了建筑信息化施工思想；團隊成員掌握了相關BIM技術軟硬件的應用方法，在軟件集成應用、BIM全流程應用方面積累了經驗。

5 總結

鄭萬鐵路奉節(jié)梅溪河雙線特大橋項目大力推行 BIM技術綜合應用，覆蓋方案設計到施工過程的各個階段。

利用傾斜攝影模型的空間放樣功能，與BIM模型融合，完成臨建規(guī)劃和施工組織規(guī)劃；真實的三維場景與準確的空間位置信息提高了方案論證的效率和結果的準確性。為建設各方的交流提供了新的技術手段。

利用傾斜攝影的點云模型與地質數(shù)據(jù)，建立了三維實體地形模型，與有限元分析技術融合應用，模擬了復雜地質情況下超高邊坡開挖過程邊坡的位移及穩(wěn)定性，為三維邊坡有限元分析提供了更加準確的模型。

臨時結構BIM三維設計與有限元分析技術的結合應用，形成了一套從方案比選到方案優(yōu)化，再到方案實施的全流程BIM技術應用思路。大大縮短了方案設計周期，提高了施工安全性。

總結形成了鋼結構精細化建模、模型深化設計、二維出圖加工、拼裝模擬等一體化應用流程。

BIM技術在奉節(jié)梅溪河雙線特大橋項目的綜合應用取得了良好的效果，積累了寶貴的經驗。公司將不斷推進BIM技術的綜合應用研究，并在現(xiàn)場數(shù)據(jù)智能化采集、信息化技術與BIM技術結合應用等方面開展進一步深入研究。