徐旭東 李健

摘要：橋梁工程構造日漸復雜，虛擬施工技術成為解決施工難點的有效手段。結合BIM技術數(shù)模統(tǒng)一、動態(tài)集成的優(yōu)勢，，探討基于BIM虛擬施工技術理論框架，在BIM施工可視化分析軟件平臺上，利用虛擬施工軟件進行4D虛擬施工。橋梁結構復雜程度大，造價成本高，建筑周期長，因此傳統(tǒng)粗放型橋梁工程管理已經不能夠滿足現(xiàn)今橋梁工程建設要求，急需借助BIM虛擬技術實現(xiàn)橋梁建設各個環(huán)節(jié)的施工信息共享，為項目施工工程的順利開展奠定信息化基礎?；诖?，文章以文獻對比法和案例分析法，以某大橋為工程案例，重點探究了BIM虛擬技術在橋梁工程中的應用，從BIM模型建立、施工項目管理等方向進行深入研究，為相關領域技術研究人員提供一定理論參考。

關鍵詞：BIM虛擬施工技術;橋梁工程;BIM模型;施工管理

中圖分類號：U445.4;TP39

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）07-0184-05

0引言

社會經濟不斷發(fā)展，推動了橋梁建設事業(yè)往更高技術應用水平進步。如今信息技術在各行業(yè)滲透，如建筑業(yè)中的公路市政行業(yè)，對BIM技術進行了深人探索，尤其在施工階段，可利用BIM施工技術實現(xiàn)各階段的的協(xié)同作業(yè)，為滿足BIM技術在橋梁建設工程中的高效應用，需求一種創(chuàng)新形式的工程管理模式，以滿足復雜施工環(huán)境條件下的橋梁施工技術的正常開展。尤其在橋梁工程施工之前，借助BIM虛擬技術，對橋梁工程項目施工技術應用進行全過程模擬，尤其針對復雜橋梁施工環(huán)境中存在的問題進行一解析，為施工方案的進一步創(chuàng)新優(yōu)化提供直觀參考依據(jù)，同時也消除施工階段的安全隱患，節(jié)省項目施工成本及周期，對實現(xiàn)橋梁工程施工技術的高效開展具有重要理論和實踐指導意義義。本文以BIM虛擬施工技術為研究重點，對其在橋梁施工中的應用進行探究，以實現(xiàn)對橋梁結構設計、工程施工組織等建設過程的控制，保障項目施工質量、進度、安全、成本管理目標的實現(xiàn)。

1研究理論基礎

1.1虛擬施工技術

借助數(shù)字化、可視化方法，將項目施工的過程進行虛擬演練，主要實現(xiàn)對虛擬現(xiàn)實、結構仿真、施工模擬技術的有效開發(fā)與運用。虛擬施工技術以計算機協(xié)同作業(yè)為基礎，構建全面施工模擬系統(tǒng)，對施工技術應用過程總中發(fā)現(xiàn)的問題進行分析，從而可實現(xiàn)在不消耗現(xiàn)場施工人力、物力資源的基礎上，借助計算機技術，對風險進行一排除，并形成直觀性更強的三維動態(tài)管理模型，實現(xiàn)建筑項目施工過程中的事前控制及動態(tài)化管理[2]。

建筑領域中，對于某些大型建筑，如橋梁項目，已經開展了施工過程中的建模模擬作業(yè)，但是只是以形成動畫的模式，對整個項目施工流程進行模擬展示，但并沒有對所建模型的虛擬施工結果進行分析，因此對造成的虛擬施工存在的問題，仍需要不斷的改進應用。

1.2基于BIM的虛擬施工技術

BIM技術以三維數(shù)字化技術為依托，將建筑項目全過程管理中的關鍵信息技術進行有效結合，以實現(xiàn)工程項目管理領域中各實體功能性的有效集成與管理，可通過建筑項目實施的各個環(huán)節(jié)，對不同專業(yè)領域下的施工技術信息進行有效集成，并有選擇的進行信息共享，最終可形成基于一定形式的實時動態(tài)管理與分析。林佳銳等研究人員，根據(jù)BIM模型的建立過程，將橋梁項目建設所形成的離散事件進行仿真分析，并詳細介紹了仿真模型之間的異同，構建了離散事件仿真過程中的轉換分析方法，并將離散事件中的模擬退火算法進行區(qū)分，實現(xiàn)進度資源管理的均衡發(fā)展”。本文將依托BIM技術與虛擬施工技術之間的關聯(lián)性，構建結合施工可視化分析為主的虛擬施工技術應用平臺，并將可視化的軟件平臺處理信息進行優(yōu)化，搭建3D橋梁信息處理模型，可通過信息的集成、數(shù)據(jù)的合理、數(shù)字化信息的共享等渠道，將項目建設的現(xiàn)場場地資源信息、施工技術應用信息、施工驗收階段的處理信息進行集成，構建4D虛擬施工模型，優(yōu)化建設項目施工流程。在以橋梁4D施工模型建設的基礎上，項目施工計劃的制定中，可實現(xiàn)5D資源的成本控制質量的提高，以施工順序及施工流程為主，實現(xiàn)施工信息、施工設備及施工場地的提前布置，以形成可視化信息管理為主體，實現(xiàn)施工過程中勞務、物質資源、成本管理等各種項目管理信息的動態(tài)化管理目標的構建與實現(xiàn)[4]。

2基于BIM虛擬施工技術在橋梁建設工程中的應用

2.1橋梁工程建設的難點分析

作為基礎工程之一，橋梁工程建造形式多樣，主要包含有梁式橋、懸索橋、拱式橋和斜拉橋等多種類型，由于橋梁大都建設在惡劣、較為復雜環(huán)境中，因此項目設計、施工及后續(xù)驗收等環(huán)節(jié)存在較多問題，再加上當前橋梁項目呈現(xiàn)出施工技術復雜化、結構樣式多樣化等特征，造成橋梁結構的構件存在較多復雜性。對于不同種類建筑結構形式的橋梁來說，在施工環(huán)境較為惡劣的條件下，橋梁項目施工技術方案的應用難度逐步增大，造成項目施工管理要求不斷提升。橋梁項目施工的過程中，不僅施工技術單一化，且施工環(huán)境呈現(xiàn)出無重復性的特點，這造成橋梁工程施工技術方案的制定及落實應用較為困難。實際施工過程中，由于橋梁工程施工質量及各施工階段的質量管理較為嚴格，容易造成施工延期、造價成本提升等現(xiàn)象發(fā)生。除此之外，在橋梁工程建設的過程中，往往涉及到大量的預制結構構件，預制構件生成后再運輸?shù)巾椖渴┕がF(xiàn)場進行安裝，這不僅對施工技術應用流程標準化實施造成一定困難，同時對橋梁結構構件尺寸的核對、施工造價成本也會造成一定影響。

2.2BIM虛擬施工技術應用基礎

2.2.1基于BIM技術的應用平臺開發(fā)

1）云平臺技術支持下的遠程協(xié)同辦公管理

BIM在云技術的支持下可實現(xiàn)跨專業(yè)、跨企業(yè)應用，并通過構建系統(tǒng)化的BIM技術應用平臺，實現(xiàn)基于互聯(lián)網技術為支撐的多方協(xié)同管理作業(yè)體系，為實現(xiàn)BIM虛擬施工技術的合理使用提供理論和技術支撐。在橋梁建設現(xiàn)場，所有的基站都放置一定數(shù)量的中心機房，BIM模型數(shù)據(jù)及BIM相關部署管理工作都要在中心工作站中不斷管理運行，其中外部電腦系統(tǒng)需要在網頁許可的范圍內進行云端數(shù)據(jù)模型的構建，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效分析，為BIM虛擬施工技術的可操作性提供一定理論支撐！。云端結合硬件資源，將圖形信息及計算機數(shù)據(jù)處理功能進行分析，不僅能夠加快數(shù)據(jù)計算與分析技術的實現(xiàn)，同時能夠對硬件處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源進行整合分享。最后，選擇使用網絡數(shù)據(jù)處理的方式，實現(xiàn).BIM用戶信息的共享式傳遞，以保證用戶能夠借助計算機數(shù)據(jù)的處理能力，實現(xiàn)BIM虛擬施工技術應用中數(shù)據(jù)資源的高效化利用，降低數(shù)據(jù)處理成本和硬件系統(tǒng)管理維護成本，云平臺協(xié)助作業(yè)框架如下圖1所示。

2）以構件為基礎的實時信息的更新

大數(shù)據(jù)時代，“互聯(lián)網+BIM”技術已經成為建筑行業(yè)領域的主體技術之一，以創(chuàng)建多維建筑結構化工廠數(shù)據(jù)模型為基礎，將數(shù)據(jù)處理信息、數(shù)據(jù)共享機制等進行構件級分析，從而為項目數(shù)據(jù)收集、處理及分享進行平臺化的數(shù)據(jù)承載，基于數(shù)據(jù)的共享可實現(xiàn)建筑管理信息的相互協(xié)調，以BIM虛擬施工技術為核心，對施工過程中遇到的相關問題進行預測，不僅能夠依據(jù)問題反饋進行數(shù)據(jù)處理的優(yōu)化，同時能夠對施工前期制定的建筑模型進行標準化應用，其中主要包含建筑規(guī)則、拆分原則等，并結合模型及施工現(xiàn)場中的無縫銜接，促進和保障建筑構件結構的分項式管理。

3基于BIM技術的橋梁虛擬施工技術應用

3.1基于BIM的信息虛擬化模型構建（以風荷載為例）

3.1.1橋梁項目施工模型的建立步驟

BIM技術支持下的施工模擬系統(tǒng)都為可視化操作，由于物理模型引擎的建立與圖像組件的分析之間是相互獨立的，其為用戶提供了較為豐富、可行性較高的模擬環(huán)境及使用功能模塊，并在可視化環(huán)境中實現(xiàn)建筑信息對稱的模型信息的相對運動，此類模塊的分析，主要以物理計算代碼的應用為主，可實現(xiàn)虛擬仿真系統(tǒng)技術的物理應用。Revit所創(chuàng)建的物體模型結構所包含的基礎信息中，主要以物理屬性為核心，不僅在Unity3D中帶有強大的物理引擎功能，同時可構建剛體組合，為創(chuàng)建新型物體構建所包含的物理屬性，如質量、重力、摩擦及摩擦系數(shù)等，在物體受力作用的基礎上，實現(xiàn)物理應用效果的模擬，為添加物理材質，實現(xiàn)對物體模擬效果的可視化，具有真實有效的特征。橋梁項目施工模型的建立步驟流程圖如下圖2所示。

3.1.2風場模擬

1）基本風速計算

本研究中以6級風為研究對象進行計算，其中6級風的基本風速中數(shù)值為12m/s，此風速值為距離水平面10處的風速取值范圍。

從局部風的豎直變化情況看，變化程度復雜程度越大，風的變化方向及變化時間也越大，當前在橋梁工程中，常用的風隨高度變化的計算公式主要包含對數(shù)律公式、指數(shù)律公式，其中，指數(shù)律公式主要以描述風速度剖面為主，應用更加便利化[7]。

其中，V，為基準高度Zm處的風速值，單位為m/s;Z為橋梁主跨橋面結構距離水面高度值，單位為Im;指地表面粗糙程度系數(shù)，其具體取值見下表1;Vz為基準高度Zm處的風速值，單位為m/s。

2）靜陣風荷載計算分析

依據(jù)《公路橋梁抗風設計規(guī)范》的相關規(guī)定，對風靜力荷載進行有效計算，其中靜陣風的風速要按照公式（2）計算分析。

其中，式（2）中的各項系數(shù)的具體含義如下：

V.為靜陣風風速，單位為m/s;Gv為指靜力風系數(shù);V，為在基準風高度Z處的風速值，單位為m/s。

在橋梁的橫向上，主要考慮橋梁結構的桁架體系，如遮擋系數(shù)，在橫向風荷載的作用上，單位長度上的橫向靜陣風荷載計算應用如（3）公式所示：

其中，F(xiàn)H為以作用在單位梁長度上的靜陣風荷載，單位N/m;p為空氣密度，單位Kg/m'，值為1.25;Ca為主梁結構的阻力系數(shù);H為主梁高度，單位為m。

3.2基于BIM虛擬施工技術的施工組織優(yōu)化分析

3.2.1基于BIM技術的施工方案設計

橋梁工程建設流程及施工技術方案制定的流程較為復雜，如果施工方案設計不合理、不科學，會對后續(xù)橋梁工程的實施效率、工程質量及工期造成一定程序的限制，例如項目施工過程中，部分施工方法、施工機械設備等無法滿足施工具體要求，則需要更換相關設計方案，不僅會造成設計進步的延誤，同時也會導致施工造價成本的增加。因此，在橋梁工程施工技術方案驗證分析的過程中，需可續(xù)利用BIM軟件，對施工方案進行可行性分析，以備后期施工現(xiàn)場中進行驗證。在施工機械設備的選擇過程中，需要根據(jù)合適.的機械設備，對施工方案設計的內容進行分析，以軟件平臺搭建的動態(tài)模擬系統(tǒng)為主，將施工工序進行科學合理的設定，并對施工技術方案進行反復模擬優(yōu)化。

3.2.2基于BIM的施工進度優(yōu)化

針對橋梁工程項目管理中的質量和進度兩者實施的目標來看，按照進度優(yōu)化的模式，不僅能夠實現(xiàn)工程實施進度的順利，同時也能夠保證施工工期能夠在合理的預定范圍內得到保證，因此控制工程質量和工程成本的優(yōu)化。橋梁工程施工進度計劃的控制，需要以施工進度為主要依據(jù)，同時要依據(jù)編制的分階段施工計劃和各項資源配置管理計劃為依據(jù)，構建可行性的施工進度優(yōu)化方案。

3.3橋梁施工質量管理

基于BIM虛擬施工技術的橋梁項目來說，在施工質量管理的過程中，可通過建立數(shù)據(jù)參數(shù)化模型的方式，針對施工技術方案，制定合理有效的施工過程模擬方案，并對施工現(xiàn)場信息進行高效收錄，以此保證施工技術質量及其施工管理的內容具有“可視化”[8]基于BIM虛擬施工技術的橋梁施工質量管理整體應用基本框架如圖3所示。

4工程案例

某大橋項目為當?shù)刂攸c工程項目之一，橋跨全長1.02km，主橋結構尺寸：100m+160m+100m，主橋結構形式為預應力變截面連續(xù)箱梁。此大橋建成后對于連接和貫通城市東西部交通具有重要戰(zhàn)略意義，大橋建成后整體效果圖如圖4所示。

4.1某大橋BIM虛擬施工應用平臺搭建

基于BIM3D、4D模型平臺，將橋梁工程建設過程中的模型平臺通過系統(tǒng)接口、平臺數(shù)據(jù)管理接口進行雙接口雙向連接，從而可實現(xiàn)基于BIM虛擬施工技術的施工全過程信息數(shù)據(jù)的共享。

例如，構件標準化建模，將大橋的幾何模型進行拆分為主橋、引橋、現(xiàn)場施工場地等重點部分，可依據(jù)項目合同編號、分部及分項工程進行構件編碼的定義與命名。這樣可保證橋梁工程施工中，對應單體構件能夠通過唯一對應編碼及時找到。

主橋和引橋模型的構建。針對主橋整體模型、主橋的現(xiàn)澆段、鋼腹板模型結構等需要借助BIM模型，如利用Revit和Civil3D軟件，構建基于地理為主為基礎的大橋周邊建設環(huán)境，如道路綠化、河流等主元素。主橋整體模型如圖5所示，主橋，上部結構模型如圖6所示。

4.2基于BIM虛擬施工技術的大橋預制構件模型應用4.2.1鋼筋模型深化應用

針對大橋主橋0#塊鋼筋混凝土結構，建立如圖7所示的鋼筋BIM深化模型。

4.2.2保護層厚度的控制

以revit軟件為主，對選定的0#塊鋼筋構件的外部尺寸中鋼筋保護層的厚度進行設計，在對選定的鋼筋進行碰撞試驗，以確保達到保護層厚度的有效控制。

4.2.3鋼腹板BIM模型建立的深化應用

大橋鋼腹板施工具有施工復雜、施工技術難等問題，因此創(chuàng)建每一塊的鋼腹板三維模型都需要對每一塊鋼腹板進行精確化的編碼，如二維碼的識別，并將鋼腹板尺寸及材料需求信息發(fā)送給預制廠商，實現(xiàn)設計、制造、安裝的一體化作業(yè)。

5結語

基于BIM虛擬施工技術在橋梁項目建設項目中的應用，不僅可實現(xiàn)施工安全風險的預估、可控，同時能夠對施工技術方案進行優(yōu)化，減少施工造價成本，提升項目施工的效率，為開辟新的橋梁施工技術方案奠定堅實基礎。文章針對BIM虛擬施工技術理論內容，分別從施工技術方案的應用，數(shù)字化虛擬平臺的搭建及工程案例應用等方面深入探究，為構建可行性度高的BIM虛擬施工技術方案在橋梁工程中的應用提供理論和實踐參考。

參考文獻

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