周 楓 余文成，2 劉均利，2

(1.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，桂林 541004； 2.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，桂林 541004)

引言

BIM技術(shù)的核心是以二維圖紙為基礎(chǔ)，使用三維建模軟件建立虛擬的三維立體化模型，利用數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目的可視化效果[1-2]。隨著近些年來我國建筑行業(yè)的發(fā)展，BIM技術(shù)在房屋建設(shè)，大型建筑以及車站隧道中得到了充分的應(yīng)用[3-4]，如在國家速滑館建設(shè)工程中，使用BIM技術(shù)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行精細(xì)化編碼，提高施工效率，縮短施工工期； 還有在成都地鐵8號(hào)線的建設(shè)中，運(yùn)用BIM的三維模型解決了管線的交叉以及線路優(yōu)化問題，實(shí)現(xiàn)了資源的高效利用[5]。根據(jù)房屋建設(shè)與車站隧道等方面的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，BIM技術(shù)在橋梁中的應(yīng)用也得到了大力的發(fā)展，國內(nèi)橋梁建設(shè)行業(yè)的大公司也相繼的推廣BIM技術(shù)，讓人不難想到BIM技術(shù)將會(huì)引發(fā)一場(chǎng)建筑行業(yè)的技術(shù)革命[6-8]。在橋梁施工過程中，經(jīng)常能遇到預(yù)制構(gòu)件過多，施工工藝復(fù)雜，人員管理不協(xié)調(diào)等問題，因此需要對(duì)項(xiàng)目施工不斷的進(jìn)行優(yōu)化[9]，根據(jù)BIM三維模型和項(xiàng)目施工信息，可以對(duì)施工工序、施工進(jìn)度、施工安排等進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的問題，從而進(jìn)行方案的修改與變更[10]。采用BIM技術(shù)可以優(yōu)化施工組織方案與施工工藝，落實(shí)質(zhì)量與安全保障措施，提高溝通、管理、資金等資源配置效率，節(jié)約時(shí)間，降低經(jīng)濟(jì)成本[11]。本文以培森柳江特大橋項(xiàng)目為例，將BIM技術(shù)應(yīng)用在該項(xiàng)目施工的眾多階段，從樁基方案處理、施工場(chǎng)地布置、碰撞檢測(cè)、工程量校核、施工進(jìn)度模擬等方面進(jìn)行了應(yīng)用研究，從而對(duì)該橋梁項(xiàng)目的各個(gè)施工階段進(jìn)行指導(dǎo)，提升工程項(xiàng)目建設(shè)管理的信息化水平[12]。

1 項(xiàng)目概述

培森柳江特大橋位于廣西壯族自治區(qū)來賓市象州縣，屬賀州至巴馬高速公路項(xiàng)目，橋型方案為預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋。主橋橋跨布置為145m+280m+145m，全長570m，橋型布置如圖1所示。預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁為整幅單箱三室直腹板形式，箱梁頂板寬度29m，底板寬度20m，兩側(cè)翼板懸臂長度4.5m。頂板頂面設(shè)置2.0%的雙向橫坡，底板水平。箱梁根部梁高11.5m，中跨跨中及邊跨現(xiàn)澆梁段梁高4.5m，梁高及底板厚度均以1.8次拋物線變化，箱梁0號(hào)段截面如圖2所示。

圖1 培森柳江特大橋立面圖

圖2 箱梁0號(hào)段橫斷面布置圖

2 BIM軟件的選用與三維模型設(shè)計(jì)

2.1 BIM軟件的選用

目前國內(nèi)外常用的BIM建模軟件眾多，各個(gè)設(shè)計(jì)單位與施工單位所使用的軟件也不盡相同。在橋梁工程方向的BIM軟件主要包括美國Autodesk系列軟件與Bentley系列軟件、法國Dassault系列軟件以及芬蘭Tekla系列軟件。本項(xiàng)目以Bentley系列軟件為主，其他軟件為輔來進(jìn)行使用。項(xiàng)目應(yīng)用軟件如表1所示。

表1 項(xiàng)目軟件配置

2.2 數(shù)字地形模型創(chuàng)建

培森柳江特大橋項(xiàng)目附近地形起伏不平，二維地形圖很難展示出地形狀況，因此需要建立三維地形模型。三維地形模型可以直觀地展示項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的地形起伏變化，是后期橋梁模型建立的基礎(chǔ)。

Bentley平臺(tái)的OpenRoads Designer(以下簡(jiǎn)稱ORD)軟件可以把二維圖形里的等高線與高程點(diǎn)篩選出來，通過生成三角網(wǎng)建立出三維地形模型，再對(duì)建立出來的三角網(wǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，刪除錯(cuò)誤的等高線與高程點(diǎn)，整理之后就可得到地形模型圖，如圖3所示。

圖3 培森柳江特大橋地形模型

2.3 地質(zhì)模型創(chuàng)建

依據(jù)地質(zhì)資料，使用Earth Volumetric Studio(以下簡(jiǎn)稱EVS)軟件來進(jìn)行地質(zhì)建模。EVS軟件有許多板塊，可以根據(jù)工程的需要選擇模塊得到想要的模型效果，如圖4所示。使用Excel把前期勘察工作得到的轉(zhuǎn)孔數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，再把整合完成的表格導(dǎo)入EVS中進(jìn)行計(jì)算，即可得到地質(zhì)模型，如圖5所示。

圖4 EVS建模主要板塊

2.4 全橋BIM模型設(shè)計(jì)

通過Bentley平臺(tái)的ORD軟件篩選出二維圖紙中橋梁的平面線，在地形與平面線的基礎(chǔ)上進(jìn)行路線縱斷面的設(shè)計(jì)，然后使用OpenBridge Modeler(以下簡(jiǎn)稱OBM)軟件在路線上布置橋面板與箱梁等上部結(jié)構(gòu)，通過Microstation軟件建立斜拉塔，主橋橋墩與其它細(xì)部構(gòu)件的三維模型，用參數(shù)化建模的方法創(chuàng)建出引橋的橋墩，最后在OBM軟件里把建立出部件模型放置在橋梁相應(yīng)的位置，全橋模型如圖6所示。

圖5 項(xiàng)目地質(zhì)模型

圖6 培森柳江特大橋BIM模型

2.5 鋼筋模型創(chuàng)建

根據(jù)橋梁施工圖紙的鋼筋構(gòu)造圖，使用Bentley平臺(tái)的ProStructures軟件對(duì)橋梁的細(xì)致部位進(jìn)行鋼筋建模，為下一步進(jìn)行鋼筋碰撞檢測(cè)奠定基礎(chǔ)。由于本項(xiàng)目0號(hào)梁段與主墩的鋼筋布置不規(guī)則，需要使用Miscrosation軟件創(chuàng)建曲線幫助鋼筋進(jìn)行布置。箱梁0號(hào)段鋼筋模型如圖7所示，主橋橋墩鋼筋模型如圖8所示。

圖7 箱梁0號(hào)段鋼筋模型

3 BIM技術(shù)的應(yīng)用研究

3.1 樁基施工方案選擇與優(yōu)化

培森柳江特大橋處于溶巖發(fā)育區(qū)，地質(zhì)情況較為復(fù)雜，若直接進(jìn)行樁基施工，很大可能會(huì)發(fā)生施工事故。根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)使用BIM技術(shù)可以建立出準(zhǔn)確的地質(zhì)模型，對(duì)模型的樁基部位進(jìn)行定點(diǎn)剖切，隱藏被剖切的部分，可以讓施工人員直觀地看到每一個(gè)樁基溶洞的分布狀況與發(fā)育情況，如圖9所示。依靠BIM技術(shù)，可精準(zhǔn)地了解樁基地層分布的厚度與深度，對(duì)樁基施工方案的選擇以及對(duì)溶洞處理的方法提供參考依據(jù)。

圖8 主橋墩柱鋼筋模型

圖9 主橋樁基地質(zhì)模型

通過EVS軟件分析模型中的地質(zhì)情況，提前做出處理方案。當(dāng)深度在0-10m時(shí)樁基遇到的主要是雜填土與黏土，幾乎沒有溶洞分布，可直接進(jìn)行開挖。深度在10-30m時(shí)會(huì)出現(xiàn)少量溶洞，若洞內(nèi)有地下水，需將水抽完后再進(jìn)行開挖； 若為半填充溶洞或空洞，則需要使用鋼護(hù)筒跟進(jìn)成孔進(jìn)行施工。深度在30m以下時(shí)會(huì)有許多大型溶洞出現(xiàn)，若為半填充溶洞或空洞時(shí)，先使用碎石或沙土填充溶洞，再進(jìn)行注漿； 若洞內(nèi)有地下水時(shí)，先用鋼護(hù)筒法把護(hù)筒打到溶洞底層，采用噴射灌漿法固結(jié)填充物，再進(jìn)行施工。使用BIM技術(shù)，有效的解決了橋梁樁基施工過程中的難題，施工工期縮短為預(yù)計(jì)的3/4，保證了項(xiàng)目的高效進(jìn)行。

3.2 施工場(chǎng)地布置及方案優(yōu)化

培森柳江特大橋在施工過程中需要進(jìn)行大量的復(fù)雜操作，各施工區(qū)交叉作業(yè)眾多，容易導(dǎo)致施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生不同施工設(shè)施碰撞事故。在施工過程中，許多預(yù)制構(gòu)件的體積龐大，導(dǎo)致施工現(xiàn)場(chǎng)材料的儲(chǔ)存與運(yùn)輸問題難以得到解決，所以施工前要多次確認(rèn)大型構(gòu)件的路線、運(yùn)輸時(shí)間以及進(jìn)場(chǎng)順序。根據(jù)項(xiàng)目要求，使用BIM技術(shù)對(duì)三維場(chǎng)地進(jìn)行布置，合理規(guī)劃出施工材料的存放位置以及加工區(qū)域，讓施工現(xiàn)場(chǎng)的材料運(yùn)輸路線更為便捷。場(chǎng)地布置如圖10所示。優(yōu)化后的施工場(chǎng)地減少了施工材料二次運(yùn)輸，在節(jié)約施工成本的同時(shí)保證了施工進(jìn)度計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)，避免了可能出現(xiàn)的路線交叉問題，提高了材料運(yùn)輸效率。

圖10 施工場(chǎng)地布置

3.3 工程材料用量校核

材料的工程量校核在橋梁項(xiàng)目施工階段非常重要，使用BIM軟件對(duì)項(xiàng)目構(gòu)件的工程量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以對(duì)圖紙中構(gòu)建的工程量進(jìn)行核查。使用Bentley平臺(tái)的ProStructures軟件對(duì)構(gòu)件進(jìn)行工程量統(tǒng)計(jì)分析，把建立的三維實(shí)體模型導(dǎo)入軟件中，為構(gòu)件模型賦予材料屬性，軟件就能直接導(dǎo)出工程量統(tǒng)計(jì)表?；贐IM技術(shù)的工程量統(tǒng)計(jì)操作方便快捷，可以為施工與設(shè)計(jì)人員減少大量的的手算工作。本項(xiàng)目在校核0號(hào)梁段鋼筋工程量時(shí)發(fā)現(xiàn)直徑20mm的鋼筋比圖紙多了0.715t，通過反復(fù)核查，最終發(fā)現(xiàn)由于人員失誤，少統(tǒng)計(jì)了7b號(hào)鋼筋0.715t。可見，應(yīng)用BIM技術(shù)統(tǒng)計(jì)出的工程量結(jié)果科學(xué)準(zhǔn)確，有效的節(jié)約了構(gòu)件工程量的校核時(shí)間，并避免了工作人員的統(tǒng)計(jì)失誤。

3.4 鋼筋碰撞檢測(cè)分析

基于BIM軟件可以對(duì)橋梁中各種構(gòu)件進(jìn)行碰撞檢測(cè)分析，能夠預(yù)先判斷出各工程構(gòu)件之間的位置是否發(fā)生空間位置沖突。Bentley平臺(tái)的Navigator軟件可以對(duì)不同構(gòu)件的不同的碰撞類型進(jìn)行檢測(cè)，培森柳江特大橋0號(hào)梁段的鋼筋與預(yù)應(yīng)力管道眾多，并且橋墩與橋塔的部分鋼筋也伸入0號(hào)梁段內(nèi)，極易發(fā)生位置沖突。鋼筋碰撞示意圖如圖11-12所示。

圖11 橋墩鋼筋與0號(hào)段鋼筋碰撞

圖12 預(yù)應(yīng)力管道與鋼筋碰撞

由于墩柱鋼筋與預(yù)應(yīng)力管道的位置調(diào)整難度大，所以對(duì)0號(hào)梁段內(nèi)的部分普通鋼筋的位置進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，將發(fā)生位置沖突的N5A號(hào)鋼筋橫向錯(cuò)位移動(dòng)2cm，N10B號(hào)鋼筋縱向移動(dòng)3cm。通過BIM技術(shù)對(duì)鋼筋位置進(jìn)行調(diào)整，使鋼筋避開了與預(yù)應(yīng)力管道的位置沖突，節(jié)約施工成本，加快施工進(jìn)度。

3.5 BIM4D施工進(jìn)度模擬

施工進(jìn)度模擬是在BIM三維模型的基礎(chǔ)上，賦予其時(shí)間維度形成新的4D擴(kuò)展模型，通過與甘特圖相關(guān)聯(lián)，直觀的模擬出不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)需要完成的工程進(jìn)度。本項(xiàng)目使用Bentley平臺(tái)Synchro Pro軟件來進(jìn)行施工模擬，如圖13-14所示。使用BIM技術(shù)對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行4D施工進(jìn)度模擬，以可視化的方式讓施工技術(shù)人員提前熟系項(xiàng)目的不同施工階段所需要的工期。通過對(duì)施工進(jìn)度的模擬，實(shí)時(shí)對(duì)施工進(jìn)度進(jìn)行監(jiān)控，并不斷的進(jìn)行調(diào)整，使施工實(shí)際進(jìn)度與設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)度保持一致，能夠有效的保證項(xiàng)目工期能夠按時(shí)完成。

圖13 主橋施工進(jìn)度模擬

圖14 合攏段施工進(jìn)度模擬

4 結(jié)論

本文以培森柳江特大橋?yàn)閷?shí)際案例，探究了BIM技術(shù)在矮塔斜拉橋施工中的應(yīng)用。在多個(gè)BIM平臺(tái)軟件的輔助下，建立了地質(zhì)模型、橋梁模型、鋼筋模型，保證了橋梁可視化施工的順利進(jìn)行。在項(xiàng)目施工階段，應(yīng)用BIM技術(shù)解決了施工中的諸多難點(diǎn)，優(yōu)化施工方案，同時(shí)依據(jù)可視化模型為施工人員直觀地展示了橋梁施工過程，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。BIM技術(shù)使培森柳江特大橋大大縮短了施工工期，節(jié)約了施工成本，保證了項(xiàng)目能夠順利高效地進(jìn)行施工。