童爽 寧曉駿 田玉文

（1.昆明理工大學建筑工程學院 昆明 650500；2.中建三局第二建設工程有限責任公司 武漢 430070）

0 引言

近年來，我國的經濟在飛速發(fā)展，同時以和平發(fā)展為中心，積極主動與周邊國家建立經濟合作伙伴關系，使我國的經濟實力進一步增強，同時縮小東西部經濟差距計劃也在實施之中，這給橋梁的發(fā)展帶來了新的機遇?？v觀我國交通規(guī)劃的發(fā)展，橋梁一直占據(jù)其中重要的地位。而斜拉橋因其出色的受力性能、合理的結構特點、美觀的造型以及經濟的造價等優(yōu)勢得到了廣泛應用，成為了大跨徑最具競爭力的橋型之一。隨著計算機技術不斷的發(fā)展和提升，新型材料和計算機技術在橋梁上的應用，橋梁技術的不斷完善，橋梁正朝著越來越大的跨徑方向發(fā)展［1］，這使得橋梁設計與施工的要求越來越高。

BIM作為一種全新的理念已被建筑行業(yè)所熟知，BIM全稱為建筑信息模型（Building Information Modeling），是以工程相關的數(shù)字信息為基礎，通過建立的三維模型，來模擬建筑物的真實信息［2］，被認為是建筑生命期管理（BLM）的技術核心［3］。當下，BIM技術已經從建筑行業(yè)逐漸滲透到市政行業(yè)當中。因此，我們應考慮如何有效地將BIM技術與橋梁工程相結合，降低橋梁的建設難度，提高施工效率。目前，BIM技術在橋梁工程中已有一定的應用，如EASTMANC等［4］將BIM技術用于Cheongpoong斜拉橋，在該橋梁施工過程中應用可視化深化設計需求，進行施工進度管理，碰撞檢查分析和施工模擬等。GOLPARVAR F M等［5］將BIM技術與攝影技術結合進行了3D施工模擬。但BIM技術在橋梁工程中的發(fā)展仍處于初步探索階段，應用經驗不足，想要實現(xiàn)智能化建設和可持續(xù)性發(fā)展仍然道路艱難。

為此，本文以某斜拉橋為工程背景，通過對實際工程中的斜拉橋項目進行分析研究，根據(jù)相關數(shù)據(jù)以及施工圖紙建立該斜拉橋的整體BIM三維模型，并將BIM技術支持手段應用到橋梁的整個施工過程中，利用BIM技術開展橋梁參數(shù)化設計建模、碰撞檢查、模擬施工現(xiàn)場等。分析當代智能在橋梁領域的需求，為后續(xù)斜拉橋施工提供一定的參考。

1 斜拉橋BIM三維模型建立

1.1 Revit參數(shù)化族庫

參數(shù)化建模是BIM建模技術的重要基礎，參數(shù)化是指組構此模型的所有組件之間的關系。組件是Revit組構建筑信息模型的基本元素，大致可分成：模型組件（Model Elements）、基準元件（Datum Elements）、視圖特有元件（View-Specific Elements）三類。根據(jù)施工圖紙，施工方案等資料可以通過參數(shù)來創(chuàng)建多元化的橋梁族庫。斜拉橋參數(shù)化建模前需要進行組件拆分，包括梁部、邊墩、橋臺、基礎、索塔、拉索線等。設計建模過程可以通過參數(shù)化驅動來改變物體的形態(tài)，從而減少重復建模的工作，大大提高了效率。

1.2 斜拉橋核心模型建立

斜拉橋主梁建模。利用公制結構框架-梁和支撐標準構建族樣板創(chuàng)建簡支梁的構建族，添加尺寸指定參數(shù)構建幾何圖形，通過放樣設置路徑，以及編輯器完成準備的線形結構，實現(xiàn)混凝土箱梁模型的創(chuàng)建?；炷料淞耗Ｐ腿鐖D1所示。

圖1 混凝土箱梁模型

同樣，其他構架建模先通過創(chuàng)建載入構建族模型，然后通過放樣融合等命令不斷重新變幻組合生成不同的橋墩形狀，同時設置尺寸、形狀、材料等相關參數(shù)。該斜拉橋橋墩建模的主要過程是生成圓柱形體和長方體。索塔結構為鋼筋混凝土結構，采用花瓶型索塔作為參數(shù)示意圖，并輸入各項參數(shù)指標。橋墩和索塔生成模型如圖2所示。

圖2 索塔和橋墩模型

基于橋梁結構構件族庫，建立了完整的斜拉橋整體結構模型，該大跨徑斜拉橋的BIM模型如圖3所示。

圖3 斜拉橋整體模型

2 基于BIM技術在斜拉橋中的功能應用

2.1 碰撞檢查

在傳統(tǒng)的模式中項目多依賴紙質圖紙或者二維CAD圖紙，從項目設計階段到施工階段涉及的圖紙數(shù)目龐大，其中包含著大量的數(shù)據(jù)和信息。同時，由于橋梁工程量巨大，結構繁瑣且構件龐大，構件位置、尺寸、材料、形狀等均不能直接反映在圖紙中，給施工帶來了極大的不便，導致施工階段存在返工率高、材料浪費率較大、施工進度慢等問題。而利用BIM技術所建立的三維可視化模型通過軟件的協(xié)調設計和碰撞檢查功能，可實現(xiàn)對橋梁施工過程中結構構件以及內外環(huán)境要素的提取和共享［6］，從而提前發(fā)現(xiàn)問題并不斷優(yōu)化施工方案提高施工安全。

該項目利用Navisworks軟件進行碰撞檢查。Navisworks軟件的碰撞檢查類型有四種，分別是硬碰撞、硬碰撞（保守）、間隙和重復項。該項目使用的是硬碰撞類型，以橋梁主體碰撞檢查為例，將斜拉橋整體模型導入Navisworks軟件中，對可能發(fā)生碰撞的潛在結構和部位進行碰撞分析并生成分析報告，發(fā)現(xiàn)設計方案或施工階段中的潛在問題，及時溝通并調整施工方案，降低甚至消除項目返工所帶來的時間、材料及人工等超額成本，提高施工效率。碰撞檢查部分分析結果和報告如圖4和表1所示。

表1 部分碰撞檢查分析報告

圖4 碰撞檢查結果

圖4中主梁和拉索之間發(fā)生碰撞，可能是設置的碰撞范圍過大和公差過小，也可能是主梁模型與拉索之間沒有固定好。除了檢查主體結構碰撞以外，在橋梁施工過程中應用最廣的是鋼筋碰撞檢查，即預應力鋼筋與橋梁主體結構鋼筋的碰撞檢查。由于箱梁的鋼筋種類和數(shù)量繁多，施工時后張法施工的預應力波紋管較容易與構件鋼筋發(fā)生碰撞，而利用BIM軟件碰撞檢查技術，便可預先發(fā)現(xiàn)可能會發(fā)生碰撞的結構部位，從而提前移動相應部位的構件鋼筋避免發(fā)生碰撞。

2.2 施工進度模擬

傳統(tǒng)施工進度管理的辦法主要有橫道圖和時標網絡圖。橫道圖又名甘道圖，它的好處是形象直觀且易于理解，但不能表明每項工作前后上下的邏輯關系，因此容易形成信息孤島；同時也不能表達每項工作的總時差和自由時差，它的信息表達單一，可視化程度比較低，缺乏一定的協(xié)調性與靈活性。時標網絡圖雖然可以表明每項工作前后上下的邏輯關系，并表達出整個項目進度管理的關鍵路線以及關鍵工作，但仍然可視化程度較低，計算過程比較繁瑣，并且表達抽象不易理解，不利于進度管理的跟蹤檢查和分析。

基于BIM技術的施工進度管理，由于BIM模型具有多維性與信息交互性，可視化程度高，因此能夠將數(shù)據(jù)動態(tài)展示給各個階段相關負責人，從而實現(xiàn)對施工進度的實時監(jiān)控和動態(tài)化管理［7］。將橋梁模型導入Navisworks后編制施工進度計劃，添加模型時間參數(shù)，將施工進度計劃與三維模型相結合，不僅可創(chuàng)建施工進度計劃，實現(xiàn)施工進度的可視化模擬施工，同時還可利用視頻動畫的表現(xiàn)形式演示已有的安全操作規(guī)程和施工技術工藝，以動畫體現(xiàn)安全操作要求、安全注意事項和防護要求來規(guī)避風險措施［8］。某部分施工模擬動畫截圖如圖5所示。

圖5 施工進度及模擬

運用BIM技術，基于橋梁整體3D模型進行施工進度管理及模擬，可進一步建立更加精準的施工計劃，從而更大程度上提高施工效率，保證工程進度。

2.3 虛擬漫游

漫游動畫的原理是利用虛擬現(xiàn)實的技術，創(chuàng)造一個現(xiàn)實逼真的虛擬三維環(huán)境，使人身臨其境的同時開啟“上帝視角”對正在施工建造的建筑進行全方位的審查，因而視覺上具有強烈直觀逼真的沖擊效果，從而審視了解整個項目最終效果、平面布置等方面的協(xié)調性與合理性。通過虛擬漫游，可以更全面、更形象、更直觀地了解結構構造，節(jié)省了復雜繁瑣圖紙識圖時間，提高了設計方和施工方及業(yè)主方溝通合作效率。除此以外，BIM模型還可以通過與VR技術結合進行三維仿真漫游，手機端以及PC端都可實現(xiàn)VR漫游，它具有高度自由的人機互動性，能夠在施工完成前便能感受到整個項目竣工后的情況。

Navisworks軟件所生成的虛擬漫游，它的主要特征是能夠在虛擬的三維環(huán)境中引入虛擬人物模仿真人在工程項目中進行走動，從而審視項目的效果以及檢查構件凈高尺寸等是否合理。漫游效果如圖6所示。

圖6 Navisworks虛擬漫游

然而通過實際操作顯示，對于大型橋梁項目來說，Navisworks虛擬漫游并不是最合適的，它主要還是適用于民用建筑。BIM另外一款軟件Lumion主要用于制作電影和渲染靜幀，也包括建筑領域的設計。因此，Lumion相比Navisworks更適合用于制作橋梁虛擬漫游動畫。

3 結語

BIM技術的出現(xiàn)極大地推進了建筑領域的技術創(chuàng)新和管理，并且使未來道路橋梁工程的發(fā)展充滿了無限可能，同時BIM技術的應用范圍也將會越來越寬廣。本文以某大跨徑斜拉橋為工程背景，分析了BIM技術在橋梁工程中的應用。通過參數(shù)化建模并應用Revit軟件創(chuàng)建BIM三維可視化模型，在某大跨徑斜拉橋施工中的主要研究應用如下：

1）應用Autodesk公司的Revit建模軟件建立該斜拉橋項目結構構件族庫，將構件進行定位組裝完成全橋的整體BIM模型，降低了建模的復雜程度的同時提高了建模的速度。

2）利用BIM軟件在施工之前進行碰撞檢查分析，可以提前查缺補漏，通過不斷地調整優(yōu)化獲取最佳的施工方案，在實際施工過程中減少返工次數(shù)、避免材料浪費、保證施工進度、提高施工效率與工程質量。

3）與傳統(tǒng)施工進度管理方式相比，利用Navisworks軟件的施工模擬建立新的4D施工進度計劃，可以更形象直觀且準確地實時檢測到施工進度情況，直接指導現(xiàn)場施工。

4）通過實例項目，驗證了BIM技術漫游動畫在橋梁施工階段的可行性。