曾 遠(yuǎn)，古佩勝，盧 俊，楊毅輝，吳寶初，咼 佳

(中建橋梁有限公司，重慶 402260)

0 引言

隨著城市建設(shè)不斷深入，建設(shè)工程規(guī)模不斷擴(kuò)大，利用信息化手段實(shí)現(xiàn)監(jiān)管模式創(chuàng)新，解決監(jiān)管力度不強(qiáng)、監(jiān)管手段落后等難題，成為建設(shè)管理方的挑戰(zhàn)[1]。BIM技術(shù)可應(yīng)用于項目建設(shè)各階段，BIM技術(shù)的發(fā)展與成熟，使建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級成為大勢所趨[2]。

1 工程概況

圖1 郭家沱長江大橋立面布置(單位：m)

圖3 BIM協(xié)同工作流程

郭家沱長江大橋及南延伸段PPP項目是重慶六橫七縱快速路網(wǎng)組成部分，線路全長12.7km，是國內(nèi)跨度最大的公軌兩用懸索橋，主橋采用單孔懸吊雙塔三跨連續(xù)鋼桁梁懸索橋，跨徑布置為(67.5+720+75)m；兩岸引橋均采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，北引橋跨徑布置為4×43m，南引橋跨徑布置為(3×43+4×43)m(見圖1)。主橋主梁為雙層鋼桁梁，斷面采用倒梯形，上層為雙向8車道城市快速路，下層為預(yù)留雙向軌道。橋塔為上塔柱、下塔柱、下橫梁、中橫梁、上橫梁、鞍室及弧形墻組成的門式框架結(jié)構(gòu)，其中塔柱、下橫梁、鞍室及弧形墻為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，中橫梁和上橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。

橋塔3次曲線邊界形成的塔身輪廓、鋼桁梁Z字形雙層異形結(jié)構(gòu)、錨碇處高邊坡大土方開挖、纜索系統(tǒng)主(散)索鞍和索股安裝是施工重難點(diǎn)。

郭家沱長江大橋項目安全質(zhì)量要求高、工期緊。建設(shè)時引入BIM信息化管理技術(shù)，構(gòu)造信息共享、集成、綜合的工地管理和決策支持平臺，以達(dá)到增產(chǎn)、節(jié)能、創(chuàng)效功能，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會效益最大化。

2 BIM施工管理平臺研發(fā)

郭家沱長江大橋及南延伸段項目體量大、施工技術(shù)難度大、工期緊、質(zhì)量目標(biāo)高，故研發(fā)全流程、集成化、定制化、智能化、全員參與的大跨公軌兩用懸索橋BIM施工管理平臺(見圖2)。

圖2 BIM管理協(xié)同平臺

以BIM模型為載體，整合工程管理數(shù)據(jù)、管理表單及管理流程，建立BIM施工管理平臺。綜合利用PC端、大屏端、移動端，集成展示BIM數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、現(xiàn)場數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)等信息，并實(shí)現(xiàn)上述3個端口無縫銜接。通過上傳至管理平臺上的BIM輕量化模型，實(shí)時查看數(shù)據(jù)。通過BIM管理平臺，可管理質(zhì)量安全、進(jìn)度計劃、物資及成本、流程及檔案、模型及圖紙等，能對重大事項進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計分析、事件追蹤且實(shí)施預(yù)警，進(jìn)行智慧決策。

郭家沱長江大橋涉及大量曲面造型和復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)，同時還有大量專業(yè)間的協(xié)調(diào)工作，BIM施工管理平臺應(yīng)具備精確的幾何形狀控制能力和軟件間信息傳遞互通能力[3]。為此，建立R+S+M+A的BIM施工管理平臺。該平臺集成SolidWorks，ABAQUS和MIDAS，Revit軟件優(yōu)勢，造型能力強(qiáng)、可計算、參數(shù)化且高效協(xié)同(見圖3)。

BIM施工管理平臺需要的硬件體系包括高配臺式工作站、云服務(wù)器、移動工作站、無人機(jī)、大屏指揮中心、VR設(shè)備。平臺軟件包括Autodesk Revit，Autodesk Civil3D，Autodesk Infraworks，F(xiàn)uzor，MIDAS Civil，SolidWorks，ABAQUS，定制化部署B(yǎng)IM+智慧工地管理平臺。

依據(jù)分部分項工程等圖紙，建立郭家沱長江大橋施工階段BIM主體結(jié)構(gòu)模型。該橋基礎(chǔ)、橋墩、橋臺、纜索系統(tǒng)、鋼桁梁、機(jī)電、鋼筋模型深度為LOD400；橋面系、景觀、導(dǎo)向標(biāo)識模型深度為LOD300。采用Revit公制常規(guī)模型和結(jié)構(gòu)框架分部建立模型，完成后按分部分項導(dǎo)入WEBGL與BIMVR雙引擎系統(tǒng)平臺進(jìn)行可視化，以及施工過程中整合措施模型。模型建立過程中需注意設(shè)計圖紙的錯、漏、碰、缺，做好記錄，及時反饋至設(shè)計單位。各部件模型如圖4所示，大橋整體和局部模型如圖5所示。

圖4 各部件模型

圖5 大橋整體和局部模型

3 BIM施工管理平臺應(yīng)用

3.1 智慧工地安全管理應(yīng)用

基于BIM管理平臺，集成智慧工地各子系統(tǒng)，打造智慧工地一體化平臺。集成實(shí)名制管理、民工工資管理、施工安全管理、施工現(xiàn)場大型設(shè)備管理、管制區(qū)域報警管理、環(huán)境監(jiān)測管理等功能，實(shí)現(xiàn)智慧工地各模塊數(shù)據(jù)與BIM模型構(gòu)件相關(guān)聯(lián)，做到傳感器數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)相連通，進(jìn)一步增強(qiáng)智慧工地內(nèi)涵。

1)大型設(shè)備管理 通過質(zhì)量傳感器、風(fēng)速傳感器、方位傳感器、高度傳感器、幅度傳感器等，將塔式起重機(jī)、施工升降機(jī)等運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)記錄在塔式起重機(jī)黑匣子中，可在設(shè)備駕駛艙對人員進(jìn)行操作警示提醒，再通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳輸至智慧工地管理平臺，平臺可將塔式起重機(jī)、施工升降機(jī)等運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄報警及數(shù)據(jù)分析，并將塔式起重機(jī)、施工升降機(jī)等數(shù)據(jù)整合至可在線查看的BIM模型中，使管理者準(zhǔn)確知道每個塔式起重機(jī)、施工升降機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，可在網(wǎng)頁端、微信端、APP端實(shí)時查看狀態(tài)數(shù)據(jù)。

2)環(huán)境監(jiān)測管理 環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)包含工地氣象溫濕度監(jiān)測、揚(yáng)塵監(jiān)測(PM2.5，PM10)、視頻監(jiān)控子模塊，具體如下：①感知層 污染源在線監(jiān)測儀包括顆粒物濃度監(jiān)測儀、氣象五參數(shù)監(jiān)測儀、噪聲監(jiān)測儀和視頻監(jiān)控攝像機(jī)，對顆粒物濃度、氣象參數(shù)、噪聲和現(xiàn)場視頻進(jìn)行連續(xù)自動在線監(jiān)測；②傳輸層 采用有線、無線、3G等方式傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)；③平臺層 數(shù)據(jù)服務(wù)云平臺依托在建工地?fù)P塵監(jiān)測平臺數(shù)據(jù)，進(jìn)行系統(tǒng)分析，提供跨區(qū)域、全時間、多層次的數(shù)據(jù)挖掘和對比，為科學(xué)治理霧霾提供數(shù)據(jù)支撐；④應(yīng)用層 面向環(huán)保局、建筑工地客戶端系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于Web的污染源實(shí)時數(shù)據(jù)在線監(jiān)測、現(xiàn)場圖像和視頻監(jiān)控、污染源超標(biāo)報警及面向不同管理層的管理與統(tǒng)計分析。

3)基于BIM+VR的安全文明教育 搭建BIM安全防護(hù)措施體驗+VR安全體驗的綜合安全教育體系，每個工人上崗前，均需參加安全培訓(xùn)及體驗，并進(jìn)行安全技術(shù)交底。在施工VR安全體驗教育環(huán)境下，進(jìn)行高空墜落、物體打擊、用電安全等多方位安全VR體驗，提升安全教育效果。

4)基于圖像技術(shù)的安全帽自動識別及管理 基于無人機(jī)及監(jiān)控航拍的實(shí)時圖片，采用自動學(xué)習(xí)算法技術(shù)，自動判別安全隱患行為，如未佩戴安全帽、高空作業(yè)未佩戴安全帶等。實(shí)現(xiàn)自動抓拍智能分析及報警，通過人臉識別自動抓拍落實(shí)到人，實(shí)現(xiàn)安全智能化管理。

3.2 施工質(zhì)量管理應(yīng)用

1)三維審圖/施工評審技術(shù) 在BIM數(shù)據(jù)支撐下，全方位綜合評審圖紙、技術(shù)、模型、質(zhì)量、安全進(jìn)度等，消除全部設(shè)計錯、漏、碰、缺，針對隱患做到提前防范，進(jìn)行管理前置，提升管理品質(zhì)?；贐IM模型實(shí)現(xiàn)技術(shù)交底、讀圖講圖，提升會議效率。

通過BIM+MR(混合現(xiàn)實(shí))技術(shù)，搭建樣板區(qū)域BIM模型與MR環(huán)境，各方通過MR環(huán)境進(jìn)行樣板評審，對施工措施樣板、安全文明樣板、構(gòu)造做法樣板、安裝樣板、效果樣板等區(qū)域提出改善方案。

2)施工方案/施工工序模擬及推演技術(shù) 對施工工藝工法流程進(jìn)行可視化展示。對工藝復(fù)雜、質(zhì)量要求較高的節(jié)點(diǎn)部位，利用虛擬仿真技術(shù)三維展示關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)操作及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，制造虛擬環(huán)境[4]。結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，完成關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的施工模擬，可更直觀發(fā)現(xiàn)施工薄弱環(huán)節(jié)，預(yù)知安全管理、施工技術(shù)等。

3)基于BIM平臺的PDCA質(zhì)量巡檢管控 PDCA質(zhì)量整改追溯機(jī)制與基于BIM模型的平臺質(zhì)量巡檢整改深度融合，管理團(tuán)隊在巡查中發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量問題通過BIM平臺進(jìn)行圖文填報，發(fā)起相關(guān)流程，下達(dá)整改通知單，落實(shí)責(zé)任人，并實(shí)現(xiàn)全過程閉環(huán)跟蹤管理，實(shí)現(xiàn)對質(zhì)量隱患類型的時空分析和對質(zhì)量管理人員的績效考核。打造質(zhì)量交底教育+提前預(yù)設(shè)+事中動態(tài)跟蹤管理+動態(tài)監(jiān)控監(jiān)測+事后總結(jié)反饋的全流程一體化質(zhì)量安全管理機(jī)制。

4)基于BIM+三維掃描技術(shù)的施工質(zhì)量控制 通過三維掃描，逆向搭建現(xiàn)場完工的土建現(xiàn)狀點(diǎn)云模型，對比掃描模型與設(shè)計BIM模型，實(shí)現(xiàn)施工偏差及吻合度分析。多階段掃描數(shù)據(jù)對比實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵點(diǎn)位移分析，并基于現(xiàn)狀，輔助合龍段的整合應(yīng)用，確保滿足設(shè)計要求。

3.3 施工進(jìn)度管理應(yīng)用

1)施工進(jìn)度模擬及推演技術(shù) 結(jié)合施工進(jìn)度計劃與BIM模型進(jìn)行4D模擬，演示、推敲、驗證進(jìn)度計劃的可行性及合理性，準(zhǔn)確顯示施工進(jìn)度各時間點(diǎn)的計劃進(jìn)度，并對比分析實(shí)際施工進(jìn)度，提高管理水平。同時根據(jù)總施工進(jìn)度計劃，審核分包部分的施工進(jìn)度計劃，整合4D平臺，形成各區(qū)域的施工進(jìn)度4D模擬，并按要求進(jìn)行實(shí)時調(diào)整。

2)基于無人機(jī)+BIM技術(shù)的全景進(jìn)度監(jiān)控/施工巡檢技術(shù) 通過進(jìn)度形象管理，把全景相機(jī)采集的進(jìn)度數(shù)據(jù)集成至平臺中，對不同施工區(qū)域添加進(jìn)度分析報告信息，方便管理人員管理與查看進(jìn)度信息。

重要施工工序采用全景攝像機(jī)記錄施工過程，本項目線路全長12.7km，施工面跨越丘陵盆地及長江，通過無人機(jī)航拍大幅度提升巡檢效率。

3)計劃進(jìn)度/實(shí)際進(jìn)度全過程管控 施工前通過集成現(xiàn)場管理進(jìn)度計劃，模擬整體施工進(jìn)度，輔助整體進(jìn)度把控。搭建BIM施工日志制度，實(shí)時跟蹤施工進(jìn)度，通過對比分析計劃進(jìn)度與實(shí)際進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度動態(tài)管理。并通過無人機(jī)采集施工現(xiàn)場全景數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)形象進(jìn)度對比分析及進(jìn)度可溯性。進(jìn)度計劃管理可由原來的階段/節(jié)點(diǎn)/每月下沉到每月、每周甚至每天，有效提升進(jìn)度管理的廣度及深度。

3.4 施工技術(shù)開發(fā)及管理應(yīng)用

1)主塔施工三維放線 該橋主塔外部為二次曲線，整體高度方向及內(nèi)部空腔呈變角度收縮。施工測量定位難度大，原設(shè)計中僅給出底部承臺坐標(biāo)，每個施工節(jié)段內(nèi)、外定位點(diǎn)都需經(jīng)過傳統(tǒng)推導(dǎo)得出，采用傳統(tǒng)方式無法準(zhǔn)確高效實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)測量?；贐IM模型，將大橋整體定位坐標(biāo)體系轉(zhuǎn)換為重慶市獨(dú)立坐標(biāo)體系，在模型中實(shí)現(xiàn)任意位置、任意節(jié)段的坐標(biāo)測量[5]，并導(dǎo)出平面CAD圖紙，測量坐標(biāo)效率提升80%以上，坐標(biāo)精度控制到0.1mm。

2)橫梁支架設(shè)計及施工監(jiān)測 基于R+S+M+A的BIM施工管理平臺，對橫梁支架進(jìn)行設(shè)計、計算、出圖(見圖6)。支架類施工計算可將二維線框圖導(dǎo)入MIDAS進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，或通過.SAT或.Parasolid(x_t)導(dǎo)入有限元軟件ABAQUS進(jìn)行實(shí)體仿真分析，分析結(jié)果錄入智慧管理平臺留作實(shí)測數(shù)值的參照。模型和方案完備后，在Fuzor中進(jìn)行動畫模擬，為專家評審提供便利。

圖6 基于BIM的橫梁支架設(shè)計

在支架使用過程中，采用傳感器進(jìn)行支架關(guān)鍵截面的應(yīng)力監(jiān)測，在BIM施工監(jiān)測系統(tǒng)上實(shí)時查看監(jiān)測數(shù)據(jù)，并自動生成監(jiān)測值與理論設(shè)計值曲線比對圖，可及時發(fā)現(xiàn)問題，及時處理。

3)錨碇土方開挖 通過傾斜攝影，導(dǎo)出FBX+點(diǎn)云模型，進(jìn)入Civil3D進(jìn)行曲面地形創(chuàng)建[6]，手工創(chuàng)建疊合紅線范圍內(nèi)的設(shè)計完成面高度，疊合2個曲面，計算實(shí)際挖方量。同時通過設(shè)計院詳細(xì)勘察報告，進(jìn)行三維模型重建，結(jié)合傾斜攝影模型規(guī)劃場地施工道路，設(shè)計合理、高效、經(jīng)濟(jì)的施工道路，便于邊坡支護(hù)、余土外運(yùn)、擋土墻施工。該方法可輔助完善填挖平衡方案，降低棄土填土分配不均產(chǎn)生的額外費(fèi)用，合理調(diào)控施工機(jī)械臺班數(shù)量，并結(jié)合無人機(jī)全景巡檢及全景進(jìn)度展示，實(shí)時把控項目進(jìn)度?；贐IM的錨碇土方開挖如圖7所示。

圖7 基于BIM的錨碇土方開挖

4)管道碰撞優(yōu)化 預(yù)應(yīng)力無縫鋼管定位安裝按照錨體分層澆筑、預(yù)應(yīng)力鋼管分節(jié)支撐、管道分段接長的原則施工預(yù)應(yīng)力管道定位支架系統(tǒng)[7]。大體積混凝土冷卻水管布置與定位支架系統(tǒng)存在位置沖突，通過建立模型，優(yōu)化冷卻水管和定位支架布置方案，消除兩者間存在的碰撞，有效降低圖紙風(fēng)險。

5)鋼桁梁吊裝 該橋鋼桁梁節(jié)段呈Z字形，吊裝過程中存在位置交錯。合龍段受水位、Z字形節(jié)段、邊跨支架限制，跨中S26～S30不滿足纜載起重機(jī)最大蕩移安全角度，需拆除斜腹桿后垂直吊裝。建立精確的模型，協(xié)調(diào)起吊過程中的沖突部分，制定高效可行的專項方案。基于BIM的鋼桁梁吊裝如圖8所示。

圖8 基于BIM的鋼桁梁吊裝

鋼桁架支架靠長江側(cè)延伸距離根據(jù)吊裝時水位和合龍段位置進(jìn)行確定，通過模型反復(fù)推演，南側(cè)減少2排支架鉆孔灌注樁，北側(cè)增加一級平臺，既經(jīng)濟(jì)又合理。

鋼桁梁S26～S29吊裝時，由于主纜在該段位置過短，導(dǎo)致蕩移角度>15°，超過550t纜載式起重機(jī)蕩移安全角度。通過拆除斜腹桿，使蕩移距離縮小至20cm，可使吊裝過程安全順利。

當(dāng)S08段合龍時，S08，S07，S09均有干涉，為使鋼桁梁在有限空間內(nèi)(15m)順利合龍，需拆掉S07與S08斜腹桿。通過模型和動畫模擬，詳細(xì)計算起吊位置和吊繩擺偏角，有利于規(guī)避合龍過程的風(fēng)險。

4 應(yīng)用效果

通過研發(fā)基于BIM技術(shù)的施工管理平臺，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等信息化手段，將工地采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)狡脚_，并在控制中心大屏系統(tǒng)中進(jìn)行展示。BIM施工管理平臺取得的成效如下。

1)提升工程質(zhì)量 施工前利用BIM技術(shù)模擬建筑物，預(yù)知工程情況，可提前發(fā)現(xiàn)存在的問題[8]，如通過多專業(yè)集成，及時發(fā)現(xiàn)碰撞與沖突，改進(jìn)設(shè)計質(zhì)量。通過虛擬建造，模擬施工過程，優(yōu)化施工方案[9]。利用BIM技術(shù)監(jiān)控施工質(zhì)量，及時發(fā)現(xiàn)并解決質(zhì)量問題，有效提升工程質(zhì)量。

2)減少投資風(fēng)險 利用BIM實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度可視化、投資成本可視化，及時快速獲得最新、最準(zhǔn)確的投資數(shù)據(jù)，有效管控造價，解決投資分?jǐn)偟入y題，通過減少變更、優(yōu)化設(shè)計等方式減少投資，節(jié)約造價、控制投資風(fēng)險。

3)保證施工工期 通過對各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行施工進(jìn)度模擬，優(yōu)化施工組織，利用BIM可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控施工進(jìn)度，利用BIM模型中的數(shù)據(jù)提升決策效率與質(zhì)量，如加快招投標(biāo)組織、生產(chǎn)計劃編制、變更決策、支付審核等工作。

4)提升溝通效率 項目部人員通過平臺提交質(zhì)量安全問題，可直接在平臺中查看施工情況，減少人員溝通時間[10]。本項目所有工程參與單位、所有工程涉及專業(yè)都可利用三維可視化工具進(jìn)行技術(shù)交底，責(zé)任清晰，有效提升溝通效率和決策質(zhì)量。

5)責(zé)任可溯性 BIM可加載豐富的信息，整個建設(shè)階段的變更資料信息、施工班組信息、構(gòu)件施工人員信息、設(shè)備驗收報告、施工過程中的照片等，均可掛接在模型相應(yīng)的構(gòu)件上，進(jìn)行快速查找定位，增強(qiáng)相關(guān)單位的責(zé)任心，實(shí)現(xiàn)信息、責(zé)任的可追溯性。

5 結(jié)語

大跨公軌兩用懸索橋BIM施工管理平臺可總體把控項目進(jìn)度、安全、質(zhì)量、技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)集成式三維可視化智慧工地管理，實(shí)現(xiàn)基于BIM的可視化集成協(xié)同管理。

本項目BIM施工管理平臺成功形成企業(yè)核心競爭力，可對重慶市、中建系統(tǒng)范圍內(nèi)形成聚集性的示范效應(yīng)，推進(jìn)交通行業(yè)BIM實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，具有很強(qiáng)的推廣應(yīng)用價值。