黃 浩

(中國中鐵四局集團鋼結構建筑有限公司，合肥 230088)

1 項目簡介

沈陽市東塔跨渾河橋位于沈陽市區(qū)東南部，渾河城市段上游，王家灣橋下游2 km，長青橋上游3km，為沈陽“一河兩岸”的地標性建筑。工程北起沈水東路，南至渾南?？平?，全長1 460m，工程造價3.66億元。標準段寬43m，砼2.7萬方，鋼1.8萬t。主橋采用五跨雙塔自錨式懸索橋(如圖1所示)，主跨220m，全長800m，是沈陽地區(qū)橋梁單孔跨徑最大的且是唯一的一座雙塔鋼結構自錨式懸索橋，橋梁墩柱率先采用了預制裝配式施工工藝。

圖1 項目效果圖

2 BIM技術的應用

本項目采用BIM技術的原因如下：

(1)東塔跨渾河橋跨河施工，桃花汛和洪水汛期對河道施工影響很大，可利用場地少，臨時設施、便道、加工場地布置、筑島及導流較為困難；

(2)本橋工期緊、任務重，主塔、主橋和引橋內部結構復雜，安裝精度要求高，施工難度大，傳統(tǒng)CAD深化設計制造加工，易出錯；

(3)鋼梁、鋼塔和纜索施工難度大，安裝危險性較高，對吊裝的順序及支架設計的合理性要求高。

根據(jù)本工程特點，項目組選用的軟件包括Revit、Tekla、MIDAS、Glodon、Navisworks、3ds Max、SmartNest等等。公司配備BIM工作專用服務器、移動式工作站、無人機、二維碼掃碼終端、虛擬現(xiàn)實設備及其他移動終端。

項目BIM技術應用情況說明如下：

2.1 BIM技術應用目標

基于項目重難點，本工程BIM技術主要應用于深化設計、制造加工、施工管理和竣工等階段，應用目標主要有：提高便道、加工場地布置、筑島及導流等方案的合理性與科學性； 提高鋼橋深化設計、排版套料、構件加工存儲運輸信息化管控的質量和效率； 模擬優(yōu)化鋼梁、鋼塔和纜索的施工過程，確保施工順序合理，支架安全可控； 探索應用新科技與BIM技術的融合，拓展BIM技術應用范圍[1]。

2.2 BIM技術應用方案

為了高效、合理、深入地發(fā)展BIM技術，在項目實施開始前，編制了《沈陽東塔跨渾河橋工程BIM實施方案》，對深化設計、工作方式、協(xié)同流程、施工管理、交付標準等都做了詳細規(guī)定[2]。

建立BIM管理制度，包含例會制度、階段性成果匯報、工作審查制度、培訓制度和考核制度。

制定一系列BIM實施標準，主要有信息模型創(chuàng)建實施細則、信息模型數(shù)據(jù)分類與編碼實施細則、信息模型交付實施細則和信息模型應用實施細則。

2.3 BIM技術應用流程

在BIM項目實施過程中，為保證BIM工作有序無誤地進行，制定合理的BIM技術應用流程(如圖2所示)，通過統(tǒng)一的工作流程，保證BIM模型、深化設計和現(xiàn)場施工三者之間能夠合理、高效的銜接和實施。

2.4 BIM建模與優(yōu)化

使用BIM軟件建立土建、鋼結構和場地模型，深化設計模型精細度達到LOD350(如圖3所示)。

圖3 模型整合后效果圖

(1)圖紙會審優(yōu)化建議

建模時對全橋進行圖紙會審(如圖4所示)，解決重要圖紙問題24處。針對橫梁與塔柱連接部位提出優(yōu)化建議，提高了現(xiàn)場構件對接的準確性，焊接更加方便，節(jié)約了工期2天。

圖4 圖紙審查

(2)吊裝分塊優(yōu)化建議

為尋求更快的工藝，建議將梁段長度9m，改為12m，梁段減少10段(如圖5所示)。在滿足構件運輸?shù)那疤嵯拢瑴p少了鋼梁焊接工程量、提高了鋼梁的吊裝速度，為按期完工奠定了基礎。

圖5 吊裝分塊優(yōu)化

2.5 場地BIM技術應用

針對采用BIM技術的原因一，利用BIM技術的可視化、優(yōu)化性等特點來進行施工總平面布置，提高便道、加工場地布置、筑島及導流等方案的合理性與科學性。

(1)施工總平面布置

傳統(tǒng)二維施工總平面、立面布置圖局限性大。由于本項目跨河施工、可利用場地小，項目人員在BIM軟件中分階段布置南北岸存梁場、提升站、棧橋便道、機械設備、項目部等，形象地展示了施工各階段現(xiàn)場道路運輸及場地布置情況(如圖6所示)，提高了施工布置的準確性和合理性。

圖6 施工總平面布置

(2)傾斜攝影實景建模

筑島施工完成后，利用GPS設置相控點，使用無人機傾斜拍照，建立筑島土方實景模型(如圖7所示)，由此輔助筑島范圍尺寸測量和土方工程量計算，比常規(guī)方格網法算量效率提高了80%以上[3]。

圖7 筑島實景建模

(3)北岸拼裝場地優(yōu)化

結合BIM可視化技術進行北岸拼裝場地方案比選及優(yōu)化設計(如圖8所示)，從拼裝場垂直橋軸線布置、采用提升站提梁，更改為引橋上設置拼裝場，順橋軸線布置。

圖8 北岸拼裝場地優(yōu)化

2.6 鋼結構專業(yè)BIM技術應用

針對采用BIM技術的原因二，利用BIM技術的優(yōu)化性、可出圖性等特點提高鋼橋深化設計、排版套料、構件加工存儲運輸信息化管控的質量和效率。

(1)深化設計

傳統(tǒng)的鋼結構深化設計采用CAD放樣，耗時耗力，手工放樣易產生偏差。尤其是橋梁結構新穎、造型獨特，鋼箱梁和鋼塔加工制造極具挑戰(zhàn)[4]。本橋采用Tekla軟件建立全橋模型，模型準確無誤。

(2)三維出圖

基于BIM模型直接輸出鋼箱梁的零件圖、板單元圖、節(jié)段拼裝圖，模型與圖紙一一對應(如圖9所示)。單根構件出圖時間，傳統(tǒng)出圖為6天，BIM模型出圖為1.5天，節(jié)約人力成本10萬元[5]。

圖9 三維出圖

(3)數(shù)字化加工制造

將全橋鋼結構模型輸出NC文件，導入SmartNest軟件中排版套料[6]，生成G代碼用于數(shù)字化加工制造，較手動排版效率提高280%，料損降低1.8%，節(jié)約成本20萬元[7](如圖10所示)。

圖10 數(shù)字化加工制造

(4)構件物料管理

公司以往在零配件管理上投入大量的人員進行重復性勞動，還經常出現(xiàn)人為錯誤。自主研發(fā)的二維碼管理系統(tǒng)融合了BIM、信息化、物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)分析等手段，實現(xiàn)鋼構件從加工到安裝全過程跟蹤管控(如圖11所示)，準確率提高70%，工作效率提高50%[8]。

圖11 物料管理系統(tǒng)應用流程

2.7 施工過程BIM應用

針對采用BIM技術的原因三，利用BIM技術的可視化、優(yōu)化性、模擬性、協(xié)調性等特點模擬優(yōu)化承重支架以及鋼梁、鋼塔和纜索的施工過程，確保施工順序合理，支架安全可控。

(1)承重支架設計優(yōu)化

利用MIDAS軟件建立箱梁臨時支架模型，過程中依據(jù)現(xiàn)場實際多次優(yōu)化調整(如圖12所示)，確保支架設計科學、安全、合理。支架施工工期縮減30天，測算成本節(jié)約335萬元。

圖12 承重支架設計及優(yōu)化

(2)吊裝方案比選優(yōu)化

吊裝方案編制過程中，通過BIM技術分別模擬從架橋機到履帶吊，再從梁上吊梁到履帶吊地面筑島吊裝的施工過程，輔助設備選型、主塔吊裝和纜索施工過程推演和方案優(yōu)化(如圖13所示)。通過優(yōu)化吊裝設備，取消地面拼裝工序，橫梁吊裝支撐支架改為斜拉，節(jié)約設備和措施成本近530萬元，功效提高了4倍。

圖13 吊裝方案比選優(yōu)化

(3)進度管理系統(tǒng)

在進度管理系統(tǒng)中將東塔橋模型與進度計劃相結合，按照流水施工要求進行全橋施工模擬(如圖14所示)。及時地發(fā)現(xiàn)問題，有助于針對性地調整施工計劃。在主梁吊裝過程中，產生了五個進度滯后問題。例如工廠加工滯后、吊裝隊伍人員不足、支架搭設滯后等，系統(tǒng)形象化展示計劃進度和實際進度的對比偏差，指導施工方采取溝通協(xié)調加工廠、變更施工方案、調整機械人員等措施，從而實現(xiàn)施工進度可視化管理，達到優(yōu)化施工進度，節(jié)約成本的目的[9]。

圖14 進度管理系統(tǒng)

(4)成本管理系統(tǒng)

按統(tǒng)計需求，由BIM模型自動導出構配件工程量，較人工手動計算和拆分工程量而言，效率有了極大地提升。形成EXCEL表格導入到成本管理系統(tǒng)中進行變更、預算、勞務、物資和設備等管理(如圖15所示)，提高對項目成本的管理能力。

圖15 成本管理系統(tǒng)

(5)安全質量隱患排查系統(tǒng)

通過安全質量隱患排查系統(tǒng)，實現(xiàn)現(xiàn)場巡檢、數(shù)據(jù)上傳、問題整改和檢查驗收的管理閉環(huán)(如圖16所示)。施工過程中，累計發(fā)現(xiàn)安全質量問題200余處，整改效率相較于傳統(tǒng)方式提高80%，而且問題可追溯。

圖16 安全質量隱患排查流程

3 BIM技術創(chuàng)新應用

3.1 BIM+VR

將模型與虛擬現(xiàn)實技術相結合，施工人員佩戴虛擬設備可以在三維虛擬世界中實時、無限制地觀察模型，真切地感受到橋梁建設過程中的場景[10](如圖17所示)。

圖17 虛擬現(xiàn)實應用

3.2 BIM+AR

利用增強現(xiàn)實技術將BIM模型跟圖紙建立對應關系，施工人員只要掃描圖紙，就能看到它對應的三維模型。相比于帶藍圖的傳統(tǒng)方式，在施工現(xiàn)場查看二維圖紙和對應三維模型，既方便快捷又形象直觀(如圖18所示)。

圖18 增強現(xiàn)實應用

3.3 BIM+XR

由于建設、設計和監(jiān)理單位無相關BIM軟件，無法查看模型。項目組使用交互式渲染技術制作網頁格式文件，參建單位通過網頁中交互式查看三維模型(如圖19所示)，在溝通圖紙會審問題和節(jié)點優(yōu)化時發(fā)揮了重要作用。

圖19 交互式全景應用

3.4 BIM+交互式3D文檔

傳統(tǒng)技術交底使用大量文字和二維圖片，交底時枯燥乏味、交底不清，導致返工的現(xiàn)象時有發(fā)生。使用交互式3D文檔制作技術交底(如圖20所示)，交底人員可通過點擊按鈕分步驟查看技術交底。每個步驟配上文字說明、措施方法、安全事項、施工圖片等信息，方便項目部和施工人員理解圖紙，減少返工。

圖20 交互式3D文檔

3.5 BIM+3D掃描

運用三維激光掃描儀采集構件空間幾何信息，將BIM模型與采集的點云數(shù)據(jù)進行對比分析，通過三維模型直觀顯示BIM 模型與掃描模型之間的偏差情況，導出數(shù)據(jù)報表，展示構件的加工制造偏差值及偏差分布情況(如圖21所示)。例如掃描一個鋼箱梁標準構件為1人8小時，而傳統(tǒng)檢查需要2人5小時，并且檢查易露項、出錯率高。三維掃描不僅加快質量檢測速度，最重要的是提高了準確性。

圖21 3D掃描質量檢查流程

4 應用效果及總結展望

本項目應用BIM技術解決了遇到的可利用場地少、汛期影響大，鋼結構深化設計、加工精度高，施工難度大、安全風險高等難題，保質保量完成施工任務，共節(jié)約施工成本1 300余萬元，縮短工期約65天。BIM技術的應用改變了項目管理方式，提升了管理水平，推動了BIM技術進一步落地。本項目創(chuàng)新研發(fā)了二維碼管理系統(tǒng)，對傾斜攝影、VR、AR、XR、3D文檔、3D掃描進行了探索應用，有效地提升了橋梁建設品質。該成果獲得中國市政工程學會“第二屆市政杯BIM大賽”單項一等獎、中國圖學學會“第八屆龍圖杯全國BIM大賽”施工組二等獎等共7個獎項。

通過本項目的BIM應用， 項目組認識到BIM技術在鋼結構工廠里的應用非常成熟且效果顯著。但是施工現(xiàn)場BIM應用多以可視化、模擬性為主，BIM平臺應用落地不足，以及信息化系統(tǒng)存在功能交叉、結合不緊密等問題。針對這種情況，中鐵四局集團正全力推進信息化貫通工程建設，開發(fā)中鐵四局云系統(tǒng)，以BIM模型為基礎，整合現(xiàn)有進度、成本、安全、質量等平臺，進一步提高數(shù)據(jù)資源質量，保證各類數(shù)據(jù)合理、有序流動，推動中鐵四局數(shù)字化建設協(xié)調、有序發(fā)展。