基于BIM的夜郎河双线特大桥施工应用方案研究

张为和

(中铁一局集团有限公司，西安 710054)

基于BIM的夜郎河双线特大桥施工应用方案研究

张为和

(中铁一局集团有限公司，西安 710054)

针对大型的铁路桥梁等土建工程与普通房建项目不同之处，提出基于BIM的夜郎河双线特大桥施工应用方案，分别就BIM施工现场管理应用方案的3个阶段，即施工BIM模型构建、BIM施工组织计划仿真和BIM施工现场管理平台应用等阶段的功能实现进行详细阐述，提升桥梁施工现场的管理水平，为科学决策提供智能化的依据与技术支持。

铁路桥；BIM；施工方案；应用

1 概述

大型铁路桥梁的施工往往会遇到施工周期长、施工工艺复杂、施工条件多样、安全事故多发及严重程度高等情况，其工程管理难度较大。近年来，BIM技术的兴起，对于如何在尽可能短的时间里安全地完成高品质的工程[1-4]，同时，还要更加有效地控制和降低不必要的成本投入方面，国内外施工企业做了初步的探索和应用实践。

对于大型的铁路桥梁等土建工程不同于普通房建项目之处主要在于以下几点。

(1)野外大型工程施工中，场地规划布置方案尤为重要，引入周围地形的管理，能够对施工场地、料场、预制件组装厂等场地的布置方案进行验证。需要至少支持周围几公里的复杂地形模型构建，确保场地规划信息完整。

(2)桥梁施工工艺和辅助措施的要求较高，如预制杆件的组装和骨架吊装是其重要的工序且十分复杂，施工BIM应用方案要能支持数万甚至数十万单元工程的零部件施工模型划分构建规模，其复杂程度远超普通的设计BIM模型和算量BIM模型。

(3)通常一个施工企业的BIM施工管理平台要面对每年上百个投标项目、数十个执行项目和数个重大施工工程，对内涉及现场施工部、指挥部、子分公司和集团公司，对外要与设计院、业主、监理等各方信息分享和协商，是一个协同管理体系，要求在施工企业内应用一个统一的稳定平台，实现利用有效BIM协调流程进行协调综合，减少协调综合过程中的资源冲突或问题变更方案带来的项目成本和延期。

(4)从投标策划、项目策划、施工阶段到结算阶段的工程施工全生命周期管理，应用方案应支持跨阶段应用结构统一的BIM数据模型。

(5)通常一个桥梁BIM施工模型有数十GB的大小，而且要求如此复杂的施工BIM模型需应用方案应能够接受多个系统数据的输入输出，具备优异的三维轻量化显示性能。

2 BIM施工应用方案简述

2.1 BIM施工应用方案优势[5-7]

以三维为核心，还原完整构建的施工BIM为统一的数据源，在三维BIM现场施工管理应用平台上建立现场管理信息体系，实现三维的施工方案，实时的四维施工计划、进度，输出结果数据形成交底资料，切实地支撑工程管理人员更全面地掌握施工现场情况。

(1)强大的施工BIM模型建模功能

采用CATIA建模软件，针对桥梁BIM模型建模要求开发；支持数十千米高精度地形建模；特别是桥梁施工工艺专业施工模型划分工具等。

(2)高压缩比高精度三维显示

支持数十GB施工BIM模型压缩为数十MB的高缩比和实时动态加载高精度显示，保证了网络环境下，BIM高精度三维模型的协同管理应用，甚至可流畅地在移动终端上应用。

(3)真实的虚拟现场

应用DELMIA虚拟仿真软件，开发高仿真度桥梁施工虚拟现场，全比例的施工设备库和高精度的施工环境模拟，保证施工方案的可行性、可达性、易实施性的可靠仿真验证。

(4)平台稳定性好

采用法国达索三维系统组件和IBM公司的高性能中间件作为底层平台，可稳定地支持高达数十万单元工程的施工BIM大数据，数十千米高精度大场景和铁路全线GIS集成，数十万用户在线应用，数百个大型项目全生命周期管理。

(5)方案整合度高

桥梁BIM施工应用方案涵盖施工企业工程从投标策划到结算阶段的全生命周期管理需求。同一的BIM模型动态建模机制方便整合各阶段业务应用数据。

(6)专业易用

模型建立、属性信息管理、业务应用符合桥梁施工工程习惯且方便快捷。应用方案能提供贴合桥梁施工特点的碰撞检测、施工方案仿真优化、工程量统计等专业应用功能。

2.2 BIM施工应用方案价值[8-10]

BIM施工应用方案改变由于传统施工管理的错、漏、碰、缺等通病带来的施工停滞和反复，做到精细化的施工管理，减少工期滞后，保证进度，降低建设成本。

(1)减少设计错误

应用带地形信息的高精度BIM模型、高性能虚拟施工现场仿真和平台协调综合功能就可以及时发现设计错误，解决掉这些问题的绝大部分甚至全部。

(2)提高生产率

本施工应用方案能够为施工企业内外各环节参与单位提供可靠的BIM信息组织、沟通分享和流程协同应用，有效地提高施工生产效率。

(3)提高质量控制

本施工应用方案把BIM模型和施工管理现场整合起来，实现三维现场指导、现场校验和实时现场追踪，减少现场施工人员错误施工，提高质量控制。

3 各阶段BIM施工应用方案的功能实现

BIM施工现场管理应用方案实施一般分为3个阶段：施工BIM模型构建；BIM施工组织计划仿真；BIM施工现场管理平台应用[11-12]。

3.1 夜郎河双线特大桥施工模型构建

(1)地质地形模型构建

在桥梁施工模型中，地质地形模型是整体模型的基础，尽早引入地质地形模型的情况下， 能规划场地布置、验证基础开挖方案，了解施工现场的不良地质地形区域。

地质地形建模的工作流程：导入点云数据→地层面模型建立→导入地质断面图→地质构造面建模→拉伸包络体和网络变形面→切割成完整的地质体。

(2)开挖基础模型

根据夜郎河大桥拱座施工方案，基于地质地形模型，按图纸设计对地质地形进行开挖，构建基础开挖的4个隧洞及隧洞施工所涉及的开挖体、支护模型，左右岸拱座模型，完成开挖基础施工模型的构建。拱座开挖基础如图1所示。

图1 拱座开挖基础

(3)交界墩及索塔、扣拉索等临建

根据施工图纸，对5号、6号交界墩及墩上索塔、斜拉扣背索等模型构建，通过创建这些模型能够完整模拟整个钢骨架吊装过程。如图2所示。

图2 钢骨架结构示意

(4)钢骨架结构

根据夜郎河大桥设计和施工方案，对大桥预制件组装节段和固定斜杆、合龙段进行建模，根据施工步骤对节段进行划分和分组。如图3所示。

图3 墩上索塔示意

(5)拱圈外包混凝土及拱上墩、引桥墩模型

根据施工图纸，对拱圈外包混凝土整体进行建模，再按照施工方案，将拱圈混凝土按浇筑顺序编号进行划分块，构建拱圈外包混凝土的施工模型。

在拱圈基础上对拱上墩进行构建，并完成引桥墩的建模。如图4所示。

图4 拱圈及拱上墩示意

(6)桥面钢梁

建立桥面钢梁模型，完成对整个桥梁主体结构模型的构建。根据钢梁吊装工艺，对钢梁模型进行划分，完成桥面钢梁施工吊装模型。

(7)桥梁施工辅助设施构建

在桥梁模型建立完成后，建立施工用的上料平台、人行爬梯、浇筑模具等设施模型，完成桥梁辅助结构部分的模拟，实现桥梁基建设施的模型建立。

(8)桥梁施工机具模型构建

通过对桥梁施工机具模型的布置，能够在后期进行施工的完整仿真过程，验证施工方案。对拱座开挖使用的挖机、出渣方案的龙门吊、左右岸塔吊、左右岸缆索塔及缆索吊、钢骨架节段组装的龙门吊等施工机械的构建，从而完成整个夜郎河大桥施工BIM模型的构建。如图5所示。

图5 施工机具示意

(9)知识工程模板3D-2D关联出图

在施工BIM模型构建时考虑关联出施工深化二维图的需要，在CATIA中构建三维劲性骨架知识工程模板。通过输入不同的设计参数来实例化这些包含3D和2D出图数据的模板来构建劲性骨架BIM施工模型。这样当现场施工情况发生变化，施工曲线发生变化时，只要修改施工BIM模型相关参数，施工三维模型和二维工程图就同时关联变化。甚至在建立完整的数学模型前提下，根据各个坐标点之间的关联性算法，能够实现修改某点的坐标参数，而自动计算出与之有关联的坐标点的变化值，同时反映在三维模型和二维工程图上。

3.2 夜郎河双线特大桥施工计划仿真

根据夜郎河大桥对整个施工方案重点关注的施工工艺，基于BIM施工模型，对施工工艺进行仿真和预演。

(1)全桥施工过程仿真

对夜郎河大桥整体施工过程进行施工模拟，结合施工组织计划甘特图，按照计划颗粒度，主要控制到各个大的施工阶段如开挖基础、钢支墩施工、钢骨架吊装合龙、外包混凝土、拱上墩施工、吊装桥面钢梁及其他准备辅助工序等10～20个施工步骤。通过对全桥施工过程的仿真，掌握全桥施工的计划时间及过程。

(2)夜郎河大桥开挖基础

对夜郎河大桥比较有特点的开挖基础过程进行详细的施工仿真，对地质开挖、隧洞支护、混凝土的浇筑进行快速模拟，重点对开挖后龙门吊吊机出渣过程进行详细的施工仿真。

(3)钢骨架和底模吊装及合龙

对夜郎河大桥主体钢骨架进行吊装仿真，主要对斜杆吊装过程以及过程中的干涉检查分析、分叉段的吊装、6号节段吊装以及合龙过程进行仿真，其余部分完成整体吊装过程快速模拟。如图6所示。

图6 钢骨架吊装仿真示意

(4)拱圈外包混凝土

根据夜郎河大桥拱圈混凝土的外包浇筑方案，对大桥拱圈外包混凝土施工过程工序进行施工仿真，模拟整个外包混凝土的浇筑顺序。如图7所示。

图7 拱圈外包混凝土仿真示意

(5)桥面钢梁吊装

对夜郎河大桥桥面钢梁吊装施工进行仿真，通过对一个工艺循环的钢梁的详细吊装仿真和整体吊装工序的模拟，对整个过程进行仿真。

3.3 夜郎河双线特大桥施工现场管理平台

(1)工程概况

传统的工程概况多以文档资料、动画等方式分散进行介绍或汇报，汇报需要进行整理和编写。通过本方案平台汇总夜郎河大桥的文字介绍、动画展示、图片介绍信息，进行统一展示。结合轻量化BIM模型对工程建成形象、周边环境面貌进行交互式三维浏览，达到形象、直观、全面的展示汇报效果。

(2)三维BIM信息管理

利用BIM技术，以桥梁BIM施工模型为基础，在施工现场管理平台中，用轻量化数据方式关联工程结构、施工构件对象属性、工程现场数据(如现浇时间、班组及责任人等)，形成三维BIM的交互式信息查询系统。

管理平台直接对BIM模型关联的所有属性进行管理、检索、修改，并进行文档的版本控制。通过对这些结构化数据和非结构化数据的汇总，进行统一的管理，并提供人性化、易于上手的信息查询方式，提高施工管理能力。如图8所示。

图8 BIM信息管理示意(一)

(3)施工工艺汇总展示

通过可自由编辑的施工工艺索引菜单，对每一个施工工艺所涉及的文字介绍、视频仿真及其他相关材料进行集中的管理和展示，使得对夜郎河大桥的拱桥开挖基础、钢骨架及底模吊装合龙、拱圈外包混凝土、桥面钢梁吊装等施工工艺能够全面的展示和介绍。

(4)现场照片管理和查看

通过平台对工程现场拍摄的照片进行统一的管理和查看，可以新建相册对照片进行分类，对多张照片进行批量上传和查看。

(5)三维BIM施工计划编制

夜郎河大桥项目的施工周期长，传统的二维计划不能直观反应计划施工的整个过程。通过导入夜郎河大桥的Project计划，关联施工构件模型，形成三维BIM施工计划方案，并对二维计划和三维BIM施工计划方案进行版本管理，使得前期对计划施工过程有直观的认识，并在施工前和施工的过程中对施工计划进行快速的调整。如图9所示。

图9 BIM信息管理示意(二)

(6)三维BIM施工进度管理

基于管理平台编制的施工计划，系统对每天或每阶段填报的施工日志进行采集或对反馈的计划任务项完成情况进行填报，使用三维BIM施工模型反映现场施工进度，并通过系统对计划和进度的对比分析结果了解进度滞后情况，便于加快进度或调整计划，实现对施工进度的三维BIM方式管理。

(7)跨地域外部网络访问功能

考虑到工程数据的安全性和网络访问可靠性，采用基于基础网络的VPN连接，可以实现客户端在项目部外连接访问项目部服务器的功能。使用VPN构建形成的虚拟局域网能够搭建内外网访问的专属通道，既保证数据的安全，又有良好的访问性。

(8)移动客户端

支持在基于iOS系统的平板电脑上，对施工现场管理平台中的工程概况、三维BIM信息、施工工艺汇总等数据在移动端APP上进行查询，查看工程三维模型及构件三维信息。

4 软硬件配置保障

4.1 软件配置要求

方案中涉及到以下软件产品。

(1)连接全站仪TS-09获取测量数据的App for Android。

(2)施工现场管理平台PC端 for Windows。

(3)施工现场管理平台App for iOS。

(4)Microsoft SQL Server 2012(用于施工现场管理平台的数据库)。

4.2 硬件设备要求

详见硬件设备要求表(表1)。

表1 硬件设备要求

5 结语

基于BIM的夜郎河双线特大桥施工应用方案在项目中得到有效运用，实现了对整个桥梁工程的虚拟施工和对复杂结构进行3D可视化交底，提前发现了多处施工工序冲突并进行了优化，避免了因施工人员对交底理解不清导致施工错误而造成的返工。过程中实现了工程量有效提取，为项目成本分析及物资采购计划提供了准确依据，产生了较大的经济和社会效益。针对目前方案实施情况，结合现有业务系统，下一步将依据BIM建模指导，形成面向桥梁施工的成果交付指导，在建模期间综合考虑后续BIM应用及出图的需求，提升桥梁施工现场管理水平。

[1] 何关培.BIM总论[M].北京:中国建筑工业出版社，2011.

[2] 何关培，李刚.那个叫BIM 的东西究竟是什么[M].北京:中国建筑工业出版社，2011.

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[7] 朱颖，徐勇，陈列，李光辉，陈建国，谢海清.沪昆客运专线北盘江特大桥桥位、线路高程及桥式方案比选[J].高速铁路技术，2013(4).

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BIM-based Construction Program for Yelang River Double-line Extra-long Bridge

ZHANG Wei-he

(China Railway First Group Ltd.， Xi’an 710054， China)

With respect to the differences between Large railway bridge engineering works and normal building projects， this paper proposes BIM-based construction program for Yelang river double-line extra-long bridge， focusing on fulfillment of the three stages involved in the BIM construction site management， including BIM model establishment， BIM construction organization simulation and the application of BIM construction site management platform so as to improve the management of the bridge construction site， provide intelligent

for decision decision-making and technical support.

Railway bridge; BIM; Construction program; Application

2014-09-09；

2014-09-22

张为和(1958—)，男，高级工程师，1982年毕业于上海铁道学院铁道信号专业，工学硕士，E-mail:xdn71@163.com。

1004-2954(2015)03-0082-05

U445

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.03.019