BIM技术在道路桥梁施工管理中的应用研究

2017-10-12

湖南交通科技 2017年3期

(湖南尚上公路桥梁建设有限公司，湖南长沙 410116)

向聃

(湖南尚上公路桥梁建设有限公司，湖南长沙 410116)

为提高道路桥梁项目的建设管理水平，在施工全过程中应用BIM技术。针对道路桥梁施工的难点，搭建BIM三维可视化模型，分析对施工的优化性。按照施工前、施工中、施工后的顺序研究BIM技术在碰撞检验、场地布置、施工模拟、灾害应急等方面的应用要点。最后介绍BIM技术在某高速公路大桥施工的应用实例。

BIM技术；道路桥梁；施工管理

0 引言

近年来，随着我国经济的快速发展，车辆行驶密度显著增大，对各类型道路桥梁工程的需求也不断提升，不仅全国范围内兴建公路、桥梁、隧道等工程，而且对其承载力、质量、成本等方面的要求也逐步加大。道桥工程施工复杂，不仅有多变的地理环境，还涉及多项专业技术领域[1]。目前，道桥项目的施工仍然依托传统的二维图纸，层层进行信息传递，难以及时发现施工中存在的问题，从而影响施工的进度、成本和质量。因此，采用先进的科学技术与管理方法，能够对道桥施工各阶段进行更好的管控，提高施工品质。

BIM技术的最大特征是信息的高度共享，它能够将项目的一切几何、非几何信息整合到一个独立的建筑模型中，并对资源计划、施工进度等进行模拟[2]。在西方发达国家，BIM应用于项目全生命周期，包括规划、设计、采购、施工和运营等各个阶段；而国内，由于传统模式难以改变，人才、技术匮乏等原因，使得BIM的应用程度较低，且主要在设计阶段得到较为实际的应用[3]。同时，国内外对BIM的研究主要集中于建筑工程，在道路桥梁领域的应用研究很少。一些学者大多针对某具体项目进行探讨，比如卡塔尔多哈大桥的施工工艺模拟和专项施工管理平台的建立、武汉市二环线汉口段高架桥施工的工程管理BIM实施框架等[4,5]，缺少对道桥施工全过程中应用BIM技术的系统性、概括性的总结归纳。

因此，应用BIM技术，对道路桥梁构件进行参数化处理，建立信息模型，减少施工过程中工作量大、原始资料缺失、工程管理滞后等问题[6]，对进度、质量、成本加强控制。本文基于BIM技术，针对一般道路桥梁工程，对道路桥梁施工管理进行了归纳性研究。

1 道路桥梁工程施工难点分析

1.1 涉及专业多样

一个道路桥梁工程通常涉及多项专业领域，比如水下工程、边坡工程、钢栈桥工程、隧道工程等，而且道桥的造型结构多样，使得材料、设备、施工人员与工艺流程等难以达到统一标准，进而提高道路桥梁施工管理的复杂性。

1.2 设计意图难以表达

设计过程中，建设单位对可能存在的影响因素进行收集，经过协商、决策后，交由施工方严格执行，以保证设计意图的正确实现[2]。然而，设计方大多通过二维图纸进行交底，有的部分甚至仅是文字说明，施工方无法获得准确的设计意图，便会影响工程的进度和质量，使设计意图难以实现，造成人、财、物的损失。

1.3 施工组织不易

道路桥梁工程具有点多线长的特点，施工条件复杂，随着进度的推进，难免会出现一些冻土、软基、滑坡等不良地段，加上露天施工的方式，还会受到温度、降水、风沙等外界气候的影响，使得施工现场环境多变。另外，在不同的路段，即使同样的工序对应的施工工艺、机械、设备等也会有所不同，施工组织不易。因此，道桥工程需要有针对性的制定施工模式、施工工艺、人员设备的标准。

2 BIM模型搭建及施工优化性

BIM技术的应用前提是三维模型的搭建，建模师根据设计图纸搭建模型，形成可查看任一视角的三维立体图。并将参数信息添入对应的构件，不仅可以对配筋、构件等进行冲突检测，还为后续的施工模拟提供了模型支撑[7]。

2.1 多角度可视化

BIM技术能够将未出现的事物可视化，加强构件、整体模型、操作人员之间的互动、反馈。不仅整个建造过程均可视，还能展示各角度效果图、输出报表等，辅助道路桥梁项目施工中的沟通、交底、决策，如图1所示为某公路的3D模型图。

图1 某公路的BIM3D模型

2.2 多方协调合作

随着道路桥梁工程的外形、结构、功能的复杂度不断加深，对各专业领域沟通合作的要求也与日俱增。建筑信息模型的协调性服务为各专业搭建了一个技术协作平台，能够基于同一数据模型支持多人在项目建设不同阶段进行信息共享、协调数据，避免各种专业碰撞问题[8]。

2.3 多元模拟优化

BIM模型中的构件不单是视觉构件，除模拟几何形状外，还能模拟构件性能、时间、功能等非几何信息，因而通过BIM技术可以模拟出道路桥梁施工中可能遇见或者实际中难以操作的场景，并通过各种优化工具对复杂问题进行分析处理，从而制定合理施工方案。

2.4 多处参数驱动

BIM模型中所有图元都是关联的，对模型中某一处进行修改时，其它关联地方都会自动做出调整，可以随时输出平、立、抛二维图纸。通过对道路桥梁工程的可视化展示、协调、模拟优化后，再经检查碰撞修改设计，许多错误便被消除，减少了施工过程中可能出现的问题[9]。

3 BIM技术在道路桥梁施工管理中的应用价值分析

3.1 BIM技术在道桥工程项目中的实施流程

道路桥梁的施工是一个复杂、动态的过程，随着施工进度的不断地推进，工程规模、复杂程度等也在不断提升，施工管理的难度也越来越大。BIM技术能够将施工全过程信息化、可视化，首先构建三维模型，然后按照施工的逻辑顺序研究BIM技术的应用，如图2所示，包括施工前的碰撞检验及深化设计，施工中的虚拟建造与进度模拟，施工后的质量检测与灾害应急等，将道路桥梁施工的整个过程都集中在一个信息共享平台，提前预测施工过程中可能出现的问题并制定应对措施，提升施工管理效率与水平。

图2 BIM技术在道桥工程项目中的实施流程

3.2 道路桥梁项目施工前BIM的应用

道路桥梁工程施工前，基于三维模型，运用可视化技术进行碰撞检验、深化设计等施工辅助。传统的施工图纸中各专业内容互相分开，加上道桥工程施工的复杂性，难以发现潜在的管线碰撞等问题，在建筑信息模型中，每个构件都匹配相应的参数信息，用参数来驱动三维模型进行碰撞检验，可以自动显示出碰撞数量及碰撞构件ID、碰撞点详图等，如图3所示，并出具碰撞检测报告，修改错误，及时深化设计。除了构件，BIM还可以对施工中机械间、操作空间、机械和结构间等的碰撞进行检测[10]。BIM还可以辅助车流量分析，计算结构稳定和承载力等性能参数，不断进行整体和局部的细化处理。这些都有利于节约施工成本、降低施工风险、保障施工质量。

图3 碰撞检验生成的碰撞图像

由于道桥工程施工路线长，栈桥、围堰、材料堆场、钢筋加工场等临建设施很容易集中分布在狭窄的施工区域内，若遇上不利的地形环境则会更拥堵，因此对施工现场布置的要求很高。运用BIM技术对测量得到的三维地形进行建模，再结合施工区域总体布置，确定公路、主桥、平台、栈桥、大型机械设备及材料加工场等的相对位置，建立形象直观的施工现场三维布置图。

3.3 道路桥梁项目施工中BIM的应用

BIM具有3D可视化-4D时间-5D成本的特征，能够实现施工过程各阶段的精细化管理。通过BIM模型对工程量、进度、预算等关键信息进行整合，再关联图纸、物料、合同、安全等信息，综合后进行施工模拟。利用数字化管理与实时监控等手段，模拟项目进度、物资消耗等，为关键节点的施工、商务、计划等环节提供合理精确的数据，从而节约时间和成本，提高施工管理效率。

道路桥梁工程的结构形式特殊，一般以施工进度为基础对质量、成本、安全、材料等进行控制。目前国内道桥项目大多使用甘特图编制进度计划，数字与文字辅助说明，但施工人员难以客观形象地了解施工进度及构件间的复杂关系。依据BIM模型，汇总施工阶段的各类信息，按照需要调取相关数据，对道桥施工各阶段展开虚拟建造，在施工进度模拟的基础上进行成本预算、资源计划、建材运输等，对比实际与计划间的进度、成本偏差，以便及时调整后期计划，对道路桥梁施工进行优化，如图4所示。

图4 BIM技术应用下的道路桥梁施工优化过程

在真实的道桥施工过程中，BIM技术可做到实时指导、提前预测并解决下一阶段可能出现的问题，项目管理由“被动”转为“主动”。在施工中，通过BIM的信息共享平台，提前了解相关施工工艺、安全隐患等，帮助工人做好准备，减少问题的产生，简化施工现场管理，提高现场管理人员的效率。

3.4 道路桥梁项目施工后BIM的应用

在我国，项目施工大多对进度和成本的关注较重，忽视了对质量的管理，就连最后的质量验收过程也不够规范，留下许多安全隐患。对于道路桥梁项目，其质量安全极为重要。应用BIM技术，工作人员在施工中通过三维模型信息库，将构件的实施信息输入共享平台中，做到随时反馈，时刻监督。而每个构建都有唯一的ID代码，这样在验收时，质检人员便可以迅速定位所需检查的构件，获取全面的信息，进行规范化检验，全面判断质量是否合格并做好记录，严控质量验收的水准。可以防止因抽检、质检员本身问题等带来的检测结果偏差。

对于道路桥梁工程，在施工过程中不同路段会按一定的顺序建成，对于已建成的部分可能面临的断裂、塌陷、泥石流等灾害，应急管理就需要很高的要求。BIM存储的数据具有空间性质，能够实时获取相关数据，当灾害发生时，BIM系统能够协助响应人员及时定位，并继续识别潜在的隐患部位和其他突发事件，在应急人员赶赴途中，提供具体信息，不仅有助于灾害的解决，还可以培养运维人员在紧急情况下的应急响应能力。另外，建筑信息模型可以模拟灾害发生的情况，制定合理的解决方案，同时评估突发事件造成的损失，以便研究和测试对应的相应计划。

4 应用实例

4.1 工程概况

宿州市某高速公路大桥，位于华北平原，地形平缓，村镇分布密集，半湿润季风气候，日照充足，雨量适中。大桥全长548.2 m，通行净空5.5 m，采用双向六车道标准设计，上部是预应力混凝土组合箱梁，下部是肋板台，柱式桥墩，墩台为桩基础，其中9#墩位于高速公路中分带上。

4.2 基于BIM的深化设计与场地布置

施工单位在施工前根据图纸分别建立族、单个构件、配筋等，最后合成三维可视化模型，并对施工中用到的箱梁的模板、脚手架、桩位测量等进行了深化设计，三维出二维图，便于对工人的技术可视化交底。随后进行施工场地布置，按照预制梁的生产、桥位、取土区、进出场车辆的行进路线区域、临时给水用电方案等，结合周边场地环境，进行场地规划，如图5所示。因为本工程较简单，所以场地布置也很简洁。

图5 宿州市某高速公路大桥施工场地布置

4.3 基于BIM的施工模拟与优化

因为设计单位一般不会提供BIM模型，或者即使提供模型也并不适用实际施工情况，因此项目部成员以WBS的方式将所有构件按照工序级进行分割，给模型赋予时间属性，匹配后导入Navisworks里，进行施工模拟。如图6所示，按照常规的施工方法，先左后右逐跨进行施工，但由于高速公路大桥的9#墩跨高速公路中间分隔带，需隔断交通，所以划分7个阶段，计划工期为163 d。随后项目部成员邀请相关专家、业主，将BIM技术应用其中，经讨论与尝试，将施工过程缩减为5个阶段，不再是先左后右的单跨架设，而是同时架设，以减少中间阻断交通的时间，总工期为144 d，优化进度19 d。通过BIM的可视化模型向业主进行施工进度模拟，很快就得到对方的理解和接受，减少协调时间，这也是本项目在应用BIM技术时取得的较为突出的成效。

图6 优化前与优化后的施工进度模拟

4.4 基于BIM的质量管理与验收

本工程根据施工专业、工序的不同将工程质量控制点划分为3个等级：

A级——关键质量控制点；

B级——重要质量控制点；

C级——一般质量控制点。

可以由总承包、业主、监理、设计单位、勘察单位、质监站等分别对其评定，再取综合结果。为保证工程质量达标，对A级的全部、B级的部分进行质量控制点的三维可视化工序，以便交底。

本项目采用的是事后质量控制，通过二维码将实体构件与模型联系起来，用色谱的方式区分哪些地方验收好了，哪些没有验收，哪些正在验收，并在不合格的地方标注，如图7所示。

图7 质量验收管理表与色谱显示

4.5 基于BIM的协调工作

如图8所示，BIM技术的应用需要各个部门的协同工作，工程部以WBS工序建模，编制进度计划；经营部将价格关联后输出预算文件；物资部制定材料计划，记录实际工程量消耗；质检部跟踪工程进度，实时上传现场照片；安全部建立安全措施模型，展开文明工地布置。综合而言，所有部门协调工作，虽然很大范围的应用了BIM技术，但是实际上耗时很长，很费现场，增加了工程量。现实中由于业主、经理、设计、分包、劳务分包等并没有基于模型的操作，因此许多协调的手段还得靠传统的办法。

图8 各部门基于BIM的协调合作

5 结语

本文针对道路桥梁工程施工难点和实际施工效果，总结归纳了BIM技术辅助道路桥梁项目施工全过程的可行性，并结合案例进行验证。通过施工前搭建三维可视化模型和施工场地布置，进行碰撞检验，对模型的整体和局部不断细化，从而深化设计、降低施工风险；通过施工中采用BIM虚拟建造技术，模拟施工进度，并在此基础上对成本、质量、材料、安全等进行控制，及时发现实际与预计的偏差并做出调整，实现施工过程精细化管理；通过施工后在质量验收、灾害应急中应用BIM技术，可以加强质检的全面性、规范化，识别已发生或潜在的突发事件，迅速确定具体位置，及时处理应急情况。

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1008-844X(2017)03-0165-06

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