京哈高速陶赖昭特大桥改扩建工程BIM技术应用

(1.吉林建筑大学，长春 130118; 2.吉林省高等级公路建设局，长春 130033)

1 工程概况

陶赖昭特大桥改扩建工程位于既有京哈高速公路陶赖昭松花江特大桥处(如图1)。因现有京哈高速公路长春至拉林河段已不能适应经济社会发展和交通量增长的需要，更难以满足国家公路运输大通道的功能要求，整条高速公路改扩建工程显得尤为迫切。项目采用既有桥梁完全利用，左侧单侧加宽并新建半幅桥宽20.25m桥梁的改扩建方案。新建桥梁桥孔布置为2×40+5×(3×40)+2×40+(65+5×100+65)+2×40+3×40m，与既有桥梁桥孔布置完全对应。主桥上部结构采用预应力混凝土半刚构-连续箱梁，引桥上部结构采用预应力混凝土简支转连续T梁，下部采用薄壁墩、柱式墩，基础采用钻孔桩基础。改扩建完成后道路等级标准为双向八车道高速公路。

项目跨越第二松花江，是京哈高速公路长春至拉林河段改扩建工程的控制性工程。自然条件复杂，施工难度大；改扩建交通组织方式难以呈现；跨江工程,勘测外业难度大。利用BIM技术在传统改扩建工程实施方式的基础上，通过“BIM+”的思路去完成一种新型的改扩建工程应用，从而优化工程设计，保证施工质量。

2 BIM应用组织实施

2.1 BIM应用总体构架

本工程项目通过BIM技术，基于工程项目特点建立项目技术路线，分别从勘测、规划、设计、施工、运维等阶段进行应用。在勘测阶段，我们利用无人机低空摄影测量和无人机倾斜摄影实景建模来提供三维地理信息模型；基于三维地形，在规划阶段进行方案设计比选及展示沟通。

在设计阶段进行桥梁路线设计、桥梁结构设计、桥梁结构力学分析、三维搭建钢筋，最终完成施工图级别BIM模型的创建；在施工阶段，利用BIM模型进行施工组织设计、施工组织计划进度模拟、施工工艺模拟、VR交互体验等，以提前预演施工过程，多次模拟施工后进入指导施工环节，并根据现场情况进行信息的实时整合。

通过BIM技术，简单高效建立BIM模型，直观反映项目环境影响因素，并在三维环境中展示并确定设计方案，对交通预测及组织进行动态仿真模拟，最终利用BIM+GIS[1]来论证项目方案可行性，以探索出符合改扩建特色的工程BIM应用模式，通过在勘测、规划、设计、施工等阶段的流程化应用，去探索不同于传统二维模式下的项目建设新思路，如图2所示。

图2 陶赖昭特大桥BIM技术应用实施方案

2.2 BIM实施措施

本工程规模大、建设条件复杂、参加单位较多，通过与项目业主、设计单位以及施工单位的协调沟通，明确了项目BIM应用目标及根据项目阶段和工程需求确定对于本工程信息模型信息的需求，和模型包含的信息的全面性、细致程度及准确性的指标，在不同阶段方案下，桥梁信息模型几何信息的全面性、细致程度及准确性指标。并结合陶赖昭特大桥改扩建工程的工程特点，在项目工程实施前建立标准化的三维协同工作环境，从而开展项目各阶段BIM技术应用工作。

3 BIM应用

3.1 勘测阶段应用

初期对改扩建工程中的既有植被、道路、桥梁等地物，应用无人机技术，在Google Earth中确定项目航测范围，依据指定的航线及参数设置，完成航拍以采集多角度影像信息和对应的pos数据，采用ContextCapture、Pix 4D生成正摄影像以及倾斜摄影模型，如图3所示，其中由无人机低空摄影测量生成的有数字地表模型(DSM)，包含了地表建筑物、桥梁和树木等高度的地面高程，可从模型中提取地理信息数据，并绘制二维地形图；由无人机倾斜摄影生成的三维实景模型，可根据实景模型分析项目环境，查看基础的地理信息，便于直观反映项目环境影响因素，分析路线地物地貌情况[2]。

3.2 规划阶段应用

在规划方案设计阶段，考虑桥梁间距较近，通航及整体景观要求，新建半幅桥梁需对应旧桥结构布置的要求，基于勘测阶段获取的地形数据以及正摄影像生成三维地形，利用Infraworks进行项目改扩建方案的路线设计，在三维环境中展示并确定设计方案；利用SketchUp快速建立桥梁结构模型，使用Lumion构建周围环境，最终验证桥梁方案的孔径布置、上下部结构选型、通航情况合理性，最终确定本项目的桥梁设计方案，如图4所示。

结合专业的Vissim 交通仿真分析软件，以陶赖昭特大桥改扩建工程为缩影，动态反映京哈高速长春至拉林河段改扩建工程的交通运行状况，实现基于BIM模型的4D交通仿真分析，如图5所示，并对项目改扩建前后的交通流进行模拟，动态反映交通运行情况全过程。

图3 正摄影像及倾斜摄影模型

图4 陶赖昭特大桥设计方案效果

图5 交通仿真模拟

3.3 设计阶段应用

在设计阶段中，先期在Midas Civil软件中建立桥梁力学模型，进行结构力学分析计算，确保桥梁结构的安全稳定性能。然后利用Civil 3D、Revit、Dynamo等建模软件对改扩建增幅桥梁进行参数化设计[3]，包括构造模型以及钢筋模型，如图6所示，整个设计全过程软件协同度高，效率高，从而达到简单高效建立BIM模型的目的。

3.4 施工阶段应用

在施工阶段中，传统方式下基于二维图纸的平面化进度调控方法无法对施工进行事前模拟，对项目进度计划的优化不够充分，无法及时发现施工问题[4]。

本工程基于BIM技术的进度调控方法经过反复修改、提前预案、多次模拟施工后进入指导施工环节，并根据现场情况进行信息的实时整合[5]。利用Navisworks、Synchro 4D、Fuzor等施工模拟软件对复杂工点改扩建方案施工过程、施工组织设计、施工工艺等进行直观模拟展示，如图7所示，方便方案论证与选择并确保了项目工期顺利进行。采用Vissim模拟交通管制措施的合理性，实现基于BIM模型的4D交通组织设计及交通组织方案展示，如图8所示。同时结合VR技术提前将作业高危区、易发生危险区、公路临时封闭区明确，将每一个阶段需要注意的问题细节清晰、有逻辑的可视化展现出来。

图6 桥梁BIM模型

图7 桥梁施工进度模拟

图8 施工交通组织模拟

4 总结

本工程在项目初期确立了利用BIM+新技术的理念来进行改扩建工程的规划、勘测、设计、施工等阶段应用的目标；在项目勘测阶段利用无人机技术进行勘测，减少室外测量作业时间及人员，直接生成三维地理信息模型，提高工作效率；将基于三维地形，进行路线及桥梁方案设计，实现三维环境下的方案比选及展示；利用Civil3d+Dynamo+Revit实现桥梁参数化设计一体化，探索出具有改扩建工程特色的BIM正向设计模式；并利用BIM模型在对原有设施进行扩充性改造建设的基础上，提前预演施工进度计划及施工工艺过程，及时发现施工问题，优化施工方案。最终实现BIM技术在改扩建工程中的集成应用及数字化交付。下一步，我们将继续研发基于BIM+GIS的施工管理和运维平台，为项目建设期及运营阶段提供支撑。