BIM技术在禹门口黄河公路大桥项目中的应用

黄少华，杨博婷

(中交隧道局第二工程有限公司，陕西 西安 710000)

0 引 言

建筑信息模型(Building Information Modeling)技术自2003年进入中国以来，获得政府及业界的高度青睐和推广。目前，国内对BIM技术的相关研究及实践仍处于探索阶段，相比建筑工程，市政工程在BIM技术运用上明显经验不足。国内学者对BIM技术做了相关研究，张利红简述了BIM技术在建筑施工中的应用程序，从碰撞检测、进度管理、组织协调能力分析等方面，阐述了建筑施工中BIM技术的应用[1]；董君等根据高速公路工程建设中隧道衬砌的特点，通过高速公路工程建设实例，应用BIM技术，扩宽了BIM技术在高速公路工程建设领域的应用范围[2]；赵蕾等结合新疆和布克赛尔县青少年活动(科技)中心项目，利用鲁班软件对BIM技术在质量安全管理方面的应用进行了研究[3]。

相较而言，市政工程的建设条件差异性大，管理水平、 技术水平要求高，故运用先进的BIM技术来辅助设计、生产及运维能为项目部技术管理建立直观的三维印象，可详细获取各施工节段的工程材料数量，进行精确的材料成本管理，发现图纸设计缺陷，进行各专业工种之间的碰撞检查以及安全质量管理、施工现场技术指导与4D进度控制管理[4-7]。

1 概 述

1.1 工程概况

国道108 线禹门口黄河公路大桥及引线工程位于陕西省韩城市东北部及山西省河津市西北部，东岸是山西省河津市龙门村，西岸是陕西省韩城市渚北村，路线全长4.45 km。大桥分东引桥、主桥及西引桥三部分，桥梁全长1 660.41 m，起点桩号为K0+615.5，终点桩号为K2+275.91。 主桥为245 m+565 m+245 m 三跨双塔双索面钢-混结合梁斜拉桥，全长1 055 m。斜拉桥主梁断面为双工字型钢梁和混凝土桥面板，纵向为半漂浮体系，纵桥向在索塔下横梁和梁体间设置阻尼器，横桥向在索塔内侧设置抗风支座。索塔采用H型钢筋混凝土结构，设置上、下2道横梁，塔柱分为上、中、下3部分。斜拉索扇形布置，梁上索距为12.0、8.0、4.5 m共3种，塔上索距为2.5～3.5 m。

全线采用双向六车道1级公路技术标准，设计速度为80 km·h-1，路基宽度为31 m。桥梁宽度27 m(不含锚索区及检修道)，桥涵设计荷载采用公路I 级，地震动峰值加速度为0.161 g，设计洪水频率为特大桥300年一遇、大桥及路基100年一遇；其余技术指标均按《公路工程技术标准》(JTGB01—2014)执行。禹门口黄河大桥位置见图1。

图1 禹门口黄河公路大桥位置

1.2 应用BIM的原因

主桥索塔结构是国道108线禹门口黄河公路大桥及引道工程项目控制工程之一，主塔施工难度大，质量要求高。考虑使用BIM技术可以提升施工管理水平，实现精细化人、材、机管控，具体分析以下4个方面。

(1)提前解决图纸问题，对设计构件(钢筋、预埋件、钢锚梁等)进行工程量核算、碰撞检测。传统的二维设计图中存在大量的错误，可通过建模、碰撞检查、虚拟建造提前发现，并组织变更设计，确保施工成果精确，且有效避免施工过程中因变更设计造成的窝工，可提高施工效率，节省生产成本。

(2)三维可视化交底，设计意图准确展现，规避施工错误。三维可视化汇报工程节点成果，便于参建各方直观剖析拟建实物各部分的专项施工方案和应急对策。

(3)材料的精细化管理，快速计算所需的工程量，实行限额领料、减少浪费。可依据计算结果及时申请进度款，对分包班组快速审核，准确结算工程量。

(4)建立快速反应处理机制。质量、安全协同管理，确保施工过程无安全质量事故[8]。

2 BIM应用软硬件配置要求

2.1 主桥BIM软件选用

合理选择BIM软件可以保证大桥建模效果与BIM技术在本项目发挥应有的作用。

目前，常用的BIM软件有美国Bentley公司的MicroStation、PowerCivil、Navigator、ProStructures、Lumrt系列软件，美国Autodesk公司的3D Max系列软件。其中，MicroStation是一款国际著名的顶尖的空间建模技术平台程序，具备强大的建模和资源整合功能，能很好满足绘制各种精度要求苛刻、形体极其复杂的BIM模型的要求，配合专业土木工程软件PowerCivil可以建立出带有精细化里程信息的桥梁路线模型。ProStructures系列软件主要针对钢结构和三维布筋的建模与应用，主桥索塔配筋、桥面布置钢筋等建模过程复杂，软件学习与操作难度大，但精细化的材料统计为工程量结算提供了可靠的保证。主桥索塔模型、桥面系模型和桥墩桩基础模型完成后经MicroStation整合，通过Navigator精确分析模型构建之间的硬碰撞、软碰撞、静态碰撞和动态碰撞，进度模拟，将分析结果传输至各级管理人员的终端设备，辅助落实好各项工作的指导。Lumrt是一款高效的动画仿真软件，可渲染出图和生成展示动画，功能和质量十分震撼。3D Max用于辅助制作模拟施工中复杂工艺的展示视频，操作复杂，对硬件配置要求苛刻。

通过比较分析，结合国道108线禹门口黄河公路大桥项目的客观情况，决定以Bentley系列软件为主要建模和整合资源平台，配合使用Autodesk系列软件作为动画制作的重要补充，以确保项目应用BIM技术取得期望的成效。

2.2 BIM软硬件配置要求

BIM软件配置信息见表1。

表1 BIM软件配置

2.3 BIM应用实施核心理念

以国道108线禹门口黄河大桥项目主桥BIM模型为中心，应用BIM技术提供的工程项目基础性数据，从而达到在同一平台中，业主单位、设计单位、施工单位、监理单位、第三方检测单位以及行政主管部门协同工作，提高工作效率[9-12]。应用BIM技术的协同工作理念如图2所示。

图2 黄河大桥BIM模型协同工作理念

3 主桥BIM三维建模

主桥是国道108线禹门口黄河大桥重点建设项目。为了保证主塔施工质量和进度，为了能精准快速地建立斜拉桥及索塔的BIM模型，决定采用MicroStation、PowerCivil系列软件构建模型。首先用PowerCivil建立主桥的路线模型，然后导入MicroStation软件中进行整合并建立索塔、斜拉索、桥面铺装等模型[13]。各模型完成后通过ProStructures软件进行布置钢筋三维建模，并利用Navigator进行各构建之间的碰撞检测，校核图纸信息的正确性，对碰撞点进行标记，导出成果。

3.1 主桥模型构建思路与流程

以国道108线禹门口黄河大桥项目主桥BIM模型构建过程为例，介绍BIM模型的整体构建思路与具体施实步骤，如图3～5所示。

图3 主桥BIM模型构建流程

图4 主桥模型拼装渲染

图5 主桥索塔模型

3.2 建模特色

模型建立应具备以下几点。

(1)精确性。通过Bentley BIM系列软件建立BIM模型，混凝土方量、钢筋用量、构件参数等主要材料信息可根据项目管理人员需要，自定义提取数据、导出并汇总，为施工材料的精细化管理提供有力保证[14]。

(2)统一性。本次运用Bentley BIM系列软件，在BIM模型及成果上与DGN文件格式高度统一，在各软件协同作业中兼容度高，为后续丰富的数据处理和运维管理起保障作用。

(3)智能化。Bentley BIM软件已整合国内现行的设计标准。PowerCivil在绘制桥梁路线时会遵循中国设计标准，在建模中对绘制参数进行反馈提示；ProStructures进行三维布筋时，系统智能依据中国钢筋类型标准尊循布置规则，使得在钢筋建模中效率大大提高。

4 BIM技术的应用研究

在准确构建黄河公路大桥BIM模型后，主要从以下6个方面对BIM技术进行深入研究与实践。

4.1 三维可视化动态技术交底

根据工程施工阶段需求的不同，三维交底遵循整体到局部、局部到节点，粗到细、分层次、分阶段推进的顺序。开工前，针对工程结构整体构造进行3D动态漫游交底；在施工过程中，对部分具体施工细部(尤其是结构构造复杂的板、梁、柱连接处，复杂的钢筋节点)交底，建立形象生动的立体画面，加深技术人员对图纸的理解和认识。三维技术的应用如图6～9所示。

图6 3D动态漫游交底

图7 主桥索塔BIM模型三维交底

图8 主桥现浇梁BIM模型三维交底

图9 主桥索塔上、下横梁接处复杂钢筋节点三维技术交底

4.2 碰撞检查细扣图纸错漏偏差

碰撞检查的本质就是将BIM模型中各组件模型(土建结构、钢筋结构、电梯安装等信息按照设计要求的位置、标高)进行集成。模型导入Navigator软件设定碰撞边界条件，进行碰撞检查，找出冲突点在构件的精确位置及参数信息。通过碰撞检查，可以提前找出图纸问题，进行施工设计综合优化。实现黄河公路大桥主塔横梁内钢锚梁、预埋构件和钢筋的合理设计，提高设计净空高度，避免因位置碰撞出现的返工、误工现象[15-16]。

对于构件设计图纸数据错误、不详、缺失和冲突问题，通过仔细比对i-modle或DGN模型可以查出空间位置的不合理性，见图10;而对于图11、12的具体细部结构冲突，需要导入Navigator软件进行精确查找，确定其位置，并对照给出图纸上具体的错误信息。

图10 钢锚梁设计图纸错误、异常、缺失反馈

图11 波纹管与下横梁主筋碰撞

图12 模型混凝土量与实际量对比分析

4.3 限额领料精细化材料管理

限额领料是指根据工程实际所需领取相应数量的材料。通过精细化的管理(严格卡控材料进出)，达到杜绝因非客观因素导致的材料浪费现象。采用BIM技术结合实际生产情况，对使用材料进行精细化计量是保证限额领料得以实施的基础。设计施工图中钢筋、混凝土等主要材料设计量是大桥整体结构的设计量，并没有按每个施工过程列出单个施工部位的材料使用分量，也没有考虑钢筋因混凝土凿除损耗、搭接长度等客观需要而导致的差异量。

BIM技术在施工阶段的应用体现在建模初期，依据施工方案与施工进度计划，建立整个大桥的分块模型，使分阶段施工的构件与建模构件完全相同，达到快速按要求分块、分区域统计工程材料数量，提高实施效率。另外， ProStructures软件在统计钢筋数量时已按规范将钢筋搭接长度估算进去了，整体模型的信息属性均存于DGN文件中；在MicroStation中可以进行统一的数据、信息的查看管理。

限额领料管理可分为3个环节：采购计划控制、领用控制和用料分析。采用BIM模型的构件信息数据库，既可控制材料上限，也可以作为现场材料过程的管控依据，为材料采购计划的制定与审核提供参考，为限额领料提供及时、准确、有效的数据支撑。

4.4 Navigator移动端软件跟踪质量安全问题

国道108线禹门口黄河公路大桥项目采用Navigator移动端软件，可以把项目现场发现的质量、安全、文明施工等问题进行统一管理，与BIM模型进行关联，方便核对和管理[17-19]。

利用Navigator移动端软件，可以在现场拍摄有疑问的施工节点，将图片上传到ProjectWise系统平台，与BIM模型中的相应位置进行比对，易于发现安全、质量方面的问题，使工作效率、工程质量得到提升[20]。

使用Navigator移动端软件具备以下特点。

(1)缺陷问题的可视化。现场缺陷通过拍照来记录，一目了然。

(2)将缺陷直接定位于BIM模型上。BIM模型的定位模式，能够使管理者更加准确地掌握缺陷位置，提出合理优化方案。

(3)信息共享。无论何时何地，管理者都能掌握现场的质量问题、安全风险等要素。

(4)有效的协同共享，提高各方的沟通效率。项目各方根据权限，查看属于自己的管理、施工等问题。

(5)支持多种手持设备的使用。充分发挥手持设备的便捷性，实时记录问题。

(6)简单易用，便于快速实施。手持设备端简单易操作，实施周期短，便于维护。

(7)云端管理系统运行速度快，并且能够查阅各种工程的相关数据。

利用云平台管理账号，可随时随地快速获取信息，便于协调处理问题，也可以建立现场管理图文数据库[21-22]。

4.5 4D施工进度动态管控

影响国道108线禹门口黄河公路大桥项目施工进度的因素有施工工艺复杂、施工难度大、工期紧、安全生产人员部署、材料配送、机械使用等。因此，在Navigator系统中对项目计划进度、实际进度与三维模型互相关联，进行4D施工动态模拟，有助于及时分析滞后的施工任务，有针对性地调整关键施工节点的进度，以保证合同工期。

4.6 4D施工过程资料管理

4D施工过程资料管理是指利用Navigator移动端软件与ProjectWise管理云平台，对技术交底、施工方案、试验数据、质量检查与竣工验收等系列施工过程的资料进行动态云管理。其原理是根据施工过程中发生自然顺序的资料与BIM模型关联，并上传至云平台存储管理，以便决策层调用查看。通过使用BIM技术，可以实现对资料长期且有效的保存与查看。同时，将大桥建设的施工过程资料以及材料使用情况，详细地记录下来，作为后期检查、改进和责任追溯的依据，相当于建立了国道108线禹门口黄河公路大桥施工过程的历史档案资料。

5 结 语

BIM技术在国道108线禹门口黄河公路大桥项目的应用效果良好，BIM技术的应用价值具体包括以下4个方面。

(1)针对大桥设计图纸中钢筋混凝土等主材总工程量的情况，可以通过BIM技术，按照实际施工节段划分，快速准确地提取部分项的工程量，节省人力，提高统计效率。

(2)通过Navigator现场采集工程安全、质量等方面的问题，通过云平台将现场信息及时反馈到项目部领导层，能够及时发现、及时解决问题，保证黄河大桥施工的安全与质量。

(3)运用BIM技术进行实时监管，对材料进行精细化管理，实现限额领料，科学合理地编制材料采购计划，严格把控材料的进、出口程序，杜绝不必要的浪费现象。

(4)施工资料动态管理，使国道108线禹门口黄河公路大桥项目施工过程历史档案得以保存，也为后期大桥运营、维护的资料管理提供了ProjectWise云平台。

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