4D-BIM技术在千米跨度公铁两用悬索桥施工中的综合应用

李 冰 中国铁路上海局集团有限公司南京铁路枢纽工程建设指挥部

1 概况

1.1 工程简介

五峰山长江大桥是新建连云港至镇江铁路的跨长江通道，是世界上首座千米级高速、重载公铁两用悬索桥。大桥总长6 409 m，其中主桥长1 432 m，采用（84+84+1092+84+84）m双塔连续钢桁梁悬索桥方案；南、北单建铁路引桥长3532.1 m。连镇铁路设计行车速度250 km/h，预留两线铁路设计行车速度200 km/h；高速公路等级分为双向八车道，设计行车速度100 km/h，桥面宽度40.5 m。

1.2 BIM项目特点

五峰山长江大桥项目规模大，施工技术难度高，对项目管理要求高。然而，传统施工管控模式效率低下，信息化程度低，难以满足大桥的施工管理需求。为提高大桥施工管理水平和效率，本项目将BIM技术、4D-CAD技术和云技术引入到大型桥梁施工领域，针对大桥构件多、场地复杂、安全质量突出等需求，以4D-BIM云平台为依托，实现了实时动态进度管理和施工模拟、跨平台质量与安全精细化管理、三维技术交底、钢梁信息化管理等核心应用。

2 BIM组织与应用环境

2.1 应用目标

基于大桥项目管理组织结构，制定了BIM应用模式与面向BIM应用的人员架构。在此基础上，应用4D-BIM云平台，实现了实时动态进度管理和施工模拟、跨平台质量与安全精细化管理、三维技术交底和钢梁信息化管理。尤其通过充分利用云平台的跨平台优势，以应用广泛的微信小程序克服了现场环境复杂、网络条件差等问题，实现了实际进度填报、质安问题填报和钢梁物料状态填报等内容，推动了BIM技术的实际落地，为提升桥梁施工管理水平与效率提供了信息化支持，为桥梁建设的BIM技术应用提供了新的方法和应用示范。

2.2 实施方案

项目应用Autodesk Revit系列软件创建了大桥BIM模型并划分了施工段，应用Autodesk Civil 3D处理了地形测绘数据，形成了地形三维模型。在此基础上，应用4D-BIM平台实现了基于BIM的施工管理。

4D-BIM云平台的应用架构如图1所示。该平台从下至上分为存储层、服务层、接口层和应用层4层。其中存储层建立了云端数据服务；服务层建立了包括图形引擎、数据引擎和档案管理在内的统一BIM服务；接口层建立了BIM数据接口与交换引擎，负责从存储层拉取数据，针对不同应用建立对应的子信息模型，并在模型信息修改后向云端推送更新数据；应用层实现了跨平台多终端的4D-BIM应用。

图1 4D-BIM云平台应用架构

2.3 团队组织

BIM团队覆盖大桥参建单位，领导单位为工程建设指挥部，应用实施单位包括施工单位、监理单位以及主要分包单位钢梁厂等，配合单位包括设计单位中铁大桥设计院，技术支持方清华大学BIM团队北京云建信科技有限公司。BIM团队组织结构如图2所示。

图2 BIM应用组织结构

2.4 软硬件环境

项目采用Autodesk Revit和Tekla软件进行BIM建模，采用清华大学BIM团队自主研发的4D-BIM云平台为应用平台。项目部署了服务器1台，客户端若干台。

3 BIM综合应用

3.1 4D-BIM云平台

4D-BIM云平台属于定制开发，它将BIM与4D、云存储、物联网等技术有机结合，建立了基于IFC标准的4D-BIM模型，打通信息与BIM的双向链接，实现了基于云技术的BIM数据分步式存储。该平台提供了桌面端、网页端、移动端三个平台的应用，各应用间无缝集成，辅助多参与方协同工作。在此基础上，平台针对施工阶段的实际需求，提供基于BIM的施工进度、资源与成本、安全与质量、场地与设施的跨平台4D集成管理、实时控制和动态模拟等技术和功能。

3.2 4D-BIM综合应用

3.2.1 4D-BIM模型创建

设计单位建立大桥BIM模型，包括各模型构件的三维几何信息与工程属性信息，以IFC格式导入4D-BIM云平台。在此基础上，通过MS-Project数据接口，导入进度信息。将构件与进度相关联，建立大桥4D-BIM模型，并在此基础继续集成安全、质量、物料等信息，开展综合BIM应用。

3.2.2 4D进度管理与施工模拟

4D-BIM平台提供了进度紧前紧后分析、任务完成情况报表与数据可视化、任务滞后分析与模型三维可视化等功能，通过充分利用4D-BIM模型的信息集成优势，为施工应用人员提供便捷的进度信息查询、分析与模拟工具。

4D-BIM客户端支持MS-Project与平台内进度计划的双向数据集成。工程的计划和实际进度可以通过MS-Project导入至平台中；平台中的进度数据也可以导出至MS-Project中，利用MS-Project的成熟进度管理功能实现进度管控。另外，由于现场存在硬件与网络环境差等问题，PC客户端不便于现场施工人员第一时间填报实际进度数据。本项目实现了通过微信小程序填报实际进度信息。现场实施人员扫描粘贴在大桥钢梁、桥墩等构件上的二维码并填报实际施工时间，4D-BIM云端自动绑定构件和填报的实际进度信息，向其他各类客户端推送新的进度数据，实现跨平台4D动态实时进度管理。

4D-BIM的PC客户端支持对一个或多个WBS分部分项、施工段及工序节点进行施工进度模拟。4D模拟过程中，图形平台中的三维模型会根据构件与进度的关联关系，以颜色变化展示当前的施工状态，如图3所示。同时，平台PC端还通过施工任务列表、施工完成情况饼图等方式，将数据庞大、维度众多的进度数据通过可视化的方式直观呈现给进度管理人员，辅助指挥部或施工方把握关键和滞后的施工步骤，为进一步决策提供数据支撑。

图3 施工进度模拟及4D形象进度显示

3.2.3 质量与安全管理

质量与安全管理在4D-BIM云平台通过桌面端、网页端、移动端协同实现。其中质量安全问题的填报、整改与审核流程主要在移动端通过微信小程序完成。首先，监理工程师在移动端发起问题整改；施工方安质部审核后将问题推送给相应现场整改人；现场整改人实施整改并将整改情况反馈给安质部；安质部审核后将整改情况推送给监理工程师进行验收；最后，发起问题的监理工程师对整改问题验收合格后，完成质量安全问题追踪流程。手机微信端填报如图4所示。

图4 质量安全问题手机微信端记录

在手机微信端填报的质安问题会存储在云端的服务器中，相应数据会推送到网页端与客户端。工程项目各参与方均可随时随地查询，并可在网页端对质安问题添加备注信息，生成整改通知单和整改通知回复单。

3.2.4 三维技术交底

千米跨度悬索桥施工工艺复杂、技术难度大、安全要求高。为指导现场人员施工，充分利用4D-BIM的信息集成和可视化优势，平台提供了3D作业指导书功能，以更好地在施工中进行技术交底，如图5所示。施工人员可通过网页端或手机端登录查看模型，对模型的各个面可以进行剖切操作，通过文字或语音查看关键施工工序要领及要求，把对施工图的一维认识转变为多维认识，并且实现了随时随地的学习掌握。

图5 3D作业指导书网页版

3.2.5 钢梁信息化管理

针对大桥钢梁生产及施工的的管理需求，结合物联网技术和二维码技术，4D-BIM云平台研发了大桥预制件管理功能。同时，4D-BIM云平台还为钢梁生产厂家提供了二维码云打印技术，以更好地服务施工方的钢梁制造BIM管理工作，实现钢梁生产信息的源头追溯。

钢梁厂家在手机端微信小程序上对钢梁的各大杆件及各个大节间进行扫码和填报工序的操作（如图6、图7所示），在客户端就可以按照预先设定的工序状态通过查看模型颜色的实时变化来获取钢梁的实时生产状态（如图8所示）。另外，在客户端还可以查看各节间和各零部件的生产统计分析情况以及两个厂家的每月生产计划报表，辅助项目部实时掌握钢梁的生产进度，精准把控项目推进。

3.2.6 项目档案管理

4D-BIM客户端还具备项目档案管理功能，各级管理人员可将项目需要的档案资料及时上传至平台客户端，包括标准规范、施工图纸、技术交底文档、生产计划、航拍视频等文字、图片、影像资料。客户端将所有档案信息保存至云端，用户需要时可以随时下载。另外，客户端用户可以选择在模型、WBS节点、预制件上挂接档案资料，实现档案的灵活管理。

图6 微信端小程序界面

图7 钢梁信息化管理流程

图8 钢梁大节间工序状态

4 总结

4.1 创新点

4D-BIM技术在五峰山长江大桥建设的综合应用紧跟大桥施工管理的实际需求，充分考虑千米跨度公铁两用悬索桥技术复杂程度，实现了4D实时动态进度管理和施工模拟、跨平台质量与安全精细化管理、三维技术交底和钢梁信息化管理，发挥了BIM的信息化优势，优化了工期，提高了管理效率与质量，使各参与方、各部门之间的沟通协作更加高效，提高了项目施工信息化水平，实现了4D-BIM应用于大桥建设施工领域的价值。具体创新点包括以下五点：

（1）动态进度管理和施工模拟：实时掌握大桥施工进度，动态分析项目完成情况，高效管理实际与计划进度，辅助大桥施工安排和整体施工工艺。

（2）跨平台质量与安全精细化管理：通过手机微信端实现质量安全问题的填报、整改和审核。质安问题云端存储并推送，实现跨平台的协同质量与安全管理，提升管理效率与信息化水平。

（3）三维技术交底：充分运用4D-BIM的信息集成和可视化优势，提供3D作业指导书功能，现场施工人员更深入地理解施工技术交底。

（4）钢梁信息化管理：结合物联网技术和二维码技术，应用预制件管理功能和二维码云打印技术，集成钢梁信息并实现其生产源头追溯，实时掌握钢梁生产进度，精准把控项目推进。

（5）云平台的跨平台优势：以应用广泛的微信小程序克服工地环境复杂、网络条件差等问题，实现进度填报、质量安全问题填报和钢梁物料状态填报等内容，推动了BIM技术的实际落地。

4.2 综合效益

4D-BIM在大桥工程建设应用的综合效益主要体现在三个方面：

（1）实现协同管理。运用新的管理手段，突出方便、快捷、易用，实现多参与方、跨平台的无纸化管理，节省了管理成本、时间成本。

（2）信息集成及应用。集成建设、设计、施工、监理以及监测方的海量信息，利用云端数据库存储，实现信息的共享、分析和应用。

（3）智慧桥梁。应用BIM技术的大跨度桥梁智能建造，把BIM与智能检测、故障预测、结构健康管理等技术进行融合，为实现大桥智慧管养提供了数据基础。

4.3 结论

在信息化发展的驱动下，未来BIM发展终将走向多专业、多参与方、多阶段的综合集成应用。而具有通用性、可扩展性、灵活性的BIM平台将成为BIM发展的必然趋势。五峰山长江大桥项目的4D-BIM云平台技术集成应用正是对BIM发展模式的一次尝试与探索。五峰山长江大桥是千米级公铁两用悬索桥，规模大，技术复杂，施工难度高，对项目管理要求高，传统施工管控模式难以满足大桥的施工管理需求。将BIM技术引入大桥建设，针对大桥构件多、场地复杂、安全质量突出等需求，以4D-BIM云平台为依托，实现了实时动态进度管理和施工模拟、跨平台质量与安全精细化管理、三维技术交底、钢梁信息化管理等核心应用。应用结果表明，4D-BIM综合应用切实提高了桥梁施工管理的信息化水平，提升了施工效率、安全与质量，为桥梁建设的BIM技术应用提供了新的方法和应用示范。