基于BIM技术的市政工程智慧建造技术研究

罗利 袁弘毅 李岩松 刘钦佩 王伟

文章研究了BIM 技术在大型市政工程施工中的应用方法，探索BIM 技术在市政桥梁、城市综合管廊工程智慧建造中的应用与实践。采用 Revit软件建立了桥梁及综合管廊模型，应用Midas Civil进行结构分析，利用TEKLA软件进行桥梁钢结构深化设计，并采用Navisworks软件进行了施工模拟及软硬空间碰撞检测等。创新开发了联动钢构件精加工技术，模拟全桥现场拼装过程，保证施工安全可靠。采用BIM+高精全站仪的空间测量模式，提高了测量精度及测量效率。通过BIM技术在市政桥梁与管廊施工中的成功应用，积累了市政工程智慧建造成功经验，为类似工程提供参考。

BIM; 市政工程; 综合管廊; 景观桥梁; 智慧建造

TP391.99   A

[定稿日期]2021-03-12

[作者简介]罗利（1978～），男，本科，高级工程师，从事市政道路、桥梁方面的技术管理工作。

大型市政工程具有点多面广、专业分项多、工程总占地面积大、施工分散、工程量大、工期紧等特点，同时需与城市景观相协调，营造美好环境，为此对市政构筑物的施工建造提出了更高要求。BIM（Building Information Model，三维建筑信息模型）是以三维数字技术为基础，集成了建设工程项目各种相关信息的工程数据模型[1]。通过三维建筑模型，可实现工程监理、物业管理、设备管理、数字化加工、工程化管理等功能，被业界视为继CAD 之后建筑行业的第二次革命[2]。BIM 技术在建筑领域起步较早，且已取得了一定的成效，但在市政工程领域的应用和研究却相对较少。本文结合天府新区创意路等五个项目中蜡梓路跨猫猫沟桥、科智路跨猫猫沟桥、科学城北路东段跨鹿溪河大桥及大型多舱综合管廊工程探索BIM技术在市政工程智慧建造的应用实践。

1 工程概况

天府新区创意路等五个项目，位于成都市天府新区，工程包括市政道路、景观桥梁、综合管廊等，道路全长4 871 m，景观桥梁共三座。其中上承式空腹钢筋混凝土五跨连续拱桥位于兴隆湖东侧猫猫沟湿地公园，桥梁长315 m，宽40 m，采用钢筋混凝土扩大基础。桥梁与猫猫沟河道景观融为一体，与公园城市、人文情怀和融统一盛景（图1）。

科智路跨猫猫沟桥为水滴形拱梁分离系杆拱桥，桥梁全长160 m。桥梁主桥为拱圈净跨2×65.666 m的水滴状异型钢箱系杆拱桥，主拱肋为异型变截面拱圈，两侧拱圈在拱顶交汇后继续往下弯至桥面处交汇，形成水滴状（图2）。

鱼腹式双曲面钢结构智慧生态大桥大桥位于鹿溪智谷湿地公园内，跨越现状鹿溪河景观带，大桥长390 m，宽43～49 m，桥梁采用变高变宽鱼腹式双曲面钢结构，平面为弧线布置，桥墩采用Y型圆弧桥墩，共分为9跨。桥面设置休憩观景空间，流线型的设计如行云流水一般，简洁轻盈，与鹿溪智谷景觀形成完美和谐的统一（图3）。

科学城北路东段综合管廊总长3 913 m，最大截面为15.2 m×4.35 m，目前为全国最大断面单层多舱综合管廊。分别有单舱、两舱、三舱、四舱和五舱5种断面，包括天然气舱、综合舱、高压电力舱和雨污水舱等4种舱体。

2 项目重难点

（1）管廊施工场地范围广，土方挖填量大，预埋件数量多、预埋件安装精度高。

（2）水滴形拱梁分离系杆拱桥结构形式全国首创，钢箱梁体量大加工制作精度要求高，水滴拱多点定位同步合龙安装难度大。

（3）五连拱拱桥原设计施工顺序不合理，拱肋在悬臂状态下浇筑上部挂梁，竖向荷载、水平推力大，对支架力学要求高。

（4）现场施工障碍多，地块交叉施工多，进度管理难度大。

3 BIM技术在大型市政工程智慧建造中的应用

3.1 BIM工作组织与策划

（1）BIM实施范围：以三座景观桥梁、科学城北路东段管廊管廊模型为载体开展项目的BIM综合应用与实践。

（2）应用目标：通过发现图纸问题、工程量分析、碰撞检测、工艺模拟、场地模拟等BIM技术的应用，以数字化、信息化和可视化的方式提升项目建设水平，做到精细化管理。同时，以项目为试点，培养企业BIM人才，组建优秀BIM团队。通过BIM系统的部署，建立配套的管理体系，包括BIM标准、流程、制度、架构、竞争体系等。

（3）组织结构：项目设1名BIM负责人，负责管理BIM土建组、BIM机电组、BIM造价组、协同平台组四个小组。

（4）软硬件配置：配备BIM台式电脑2台，笔记本电脑2台;软件主要分为BIM建模软件、BIM应用软件、协同应用平台三大类，具体配置如表1。

3.2 BIM应用实践

BIM技术的应用主要体现在两个方面：其一，模型搭建展示。其二，施工流程优化管理。桥梁工程及综合管廊施工中的应用的主要内容包括三点，分别是三维建模、场地布置以及施工模拟[3]。

3.2.1 模型创建

在三维建模中，BIM人员以工程设计图纸为依据，搭建三维立体模型[3]。通过创建三座景观桥梁、科学城北路东段管廊管廊模型及相应的项目场地布置模型，依据模型对桥梁工程及管廊工程的整体结构以及工程占地情况进行充分掌握。其中水滴形拱梁分离系杆拱桥上部结构建模精度须达到LOD400，其余二座景观桥梁、管廊与场地模型精度须达到LOD300。项目模型划分为土建模型、机电模型、钢结构模型（图4）。

3.2.2 BIM基础应用

3.2.2.1 图纸审查

对于复杂桥梁、大型综合管廊等结构物，在设计时往往由于各分项工程设计师之间沟通不够及时充分，导致出现相互之间的碰撞问题。因此，图纸审核是复杂结构施工中的重点内容。采用BIM技术可以大大提高施工图审核的效率和效果，通过BIM模型在建造前对各分项工程的碰撞问题进行协调分析，生成碰撞数据，使得设计与施工紧密结合。通过科学城北路东段跨鹿溪河大桥BIM模型，发现图纸重大问题3项，与设计及时沟通并得到支撑，减少施工损失27万元，如图5所示。

3.2.2.2 模型深化

根据模型的使用范围采取建立不同精度的模型，确定各类别构件拆分要求和精细度要求，避免过度建模。通过管廊全专业模型的建立，提前发现土建、机电碰撞问题;针对管廊预埋件安装精度高，深化预埋件安装图纸，确定每一个机电支架位置，保证其安装精度。五连拱Y型墩柱至下而上每根环形箍筋尺寸都在变化，利用BIM模型对箍筋逐根放样，确保箍筋尺寸精确。鱼腹式钢结构桥异型墩柱采用定型钢模板，钢模板在加工过程中采用BIM模型进行了辅助放样，有效提高了模板尺寸的精确性（图6）。

3.2.2.3 BIM+无人机应用

管廊施工存在区域线路长，周边既有道路少，工期紧张，多点同时开工等难题。在管廊施工前，使用高精度無人机采用倾斜摄影技术，对地形、地貌进行勘测，测定原始高程数据，进行实景建模，对模型进行抓取，明确场地平整挖填方量，选取最优施工便道，提高测量工作效率。采用无人机倾斜摄影技术，结合BIM模型，突破时空限制，实现未来产品与现状地形的无缝对接，优化临设布置和设计方案（图7）。

3.2.2.4 三维场地布置

管廊区域现场施工障碍多，拆迁工作量大，地块交叉施工多，施工场地狭窄，利用三维模拟周边环境与项目部的空间关系，综合考虑场地布置的制约因素。合理规划项目部、钢筋加工棚、安全体验区、1∶1地下综合管廊模型区等区域，最大限度地满足文明施工安全生产要求（图8）。

3.2.2.5 三维可视化交底

综合管廊进行1∶1三维建模，通过BIM模型对各预埋件、各部位进行详细展示，现场工人可按此施工;对科智路跨猫猫沟拱梁分离系杆拱桥，桥面吊装进行动画演示，工人对桥面拼接顺序进行掌握，提供施工时的沟通效率。通过BIM模型对各预埋件、各部位进行详细展示，对现场管理人员进行技术交底。

3.2.2.6 协同平台

将桥梁工程、综合管廊工程等BIM模型集成于该平台，由技术、工程、质量、安全等多系统在施工全过程实施BIM协同管理[4]（图9）。

3.3 基于BIM技术的创新与实践

3.3.1 联动钢构件精加工

科智路跨猫猫沟拱梁分离系杆拱桥，其结构形式为全国首创，空间异形节点结构复杂，对其施工图进行深化，依据深化图纸进行钢构件精确加工下料，使构件加工和安装精度满足要求。

（1）基于建立的LOD400Revit模型导入3DS Max进行可视化模拟，后场加工和现场安装人员进行充分讨论和规划精加工技术路线，发现错漏并避免材料浪费（图10）。

（2）利用BIM模型导入Midas和Ansys进行有限元分析，完成成桥阶段内力和应力验算，以及重要节点受力分析，保证钢构件拼装方案的合理性和实施过程安全（图11）。

（3）有限元软件分析过程结果反馈回BIM模型进行深化设计，采用学思自动套料软件实现加工精准提料，结合SigmaNEST软件数控技术对钢构件进行精加工。

（4）模拟全桥现场拼装过程，保证施工顺序安全可靠（图12）。

3.3.2 基于BIM技术的渐变截面斜钢拱精准测量

水滴型拱属于渐变截面，且多肋交会合拢到中间水滴结构，测量精度要求高，采用传统的坐标系-投影测量方式无法满足精度要求，且效率低下。为保证测量精度及提高测量效率，在测量过程中采用BIM+高精全站仪的空间测量模式[5]。主拱结构利用CAD 3D3S将曲线方程控制的斜拱轴线拟合，再根据设计提供的数据参数化建立渐变截面双曲五边形斜拱弧形轮廓，模型与设计建筑模型合模修正。并根据施工过程的荷载参数增加预拱值，得到主拱结构施工控制模型。

3.3.3 五连拱拱桥施工方案模拟

原设计施工顺序为从墩顶向两侧对称施工三分之一拱肋的“Y”型浇筑方式，然后在拱肋悬臂状态下直接施工挂梁，最后再合拢拱圈。该设计方案要求拱肋支架必须一次性搭设完毕。而拱肋及挂梁荷载对支架要求极高，任何变形及沉降均会使拱肋提前受力导致开裂，影响结构安全。通过Revit模型接入MidasCivil进行方案比选分析[6]，决定采用先合龙完整拱，再施工顶部挂梁的施工顺序（图13）。

反复施工模拟后确定如下施工顺序：

（1）下部结构浇筑，增加桥墩回填土高度以提高桥墩侧向抗推能力防止拱脚在施工中因非对称力而破坏。

（2）回填土表层硬化，逐层搭建盘扣式脚手架，搭设模板，沿两侧桥墩向中间分段浇筑混凝土，合拢成拱。

（3）拱圈上纵向间距预埋钢筋，然后浇筑“台阶状混凝土”，为挂梁支架的施工提供可靠水平支撑面，以保证施工安全”。

（4）搭建挂梁支架，依次铺设工字钢、圆钢管、方木和模板，并浇筑挂梁混凝土，直至完成全桥。

优化工序后拱肋先合拢形成稳定的拱圈结构，有效规避结构安全风险。原方案所需的支架体系需一次性投入约5 000 t，工序优化后先形成拱圈，可单跨组织施工，支架体系多次重复周转使用，减少支架投入约1 700 t，效果显著。

4 结束语

该项目包含了典型市政项目的所有特征，施工范围内障碍物多、施工区域狭窄、工期紧、文明施工要求高等。利用无人机技术与三维场布模型对施工便道、施工场地合理规划解决了施工区域狭窄等问题。利用仿真分析与数控加工等手段解决了系杆拱桥拱肋吊装分段划分以及异形钢构件精加工难题，节约了钢材并保障施工安全;利用仿真分析验证五连拱拱桥调整的施工方案，以此作为支撑确保了方案可行性。通过BIM技术的应用，大量减少了综合管廊机电安装管道、设备之间的碰撞，提高了桥梁钢结构加工制作精度。项目实施中全过程质量安全在线管理，极大地提高了施工效率，通过BIM管理节约成本237万元，节约工期60 d。

参考文献

[1] 李若涛.基于BIM技术的矮塔斜拉桥智慧建造应用研究[J].建筑建材装饰.2018（12）：61-62.

[2] 张建平，李丁，林佳瑞，颜钢文.BIM在工程施工中的应用[J].铁道标准设计，2012，41（371）：10-11.

[3] 蔺文峰.基于BIM技术的桥梁可视化施工应用探讨[J].人民交通.2018（14）：55-56.

[4] 赵洋帆.BIM技术在城市综合管廊建设中的应用探讨[J].建材发展导向，2019（5）：188.

[5] 谢兴定，王振宇.高速铁路系杆拱桥BIM技术研究[J].价值工程，2018，37（18）：163-165.

[6] 陈家勇，赖亚平，肖奎等.景观桥梁BIM设计及应用实践—以合川渠江景观大桥为例[J].公路工程2018，43（6）：102-107.

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