BIM技术在公铁两用悬索桥中的应用研究

刘 杰 李 冰

（1.中铁大桥勘测设计院集团有限公司 430050；2.宁安铁路公司马鞍山长江大桥指挥部 243000）

0 引言

BIM 技术作为一种先进的技术手段和管理理念，涉及工程项目全生命周期，能显著提高工程质量控制和安全管理水平[1]。中国国家铁路集团有限公司于2013年12月成立“铁路BIM 联盟”，并相继发布了《铁路工程实体结构分解指南》、《铁路工程信息模型分类和编码标准》、《铁路工程信息模型存储标准》、《铁路工程信息模型交付精度标准》等一系列BIM 标准，大力推广BIM 技术在铁路行业内的应用[2]。连镇铁路五峰山公铁两用大桥项目在“铁路BIM 联盟”BIM 应用框架下，结合自身项目特点和管理需求开展面向项目全生命周期的BIM 技术应用。

1 工程概况

五峰山长江大桥是新建连（云港）镇（江）铁路跨越长江的关键工程，其主桥主缆跨度为（350+1092+350），主梁跨度为（84+84+1092+84+84）m，加劲梁采用钢桁梁，立面采用华伦桁式，横断面采用带副桁的直主桁形式，2 片主桁中心距为30m，桁高16m，节间距14m，副桁中心距与主缆中心距为43m（图1），施工方式为双节段整体施工，每个大节段长28m，最大重量为1758t[3]。

图1 五峰山长江大桥BIM 模型

2 应用总体规划

五峰山长江大桥采用了业主驱动的BIM 推进方式，由工程建设指挥部主导，整合设计单位、BIM 咨询单位、施工单位、钢梁制造单位及后期运维管养单位等，开展面向项目全生命周期的BIM 技术应用，各单位职责见表1。

表1 BIM 参建单位职责

业主驱动的BIM 应用模式可以根据项目特点制定项目目标、组织流程、规范标准、平台和协作机制，并针对项目进展情况随时调整BIM 规划和信息内容，能较好的整体把控各阶段的信息流通、提升管控能力，也是现阶段主流的BIM 应用模式[4]。

3 BIM 模型建立

本项目BIM 模型由设计单位完成，能较好的反应设计意图，并综合考虑施工组织设计，依据铁路BIM 联盟颁布的《铁路工程信息模型分类和编码标准》和《铁路工程信息模型交付精度标准》深化本项目桥梁专业编码，并和施工单位一起编制BIM 技术实施方案和应用标准，进行分部分项工程的划分和WBS 分解，实现BIM 模型在设计、施工阶段的模型转化和数据互通，并考虑了运维阶段的BIM 应用需求，确保信息在项目全生命周期内的共享和无损传递。

由于本项目用钢梁较大，达到7.2 万吨，因此选用比较适用于钢结构建模的Tekla Structure 软件进行建模。模型精度采用LOD3.5[5]，即施工图设计精度，模型几何精度为G3.0，即满足真实外观等精细识别需求的几何精度。对于钢结构来说，应建立正式设计文件中的所有几何信息和非几何信息。如钢板件形状、板厚、切角、人孔、手孔、预埋件等，还包括构件之间的连接，如拼接板、填板、螺栓等；对于混凝土结构来说，应在设计文件的基础上考虑施工组织设计，对混凝土结构进行浇筑体划分。例如，对锚锭、桥塔、桥墩等按施工阶段进行分层或分段（图2）。

图2 整节段钢梁和北锚锭BIM 模型

在建立BIM几何模型的过程中，还要同步对模型的非几何信息进行添加。在设计BIM 模型交付时，非几何信息主要有：材质、名称、位置信息、设计编号、构件类型等。在后期BIM 应用过程中，随着工程的进展，BIM 模型的几何信息和非几何信息会逐步丰富，最终形成竣工交付BIM 模型。

4 BIM 模型应用

设计BIM 模型交付后，在建设期间的BIM 应用可以划分为“基于模型的应用”和“基于平台的应用”两大类。

4.1 基于模型的BIM 应用

4.1.1 模型深化

施工单位在设计BIM 模型基础上针对施工难度大的复杂部位进行深化，并做相应的施工模拟，提前发现并解决后期可能遇到的问题，保证施工顺利进行。例如本项目承台、主塔下横梁、锚锭等部位结构体量和荷载比较大，钢筋布置密集且直径较大，和预应力以及施工劲性骨架支架的碰撞时有发生；通过BIM 模型对其进行深化，综合考虑混凝土浇筑分段、钢筋、预应力筋、施工劲性骨架、混凝土浇筑模板、围堰等因素，建立精细化BIM 模型来指导施工。

4.1.2 钢结构制造

在钢梁制造阶段，采用了基于BIM 模型的设计制造一体化技术来进行加工。将精度为LOD3.5 的设计BIM 模型深化为精度LOD4.0 的制造BIM 模型（3），主要对桥面板等超宽板根据钢板定尺长度和宽度进行划分，并由BIM模型生成制造工艺图，再根据制造工艺添加钢板的工艺余量，生成NC 文件代码，进行自动排板套料，并最终生成机床数控代码，输入数控机床对钢板件进行切割。

图3 钢梁设计BIM 模型和制造BIM 模型

4.1.3 虚拟预拼装

本项目钢桁梁采用双节间整节段制造架设，在节段出厂前要在工厂进行整体预拼装。根据钢梁厂拼装工艺和本项目若干次钢梁组拼之后的数据，对焊接余量、焊接顺序、拼装顺序等因素对组拼精度的影响，并在BIM 模型上进行模拟，对上述因素进行调整和优化。在确定最优的拼装工艺之后，采用激光跟踪技术建立钢梁实体空间测量网，在桥面板、桁片等连接部位布设测点，并与BIM 模型进行动态对比，将接头两侧的坐标组进行拟合，完成钢桁梁块体之间的虚拟拼装。在完成虚拟预拼装之后，还要对节段长宽高、对角线差值、杆件角度等关键数据进行测量和实际组拼数据进行对比分析，对下一轮组拼进行优化（图4）。

图4 虚拟拼装过程示意图

4.1.4 基于平台的BIM 应用

本项目定制开发了基于云技术的BIM 管理平台，通过IFC 格式导入BIM模型及信息，提供了PC 端、网页端、移动端三个平台的应用，并对模块式的BIM 应用进行集成，实现了设计、建设、施工、监理等部门多方协同工作，提供了基于BIM 技术的施工进度、安全质量、场地设施的集成管理，实现了BIM 模型价值最大化。

4.1.5 进度管理

将设计单位BIM 模型通过IFC 格式导入BIM 管理平台之后，通过编码将Project 进度计划和BIM 模型相关联，以此为基础形成计划进度模拟。实际进度需通过移动端进行填报，通过扫描事先定义的构件及工序二维码，在模板中自动生成填报数据，既减少了填报工作量，又提高了准确率，减少了人为干预因素。

在平台中可以实现计划进度和实际进度的可视化对比分析、进度冲突预警、任务前置和之后分析，通过对一个或多个WBS 分部分项、施工节段和工序节点进行施工进度模拟和分析，通过可视化方式直观展示工程进展情况，辅助指挥部和施工单位把控工程进度。

4.1.6 质量安全管理

质量安全问题是施工过程中的重中之重，一旦发现问题，应立刻发起整改流程，因此在BIM 管理平台中更侧重移动端的应用。当建设管理方或者监理方在移动端发起问题整改流程时，可以在BIM 模型中生成问题定位点，并在通过平台和微信将问题推送至施工单位安全质量部门，在问题整改解决后，再推送给问题发起部门，发起部门确认整改合格后，形成质量安全问题闭环。

4.1.7 钢梁制造信息化管理

在钢梁制造过程中除了采用基于BIM 模型的设计制造一体化技术外，还通过BIM 管理平台对钢梁制造及架设进行全过程信息化管理。首先在设计BIM 模型及编码的基础上对钢梁大节段进行分解，形成钢结构制造单元编码，并生成相应的二维码。在钢结构分块单元制造完成后，通过扫描二维码录入制造生产信息及质检信息，方便追溯；随后的分块拼装、喷漆、总拼、运输、吊装等环节也通过移动端随时更新至BIM 管理平台。管理人员可实时通过BIM 管理平台查看所有钢梁节段的状态或生产计划，对施工进度、场地布置、吊装设备及人员等进行组织优化。

5 结语

五峰山长江大桥BIM 应用结合工程实际，采用了业主驱动模式，使用了“基于模型的BIM 应用”和“基于平台的BIM 应用”两条推进路线，用高质量高精度BIM 模型支撑精细化BIM 应用，并将移动端BIM 应用作为应用重点，提高了信息管理的时效性和准确性。

在建设期间将BIM 应用的重点集中在“进度、安全质量、钢结构信息化”等应用点上，深度挖掘BIM 模型及信息的价值，切实提高了施工管理的水平，提升了建设效率，形成具有针对性的大跨度公铁两用悬索桥BIM 应用解决方案。