特大钢管拱桥设计施工一体化BIM技术应用分析

朱觉文　申威

摘要：文章介绍了沙尾左江特大桥运用BIM技术在工程设计阶段、施工阶段以及工程信息化等三方面的协同应用，有效解决了BIM技术在钢管混凝土拱桥中应用的发展瓶颈问题。

关键词：BIM;钢管混凝土拱桥;设计施工一体化;信息化;协同应用

中图分类号：U448.22

0 引言

近些年来，我国钢管混凝土拱桥建设得到大力发展，已建及在建的钢管混凝土拱桥数量已达400余座。由于钢管混凝土拱桥优越的受力性能和施工的便利性，使這类桥型不断向超大跨度发展，而利用以往传统的设计、施工以及建设管理方法，已无法满足日益趋新的设计理念和建设期望。本文以沙尾左江特大桥为依托项目，系统地研究了BIM技术在拱桥设计和施工中的应用，总结了一套可有效解决大跨度复杂钢管混凝土拱桥工程技术及管理瓶颈的技术方法，为同类工程BIM应用提供参考。

1 项目概况

沙尾左江特大桥系南宁南过境线（吴圩机场至隆安段）高速公路上跨越左江的一座特大型桥梁。主桥为主跨360 m中承式钢管混凝土提篮拱桥，建成时是世界上最大跨径的公路钢管混凝土提篮拱桥，其中桥梁计算矢高为75 m，矢跨比为1/4.533;拱轴线为悬链线，拱轴系数m=1.55。拱肋为钢管混凝土桁架式结构，提篮倾角为10°。

2 项目重难点与解决措施

对于大跨度钢管混凝土提篮拱桥，设计精细度直接影响着工程建设难易度。沙尾左江特大桥作为项目控制性工程，质量要求高，项目难度大，在以往钢管混凝土拱桥设计、施工以及管理模式下仍然存在着几个技术瓶颈，如下页表1所示。

3 BIM应用技术路线

针对上述现阶段钢管混凝土拱桥BIM应用存在的技术瓶颈，为保证项目BIM技术应用研究顺利开展，由业主方牵头建立项目BIM应用协作机制。主要从设计阶段入手，将设

计BIM成果无缝传递至施工阶段，开展施工BIM应用及项目信息化管理，如图1所示。

4 工程BIM设计应用实践

4.1 基于无人机航测的三维实景建模

在工程设计初期，利用无人机倾斜摄影技术对项目周边开展三维实景建模工作，创建了现场详尽的三维实景模型，真实还原项目周边环境。此举旨在通过“实景模型”与桥梁BIM模型的结合，使项目设计和管理人员及时了解现场情况、解决现场问题。

4.2 三维地质建模与分析

通过物探数据、钻探资料、地形资料，建立桥位三维岩土数字模型，包括地层结构、溶洞等，并进行地质平剖面切割、土石方计算，为拱座基础设计提供直观的依据，同时也为主桥设计提供重要的基础资料。

4.3 主桥三维设计、碰撞检查

通过建立精细化的桥梁BIM模型，如图2所示，在三维空间中将全桥的外形、尺寸和空间坐标精准确定，并在建模过程中开展各专业、各分项协同设计，及时消除坐标、标高错误，确保构件尺寸准确无误，减少后期返工和变更，提高设计质量，助力复杂空间结构提篮拱实现高精度合龙。[KH-*2D]

对于相同类型的节点构造，比如拱肋扣锁扣点，其随着所在位置弦管倾斜角度变化而变化，因此，利用参数化设计手段，建立构件模板，通过修改角度参数，实现扣点的快速实例化。

4.4 计算分析应用

基于BIM模型，可以实现与计算软件之间的数据共享，在有限元分析软件中导入模型数据并进行选取和处理，随后开展数值模拟，为结构计算提供有力的数据支持。

本项目还分别针对吊索上锚头锚固区应力、格子梁局部、临时铰局部、拱肋扣点局部开展了有限元分析，将BIM模型导入有限元软件，加载受力，运行得到相应的计算结果，以确保设计成果的安全可靠。

4.5 图纸输出及工程量统计

针对大桥局部构造二维图纸无法表达设计意图以及相应工程量难以统计的难点，可借助BIM软件出图功能自动绘制三维实体大样图纸及相应尺寸标注，并可同步出具构造工程量统计明细表。较传统设计方法，利用BIM技术进行模型图纸输出及工程量统计，具有三维模型发生变化时，相应图纸及工程量亦可随之同步更新的显著优势。

5 工程BIM施工应用实践

5.1 BIM可视化交底

5.1.1 BIM施工工艺模拟

利用BIM可视化的特点，结合实体地形，通过仿真软件进行仿真模拟，如图3所示，便于施工方案讨论和组织，辅助施工方进行决策。尤其针对提篮拱桥工程施工工艺先进、施工技术含量高的特点，开展基于BIM技术的可视化交底工作，将直接有效地提高施工人员施工技术。

5.1.2 BIM+AR可视化交底

为解决工人看图难的问题，利用复杂异型构件如主桥主墩、拱肋节段、法兰盘等相对应的三维设计BIM模型，运用AR技术在对施工人员开展交底工作时，让施工人员通过手机扫描施工图纸即可查看施工部位的三维模型，降低沟通成本，起到清晰高效交底的作用。

5.1.3 BIM+VR虚拟现实

对项目重大危险源及重点难点的分部分项工程，采用VR技术对施工人员进行安全技术交底和规范操作教育，也可利用VR虚拟体验竣工场景，引入VR技术，营造施工环境沉浸式体验效果，提升安全意识，加强了施工现场的可交互性，有助于设计优化、施工图深化及方案比选，提高决策效率。

5.2 BIM进度管理方案

5.2.1 BIM+720°云场景

利用720°全景技术来展示项目实地情况及预期要达到的建造效果，搭建好的720°场景可通过手机扫描二维码随时观看。720°场景主要分为实景和渲染场景，既能让项目对未达到预期效果的地方进行及时调整，又可实时比对项目每期建设情况，方便考察进度。

5.2.2 BIM+无人机应用进度航拍视频

利用无人机技术按时按月对项目全线开展航拍工作，结合三维模型制作航拍进度视频，项目管理人员可统计拆迁进度、路基清表、桥梁墩柱施工、预制梁安装进度、边坡开挖防护等情况，节省长距离高速公路施工管理的时间成本。

5.2.3 电子沙盘动态进度管理

通过系统平台将BIM模型与施工进度相关联，并与GIS信息集成，形成对工程进度、人、机、料等的集成管理。在電子沙盘上可实现不同项目的进度追踪，将施工过程中现场填报的实际工程进度按照不同颜色显示对应的分项BIM模型，并与施工计划关联来判定进度是否正常、提前或者滞后，存在滞后情况即由系统发出预警，从而实现三维可视化把控施工进度。

5.3 BIM质量管控方案

5.3.1 BIM+无人机应用（土石方测量）

利用无人机对施工场地原始地貌拍摄带有空间位置信息的照片，将照片导入Photoscan软件中处理为三维点云数据，并将点云数据导入Midas Civil 3D软件中生成曲面，将施工作业前后的地形曲面进行体积计算，得出相应的土石方量，如图4所示。

大桥拱肋构造设计为竖向内倾10°的提篮拱，精度要求极高。为满足施工精度要求，结合BIM+点云技术开展虚拟拼装的应用，辅助预拼装。利用三维激光扫描仪扫描拱肋节段得到点云模型，将点云模型与BIM模型通过基准点在计算机中进行虚拟比较，比对分析得到构件加工模型与设计模型的偏差，以辅助精准校核，确保拼装满足精度要求。

5.3.3 预制件加工动态管理系统

本项目通过预制件加工动态管理系统，结合BIM和物联网信息采集传递技术，实现对大桥钢结构构件加工、运输、安装等全过程跟踪，实现大桥钢结构构件可视化管理。确保钢结构施工的进度和质量。

5.4 BIM助力项目信息化管理

5.4.1 BIM+WBS的公路工程管理信息系统

针对项目特点建立了公路工程管理信息系统进行项目管理，该平台高度集成工程信息，并与质量、安全、进度、成本、环境等项目管理要素有机结合，基于BIM模型结合工程结构部位实现与施工业务数据的挂接，实现数据共享及可视化应用，将试验、质检、进度、计量等各项业务系统进行了串联互通，打破现有独立业务“数据孤岛”现象。

由于系统实现了精细化和“一数一源”的管理目标，项目管理层在过程管控中的进度数据直接来源于日常实时更新的数据，降低了数据经过人工统计产生误差的可能性，数据更为精准。

5.4.2 BIM+GIS的数字化施工管理

在项目建设初期，搭建了基于BIM+GIS建立的桥梁建设工程管理平台，通过“BIM+GIS”相结合，在电子沙盘上可直观真实地了解和掌握工程项目设计意图以及与周边环境的匹配关系。同时，在平台上结合网络通信技术、视频压缩技术，将BIM与鹰眼监控系统相集成，在项目智慧展厅显示屏上投放展示，便于建设方以及各参建单位对项目整个建设过程进行全方位实时管控，突破距离限制，大大提高效率。

6 结语

南宁南过境线（吴圩机场至隆安段）高速公路为广西壮族自治区发布的重点推进项目，作为该项目控制性工程，沙尾左江特大桥积极运用BIM技术，基本实现了从勘测设计到施工的全过程应用，基于BIM技术对桥梁结构进行精细化的三维设计和准确的工程量计算，并在施工过程中结合无人机、点云等新技术精准把控项目质量、安全，积累了丰富的应用成果和数据。同时，深度开发了本土化的公路工程管理系统和预制件加工动态管理系统，为运营阶段运维管理及更多项目的信息化应用提供丰富的经验。

参考文献

[1]郑皆连，王建军，牟廷敏，等.700 m级钢管混凝土拱桥设计与建造可行性研究[J].中国工程科学，2014，16（8）：33-37.

[2]林广泰，陈孝强，欧晨丰.超500 m级钢管拱桥施工管理BIM关键技术[J].西部交通科技，2020（11）：50-54.

[3]闫振海，张胜林，赵 伟.大小井特大桥BIM技术应用研究[J].公路，2019，64（9）：152-158.

[4]曾有凤，罗富元.沙尾左江特大桥主桥结构设计及受力分析[J].西部交通科技，2020（4）：93-96.

基金项目：

2019年度交通运输行业重点科技项目“公路工程三维数字化协同设计技术与施工管理平台推广”（编号：2019-TG-006）;2019年度广西科技计划项目“公路特大桥三维数字协同设计与施工管理融合的关键技术研究与应用”（编号：桂科AB19245048）

作者简介：

朱觉文（1982—），高级工程师，主要从事公路工程施工管理工作;

申 威（1995—），助理工程师，主要从事工程数字化工作。