基于BIM技术的大跨公轨两用悬索桥施工管理平台研发与应用

曾 远，古佩胜，卢 俊，杨毅辉，吴宝初，呙 佳

(中建桥梁有限公司，重庆 402260)

0 引言

随着城市建设不断深入，建设工程规模不断扩大，利用信息化手段实现监管模式创新，解决监管力度不强、监管手段落后等难题，成为建设管理方的挑战[1]。BIM技术可应用于项目建设各阶段，BIM技术的发展与成熟，使建筑业转型升级成为大势所趋[2]。

1 工程概况

图1 郭家沱长江大桥立面布置(单位：m)

图3 BIM协同工作流程

郭家沱长江大桥及南延伸段PPP项目是重庆六横七纵快速路网组成部分，线路全长12.7km，是国内跨度最大的公轨两用悬索桥，主桥采用单孔悬吊双塔三跨连续钢桁梁悬索桥，跨径布置为(67.5+720+75)m；两岸引桥均采用预应力混凝土连续箱梁，北引桥跨径布置为4×43m，南引桥跨径布置为(3×43+4×43)m(见图1)。主桥主梁为双层钢桁梁，断面采用倒梯形，上层为双向8车道城市快速路，下层为预留双向轨道。桥塔为上塔柱、下塔柱、下横梁、中横梁、上横梁、鞍室及弧形墙组成的门式框架结构，其中塔柱、下横梁、鞍室及弧形墙为普通钢筋混凝土结构，中横梁和上横梁为预应力混凝土结构。

桥塔3次曲线边界形成的塔身轮廓、钢桁梁Z字形双层异形结构、锚碇处高边坡大土方开挖、缆索系统主(散)索鞍和索股安装是施工重难点。

郭家沱长江大桥项目安全质量要求高、工期紧。建设时引入BIM信息化管理技术，构造信息共享、集成、综合的工地管理和决策支持平台，以达到增产、节能、创效功能，实现经济和社会效益最大化。

2 BIM施工管理平台研发

郭家沱长江大桥及南延伸段项目体量大、施工技术难度大、工期紧、质量目标高，故研发全流程、集成化、定制化、智能化、全员参与的大跨公轨两用悬索桥BIM施工管理平台(见图2)。

图2 BIM管理协同平台

以BIM模型为载体，整合工程管理数据、管理表单及管理流程，建立BIM施工管理平台。综合利用PC端、大屏端、移动端，集成展示BIM数据、管理数据、现场数据、监测数据等信息，并实现上述3个端口无缝衔接。通过上传至管理平台上的BIM轻量化模型，实时查看数据。通过BIM管理平台，可管理质量安全、进度计划、物资及成本、流程及档案、模型及图纸等，能对重大事项进行数据查询、统计分析、事件追踪且实施预警，进行智慧决策。

郭家沱长江大桥涉及大量曲面造型和复杂精细结构，同时还有大量专业间的协调工作，BIM施工管理平台应具备精确的几何形状控制能力和软件间信息传递互通能力[3]。为此，建立R+S+M+A的BIM施工管理平台。该平台集成SolidWorks，ABAQUS和MIDAS，Revit软件优势，造型能力强、可计算、参数化且高效协同(见图3)。

BIM施工管理平台需要的硬件体系包括高配台式工作站、云服务器、移动工作站、无人机、大屏指挥中心、VR设备。平台软件包括Autodesk Revit，Autodesk Civil3D，Autodesk Infraworks，Fuzor，MIDAS Civil，SolidWorks，ABAQUS，定制化部署BIM+智慧工地管理平台。

依据分部分项工程等图纸，建立郭家沱长江大桥施工阶段BIM主体结构模型。该桥基础、桥墩、桥台、缆索系统、钢桁梁、机电、钢筋模型深度为LOD400；桥面系、景观、导向标识模型深度为LOD300。采用Revit公制常规模型和结构框架分部建立模型，完成后按分部分项导入WEBGL与BIMVR双引擎系统平台进行可视化，以及施工过程中整合措施模型。模型建立过程中需注意设计图纸的错、漏、碰、缺，做好记录，及时反馈至设计单位。各部件模型如图4所示，大桥整体和局部模型如图5所示。

图4 各部件模型

图5 大桥整体和局部模型

3 BIM施工管理平台应用

3.1 智慧工地安全管理应用

基于BIM管理平台，集成智慧工地各子系统，打造智慧工地一体化平台。集成实名制管理、民工工资管理、施工安全管理、施工现场大型设备管理、管制区域报警管理、环境监测管理等功能，实现智慧工地各模块数据与BIM模型构件相关联，做到传感器数据与模型数据相连通，进一步增强智慧工地内涵。

1)大型设备管理 通过质量传感器、风速传感器、方位传感器、高度传感器、幅度传感器等，将塔式起重机、施工升降机等运行状态数据记录在塔式起重机黑匣子中，可在设备驾驶舱对人员进行操作警示提醒，再通过GPRS模块将数据传输至智慧工地管理平台，平台可将塔式起重机、施工升降机等运行状态数据进行记录报警及数据分析，并将塔式起重机、施工升降机等数据整合至可在线查看的BIM模型中，使管理者准确知道每个塔式起重机、施工升降机的运行状态，可在网页端、微信端、APP端实时查看状态数据。

2)环境监测管理 环境智能监测系统包含工地气象温湿度监测、扬尘监测(PM2.5，PM10)、视频监控子模块，具体如下：①感知层 污染源在线监测仪包括颗粒物浓度监测仪、气象五参数监测仪、噪声监测仪和视频监控摄像机，对颗粒物浓度、气象参数、噪声和现场视频进行连续自动在线监测；②传输层 采用有线、无线、3G等方式传输监测数据；③平台层 数据服务云平台依托在建工地扬尘监测平台数据，进行系统分析，提供跨区域、全时间、多层次的数据挖掘和对比，为科学治理雾霾提供数据支撑；④应用层 面向环保局、建筑工地客户端系统，实现基于Web的污染源实时数据在线监测、现场图像和视频监控、污染源超标报警及面向不同管理层的管理与统计分析。

3)基于BIM+VR的安全文明教育 搭建BIM安全防护措施体验+VR安全体验的综合安全教育体系，每个工人上岗前，均需参加安全培训及体验，并进行安全技术交底。在施工VR安全体验教育环境下，进行高空坠落、物体打击、用电安全等多方位安全VR体验，提升安全教育效果。

4)基于图像技术的安全帽自动识别及管理 基于无人机及监控航拍的实时图片，采用自动学习算法技术，自动判别安全隐患行为，如未佩戴安全帽、高空作业未佩戴安全带等。实现自动抓拍智能分析及报警，通过人脸识别自动抓拍落实到人，实现安全智能化管理。

3.2 施工质量管理应用

1)三维审图/施工评审技术 在BIM数据支撑下，全方位综合评审图纸、技术、模型、质量、安全进度等，消除全部设计错、漏、碰、缺，针对隐患做到提前防范，进行管理前置，提升管理品质。基于BIM模型实现技术交底、读图讲图，提升会议效率。

通过BIM+MR(混合现实)技术，搭建样板区域BIM模型与MR环境，各方通过MR环境进行样板评审，对施工措施样板、安全文明样板、构造做法样板、安装样板、效果样板等区域提出改善方案。

2)施工方案/施工工序模拟及推演技术 对施工工艺工法流程进行可视化展示。对工艺复杂、质量要求较高的节点部位，利用虚拟仿真技术三维展示关键节点操作及质量标准，制造虚拟环境[4]。结合虚拟仿真技术，完成关键节点的施工模拟，可更直观发现施工薄弱环节，预知安全管理、施工技术等。

3)基于BIM平台的PDCA质量巡检管控 PDCA质量整改追溯机制与基于BIM模型的平台质量巡检整改深度融合，管理团队在巡查中发现的质量问题通过BIM平台进行图文填报，发起相关流程，下达整改通知单，落实责任人，并实现全过程闭环跟踪管理，实现对质量隐患类型的时空分析和对质量管理人员的绩效考核。打造质量交底教育+提前预设+事中动态跟踪管理+动态监控监测+事后总结反馈的全流程一体化质量安全管理机制。

4)基于BIM+三维扫描技术的施工质量控制 通过三维扫描，逆向搭建现场完工的土建现状点云模型，对比扫描模型与设计BIM模型，实现施工偏差及吻合度分析。多阶段扫描数据对比实现关键点位移分析，并基于现状，辅助合龙段的整合应用，确保满足设计要求。

3.3 施工进度管理应用

1)施工进度模拟及推演技术 结合施工进度计划与BIM模型进行4D模拟，演示、推敲、验证进度计划的可行性及合理性，准确显示施工进度各时间点的计划进度，并对比分析实际施工进度，提高管理水平。同时根据总施工进度计划，审核分包部分的施工进度计划，整合4D平台，形成各区域的施工进度4D模拟，并按要求进行实时调整。

2)基于无人机+BIM技术的全景进度监控/施工巡检技术 通过进度形象管理，把全景相机采集的进度数据集成至平台中，对不同施工区域添加进度分析报告信息，方便管理人员管理与查看进度信息。

重要施工工序采用全景摄像机记录施工过程，本项目线路全长12.7km，施工面跨越丘陵盆地及长江，通过无人机航拍大幅度提升巡检效率。

3)计划进度/实际进度全过程管控 施工前通过集成现场管理进度计划，模拟整体施工进度，辅助整体进度把控。搭建BIM施工日志制度，实时跟踪施工进度，通过对比分析计划进度与实际进度，实现施工进度动态管理。并通过无人机采集施工现场全景数据，实现虚实形象进度对比分析及进度可溯性。进度计划管理可由原来的阶段/节点/每月下沉到每月、每周甚至每天，有效提升进度管理的广度及深度。

3.4 施工技术开发及管理应用

1)主塔施工三维放线 该桥主塔外部为二次曲线，整体高度方向及内部空腔呈变角度收缩。施工测量定位难度大，原设计中仅给出底部承台坐标，每个施工节段内、外定位点都需经过传统推导得出，采用传统方式无法准确高效实现坐标测量。基于BIM模型，将大桥整体定位坐标体系转换为重庆市独立坐标体系，在模型中实现任意位置、任意节段的坐标测量[5]，并导出平面CAD图纸，测量坐标效率提升80%以上，坐标精度控制到0.1mm。

2)横梁支架设计及施工监测 基于R+S+M+A的BIM施工管理平台，对横梁支架进行设计、计算、出图(见图6)。支架类施工计算可将二维线框图导入MIDAS进行结构力学分析，或通过.SAT或.Parasolid(x_t)导入有限元软件ABAQUS进行实体仿真分析，分析结果录入智慧管理平台留作实测数值的参照。模型和方案完备后，在Fuzor中进行动画模拟，为专家评审提供便利。

图6 基于BIM的横梁支架设计

在支架使用过程中，采用传感器进行支架关键截面的应力监测，在BIM施工监测系统上实时查看监测数据，并自动生成监测值与理论设计值曲线比对图，可及时发现问题，及时处理。

3)锚碇土方开挖 通过倾斜摄影，导出FBX+点云模型，进入Civil3D进行曲面地形创建[6]，手工创建叠合红线范围内的设计完成面高度，叠合2个曲面，计算实际挖方量。同时通过设计院详细勘察报告，进行三维模型重建，结合倾斜摄影模型规划场地施工道路，设计合理、高效、经济的施工道路，便于边坡支护、余土外运、挡土墙施工。该方法可辅助完善填挖平衡方案，降低弃土填土分配不均产生的额外费用，合理调控施工机械台班数量，并结合无人机全景巡检及全景进度展示，实时把控项目进度。基于BIM的锚碇土方开挖如图7所示。

图7 基于BIM的锚碇土方开挖

4)管道碰撞优化 预应力无缝钢管定位安装按照锚体分层浇筑、预应力钢管分节支撑、管道分段接长的原则施工预应力管道定位支架系统[7]。大体积混凝土冷却水管布置与定位支架系统存在位置冲突，通过建立模型，优化冷却水管和定位支架布置方案，消除两者间存在的碰撞，有效降低图纸风险。

5)钢桁梁吊装 该桥钢桁梁节段呈Z字形，吊装过程中存在位置交错。合龙段受水位、Z字形节段、边跨支架限制，跨中S26～S30不满足缆载起重机最大荡移安全角度，需拆除斜腹杆后垂直吊装。建立精确的模型，协调起吊过程中的冲突部分，制定高效可行的专项方案。基于BIM的钢桁梁吊装如图8所示。

图8 基于BIM的钢桁梁吊装

钢桁架支架靠长江侧延伸距离根据吊装时水位和合龙段位置进行确定，通过模型反复推演，南侧减少2排支架钻孔灌注桩，北侧增加一级平台，既经济又合理。

钢桁梁S26～S29吊装时，由于主缆在该段位置过短，导致荡移角度>15°，超过550t缆载式起重机荡移安全角度。通过拆除斜腹杆，使荡移距离缩小至20cm，可使吊装过程安全顺利。

当S08段合龙时，S08，S07，S09均有干涉，为使钢桁梁在有限空间内(15m)顺利合龙，需拆掉S07与S08斜腹杆。通过模型和动画模拟，详细计算起吊位置和吊绳摆偏角，有利于规避合龙过程的风险。

4 应用效果

通过研发基于BIM技术的施工管理平台，利用网络技术、数据库技术等信息化手段，将工地采集到的数据实时传输到平台，并在控制中心大屏系统中进行展示。BIM施工管理平台取得的成效如下。

1)提升工程质量 施工前利用BIM技术模拟建筑物，预知工程情况，可提前发现存在的问题[8]，如通过多专业集成，及时发现碰撞与冲突，改进设计质量。通过虚拟建造，模拟施工过程，优化施工方案[9]。利用BIM技术监控施工质量，及时发现并解决质量问题，有效提升工程质量。

2)减少投资风险 利用BIM实现施工进度可视化、投资成本可视化，及时快速获得最新、最准确的投资数据，有效管控造价，解决投资分摊等难题，通过减少变更、优化设计等方式减少投资，节约造价、控制投资风险。

3)保证施工工期 通过对各关键节点进行施工进度模拟，优化施工组织，利用BIM可视化远程监控施工进度，利用BIM模型中的数据提升决策效率与质量，如加快招投标组织、生产计划编制、变更决策、支付审核等工作。

4)提升沟通效率 项目部人员通过平台提交质量安全问题，可直接在平台中查看施工情况，减少人员沟通时间[10]。本项目所有工程参与单位、所有工程涉及专业都可利用三维可视化工具进行技术交底，责任清晰，有效提升沟通效率和决策质量。

5)责任可溯性 BIM可加载丰富的信息，整个建设阶段的变更资料信息、施工班组信息、构件施工人员信息、设备验收报告、施工过程中的照片等，均可挂接在模型相应的构件上，进行快速查找定位，增强相关单位的责任心，实现信息、责任的可追溯性。

5 结语

大跨公轨两用悬索桥BIM施工管理平台可总体把控项目进度、安全、质量、技术等，实现集成式三维可视化智慧工地管理，实现基于BIM的可视化集成协同管理。

本项目BIM施工管理平台成功形成企业核心竞争力，可对重庆市、中建系统范围内形成聚集性的示范效应，推进交通行业BIM实施标准化建设，具有很强的推广应用价值。