BIM技术在双塔自锚式悬索桥施工中的应用

黄 浩

(中国中铁四局集团钢结构建筑有限公司，合肥 230088)

1 项目简介

沈阳市东塔跨浑河桥位于沈阳市区东南部，浑河城市段上游，王家湾桥下游2 km，长青桥上游3km，为沈阳“一河两岸”的地标性建筑。工程北起沈水东路，南至浑南祝科街，全长1 460m，工程造价3.66亿元。标准段宽43m，砼2.7万方，钢1.8万t。主桥采用五跨双塔自锚式悬索桥(如图1所示)，主跨220m，全长800m，是沈阳地区桥梁单孔跨径最大的且是唯一的一座双塔钢结构自锚式悬索桥，桥梁墩柱率先采用了预制装配式施工工艺。

图1 项目效果图

2 BIM技术的应用

本项目采用BIM技术的原因如下：

(1)东塔跨浑河桥跨河施工，桃花汛和洪水汛期对河道施工影响很大，可利用场地少，临时设施、便道、加工场地布置、筑岛及导流较为困难；

(2)本桥工期紧、任务重，主塔、主桥和引桥内部结构复杂，安装精度要求高，施工难度大，传统CAD深化设计制造加工，易出错；

(3)钢梁、钢塔和缆索施工难度大，安装危险性较高，对吊装的顺序及支架设计的合理性要求高。

根据本工程特点，项目组选用的软件包括Revit、Tekla、MIDAS、Glodon、Navisworks、3ds Max、SmartNest等等。公司配备BIM工作专用服务器、移动式工作站、无人机、二维码扫码终端、虚拟现实设备及其他移动终端。

项目BIM技术应用情况说明如下：

2.1 BIM技术应用目标

基于项目重难点，本工程BIM技术主要应用于深化设计、制造加工、施工管理和竣工等阶段，应用目标主要有：提高便道、加工场地布置、筑岛及导流等方案的合理性与科学性； 提高钢桥深化设计、排版套料、构件加工存储运输信息化管控的质量和效率； 模拟优化钢梁、钢塔和缆索的施工过程，确保施工顺序合理，支架安全可控； 探索应用新科技与BIM技术的融合，拓展BIM技术应用范围[1]。

2.2 BIM技术应用方案

为了高效、合理、深入地发展BIM技术，在项目实施开始前，编制了《沈阳东塔跨浑河桥工程BIM实施方案》，对深化设计、工作方式、协同流程、施工管理、交付标准等都做了详细规定[2]。

建立BIM管理制度，包含例会制度、阶段性成果汇报、工作审查制度、培训制度和考核制度。

制定一系列BIM实施标准，主要有信息模型创建实施细则、信息模型数据分类与编码实施细则、信息模型交付实施细则和信息模型应用实施细则。

2.3 BIM技术应用流程

在BIM项目实施过程中，为保证BIM工作有序无误地进行，制定合理的BIM技术应用流程(如图2所示)，通过统一的工作流程，保证BIM模型、深化设计和现场施工三者之间能够合理、高效的衔接和实施。

2.4 BIM建模与优化

使用BIM软件建立土建、钢结构和场地模型，深化设计模型精细度达到LOD350(如图3所示)。

图3 模型整合后效果图

(1)图纸会审优化建议

建模时对全桥进行图纸会审(如图4所示)，解决重要图纸问题24处。针对横梁与塔柱连接部位提出优化建议，提高了现场构件对接的准确性，焊接更加方便，节约了工期2天。

图4 图纸审查

(2)吊装分块优化建议

为寻求更快的工艺，建议将梁段长度9m，改为12m，梁段减少10段(如图5所示)。在满足构件运输的前提下，减少了钢梁焊接工程量、提高了钢梁的吊装速度，为按期完工奠定了基础。

图5 吊装分块优化

2.5 场地BIM技术应用

针对采用BIM技术的原因一，利用BIM技术的可视化、优化性等特点来进行施工总平面布置，提高便道、加工场地布置、筑岛及导流等方案的合理性与科学性。

(1)施工总平面布置

传统二维施工总平面、立面布置图局限性大。由于本项目跨河施工、可利用场地小，项目人员在BIM软件中分阶段布置南北岸存梁场、提升站、栈桥便道、机械设备、项目部等，形象地展示了施工各阶段现场道路运输及场地布置情况(如图6所示)，提高了施工布置的准确性和合理性。

图6 施工总平面布置

(2)倾斜摄影实景建模

筑岛施工完成后，利用GPS设置相控点，使用无人机倾斜拍照，建立筑岛土方实景模型(如图7所示)，由此辅助筑岛范围尺寸测量和土方工程量计算，比常规方格网法算量效率提高了80%以上[3]。

图7 筑岛实景建模

(3)北岸拼装场地优化

结合BIM可视化技术进行北岸拼装场地方案比选及优化设计(如图8所示)，从拼装场垂直桥轴线布置、采用提升站提梁，更改为引桥上设置拼装场，顺桥轴线布置。

图8 北岸拼装场地优化

2.6 钢结构专业BIM技术应用

针对采用BIM技术的原因二，利用BIM技术的优化性、可出图性等特点提高钢桥深化设计、排版套料、构件加工存储运输信息化管控的质量和效率。

(1)深化设计

传统的钢结构深化设计采用CAD放样，耗时耗力，手工放样易产生偏差。尤其是桥梁结构新颖、造型独特，钢箱梁和钢塔加工制造极具挑战[4]。本桥采用Tekla软件建立全桥模型，模型准确无误。

(2)三维出图

基于BIM模型直接输出钢箱梁的零件图、板单元图、节段拼装图，模型与图纸一一对应(如图9所示)。单根构件出图时间，传统出图为6天，BIM模型出图为1.5天，节约人力成本10万元[5]。

图9 三维出图

(3)数字化加工制造

将全桥钢结构模型输出NC文件，导入SmartNest软件中排版套料[6]，生成G代码用于数字化加工制造，较手动排版效率提高280%，料损降低1.8%，节约成本20万元[7](如图10所示)。

图10 数字化加工制造

(4)构件物料管理

公司以往在零配件管理上投入大量的人员进行重复性劳动，还经常出现人为错误。自主研发的二维码管理系统融合了BIM、信息化、物联网、大数据分析等手段，实现钢构件从加工到安装全过程跟踪管控(如图11所示)，准确率提高70%，工作效率提高50%[8]。

图11 物料管理系统应用流程

2.7 施工过程BIM应用

针对采用BIM技术的原因三，利用BIM技术的可视化、优化性、模拟性、协调性等特点模拟优化承重支架以及钢梁、钢塔和缆索的施工过程，确保施工顺序合理，支架安全可控。

(1)承重支架设计优化

利用MIDAS软件建立箱梁临时支架模型，过程中依据现场实际多次优化调整(如图12所示)，确保支架设计科学、安全、合理。支架施工工期缩减30天，测算成本节约335万元。

图12 承重支架设计及优化

(2)吊装方案比选优化

吊装方案编制过程中，通过BIM技术分别模拟从架桥机到履带吊，再从梁上吊梁到履带吊地面筑岛吊装的施工过程，辅助设备选型、主塔吊装和缆索施工过程推演和方案优化(如图13所示)。通过优化吊装设备，取消地面拼装工序，横梁吊装支撑支架改为斜拉，节约设备和措施成本近530万元，功效提高了4倍。

图13 吊装方案比选优化

(3)进度管理系统

在进度管理系统中将东塔桥模型与进度计划相结合，按照流水施工要求进行全桥施工模拟(如图14所示)。及时地发现问题，有助于针对性地调整施工计划。在主梁吊装过程中，产生了五个进度滞后问题。例如工厂加工滞后、吊装队伍人员不足、支架搭设滞后等，系统形象化展示计划进度和实际进度的对比偏差，指导施工方采取沟通协调加工厂、变更施工方案、调整机械人员等措施，从而实现施工进度可视化管理，达到优化施工进度，节约成本的目的[9]。

图14 进度管理系统

(4)成本管理系统

按统计需求，由BIM模型自动导出构配件工程量，较人工手动计算和拆分工程量而言，效率有了极大地提升。形成EXCEL表格导入到成本管理系统中进行变更、预算、劳务、物资和设备等管理(如图15所示)，提高对项目成本的管理能力。

图15 成本管理系统

(5)安全质量隐患排查系统

通过安全质量隐患排查系统，实现现场巡检、数据上传、问题整改和检查验收的管理闭环(如图16所示)。施工过程中，累计发现安全质量问题200余处，整改效率相较于传统方式提高80%，而且问题可追溯。

图16 安全质量隐患排查流程

3 BIM技术创新应用

3.1 BIM+VR

将模型与虚拟现实技术相结合，施工人员佩戴虚拟设备可以在三维虚拟世界中实时、无限制地观察模型，真切地感受到桥梁建设过程中的场景[10](如图17所示)。

图17 虚拟现实应用

3.2 BIM+AR

利用增强现实技术将BIM模型跟图纸建立对应关系，施工人员只要扫描图纸，就能看到它对应的三维模型。相比于带蓝图的传统方式，在施工现场查看二维图纸和对应三维模型，既方便快捷又形象直观(如图18所示)。

图18 增强现实应用

3.3 BIM+XR

由于建设、设计和监理单位无相关BIM软件，无法查看模型。项目组使用交互式渲染技术制作网页格式文件，参建单位通过网页中交互式查看三维模型(如图19所示)，在沟通图纸会审问题和节点优化时发挥了重要作用。

图19 交互式全景应用

3.4 BIM+交互式3D文档

传统技术交底使用大量文字和二维图片，交底时枯燥乏味、交底不清，导致返工的现象时有发生。使用交互式3D文档制作技术交底(如图20所示)，交底人员可通过点击按钮分步骤查看技术交底。每个步骤配上文字说明、措施方法、安全事项、施工图片等信息，方便项目部和施工人员理解图纸，减少返工。

图20 交互式3D文档

3.5 BIM+3D扫描

运用三维激光扫描仪采集构件空间几何信息，将BIM模型与采集的点云数据进行对比分析，通过三维模型直观显示BIM 模型与扫描模型之间的偏差情况，导出数据报表，展示构件的加工制造偏差值及偏差分布情况(如图21所示)。例如扫描一个钢箱梁标准构件为1人8小时，而传统检查需要2人5小时，并且检查易露项、出错率高。三维扫描不仅加快质量检测速度，最重要的是提高了准确性。

图21 3D扫描质量检查流程

4 应用效果及总结展望

本项目应用BIM技术解决了遇到的可利用场地少、汛期影响大，钢结构深化设计、加工精度高，施工难度大、安全风险高等难题，保质保量完成施工任务，共节约施工成本1 300余万元，缩短工期约65天。BIM技术的应用改变了项目管理方式，提升了管理水平，推动了BIM技术进一步落地。本项目创新研发了二维码管理系统，对倾斜摄影、VR、AR、XR、3D文档、3D扫描进行了探索应用，有效地提升了桥梁建设品质。该成果获得中国市政工程学会“第二届市政杯BIM大赛”单项一等奖、中国图学学会“第八届龙图杯全国BIM大赛”施工组二等奖等共7个奖项。

通过本项目的BIM应用， 项目组认识到BIM技术在钢结构工厂里的应用非常成熟且效果显著。但是施工现场BIM应用多以可视化、模拟性为主，BIM平台应用落地不足，以及信息化系统存在功能交叉、结合不紧密等问题。针对这种情况，中铁四局集团正全力推进信息化贯通工程建设，开发中铁四局云系统，以BIM模型为基础，整合现有进度、成本、安全、质量等平台，进一步提高数据资源质量，保证各类数据合理、有序流动，推动中铁四局数字化建设协调、有序发展。