BIM-4D 技术在桥梁工程中的应用

■王金露 朱贤皓 艾四芽 鲍丹宇 许 坤 余洁歆 许 莉

（1.福州市城乡建设局，福州 350000；2.福州大学土木工程学院，福州 350108；3.福建省交通科技发展集团有限责任公司，福州 350004；4.福建省二建建设集团有限公司，福州 350003；5.北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京 100124；6.福建江夏学院工程学院，福州 350108）

随着我国许多大型工程的兴起，传统施工管理方式的弊端逐渐进入工程设计师的视野，有部分学者研究了传统施工的弊端，同时也有不少学者发现了BIM-4D 的创新之处，目的在于解决我国现有工程中的难点问题。 程立祥[1]表明施工作业的条件较复杂，不确定因素较多，无法准确预测施工中可能出现的情况；乔亚妮[2]总结出传统施工管理需要大量的人工测量、误差分析以及后期检测，才能确保工程不会出现安全隐患；温海燕[3]表示BIM-4D 能够编制时间进度表，将建设项目的施工工程通过三维模型表现出来，能够提早模拟施工全过程，提前对施工进行分析，并提供依据和参考，以便工程施工管理的控制和优化，从而减少施工中埋藏的工程隐患。BIM-4D 技术具有简洁智能、直观高效、能实现隐患排查以及实时施工模拟等优点，能很大程度上解决传统施工技术的弊端。知晓BIM-4D的优点，摆明传统施工技术的缺点，并了解如何利用BIM 破解这些问题，才能更有效地利用BIM-4D 技术。

1 传统施工管理的弊端与创新分析

目前，我国大多数的工程管理皆按照传统的二维图纸和已有的经验进行施工。 但随着我国大型工程的兴起，体量大、周期长、工序多对传统施工管理方法是巨大的挑战，传统二维施工图纸存在容易出现数据缺漏，且立面图、剖面图不够直观等问题[4]。当工程体量加大、结构体系复杂时，传统施工管理的缺陷便会体现出来：如果建筑、结构、电气、管道等各个单位协调不充分，那么各个构件和管线就会发生冲突和碰撞， 造成不必要的停工甚至返工，极大地影响施工的进度，增大工程的投资损耗；在复杂的结构体系下，依靠传统经验对施工设计的可行性、 控制优化以及后期的事故进行分析和预测，很有可能会由于思维惯性忽略一些重要因素，舍本逐末，更无法继续开展精确的定量分析[4]。

技术进步与经济增长促进了我国土木工程行业长远持续发展，亟需改进我国传统的施工管理方式，顺其本源，从其弊端上找到创新的突破口。 二维图纸不直观，则考虑是否能建立3D 模型甚至4D 模型，将信息数据导入模型当中，让原本体量大、结构体系复杂的工程浓缩至简单直观的模型，且各个单位皆可通过此模型进行交流与分析，从而改善因二维图纸的缺陷带来的一系列问题。 在施工质量方面，由于惯性思维与已有经验或许存在缺陷，可能会使设计方案中存在安全隐患，因此还欠缺一套可以检测施工品质的体系，考虑能否引入智能且自动化的技术对一系列数据进行充分比对，模拟现场施工，对施工质量进行实时全面的监测[5]，从而发现问题所在。 从以上几点出发，课题组想到近年来风靡土木工程行业的BIM-4D 技术，若运用得当，能够很好地解决传统施工技术的缺陷问题。

2 BIM-4D 模拟技术的优点及技术手段

2.1 BIM-4D 模拟技术的优点

BIM-4D 模拟技术是把设计阶段创建的3D 模型加上时间的维度， 与施工进度计划进行关联，包含质量、资源、安全、成本，按照各个单位的需求提前模拟现场施工过程，实现虚拟建造，使施工全过程能够直观地向人们展示[6]。BIM-4D 模拟技术除了能实现虚拟建造，实现施工过程的可视化，还能结合施工现场的环境、施工进度等对原先的施工管理方案进行客观评价以及相应的修改。 此功能需要时刻依赖BIM-4D 技术实时监测施工现场，并实时采集施工数据。 数据采集功能依靠先进的技术手段，目前三维坐标的采集有2 种方法：照相机测量技术和激光扫描技术[7]。BIM-4D 实现了施工进度的监测和成本的掌控，并在施工期间对先前的方案进行更改。 利用完善的数据4D 模型，可以改进施工交互，显著改善返工和漏工问题，使施工人员更好地理解施工操作过程，提高施工、运营管理效率，提前排查施工作业中埋藏的安全隐患。

针对传统施工管理的缺点，BIM-4D 模拟技术可以高效地提供各个单位所需的所有数据信息，提高施工工程各方面的运营管理效率， 增强各个项目参与者的协调性，减小构件、管线冲突与碰撞的可能性。 BIM-4D 模拟技术可自动计算工程材料用量，为施工作业提供完善的设计方案，为工程计算提供精准的数据库， 从而避免传统施工管理中惯性思维和传统经验的弊端，使施工设计的可行性提高，对后期事故的分析与预测也更加的精确周密。

2.2 BIM-4D 模拟技术的技术手段

由图1 可知，4D 技术主要在平台层、模型层、应用层施展。 平台层包含BIM 数据集成与管理平台以及4D 可视化平台。 BIM 数据集成平台可以快速地对施工数据进行读取、保存、提取、集成、验证构件具有信息的数据模型[8]。 4D 可视化平台提供了视图变换、图形控制、动态漫游等功能，如图2 所示，对后续施工过程、运营维护起到了至关重要的作用。

图1 工程施工BIM 应用的技术架构

图2 BIM-4D 实现漫游、二次装修以及事故紧急预案展示

模型层是将平台层所收集的信息分成若干子信息模型，包括：4D 施工优化子信息模型、4D 施工管理子信息模型、4D 施工安全子信息模型、施工现场动态时空子信息模型、 项目综合管理子信息模型[9]。 将数据模型分类后能提高BIM-4D 模型效率，使其更加智能化。

应用层是基于模型层的应用系统， 也是BIM-4D 技术在功能上展现的重要一环， 包括BIM-4D技术施工过程模拟与优化、BIM-4D 施工进度、资源、成本及场地动态管理、BIM-4D 施工安全与冲突分析、设计与施工碰撞检测、项目综合管理等[8]。

各层环环相扣，构成了BIM 工作的技术架构，最终实现了丰富的功能应用。由于BIM-4D 拥有以上功能应用，其相较于传统施工管理能够更智能地实现先模拟后建造的活动[10]，可以提前分析出施工作业中的难点以及关键点，减少施工周期，降低施工成本。

3 BIM-4D 技术在桥梁工程中的应用

3.1 工程概况

福州工业路某项目改造工程（图3）为城市主干道，主路设计速度50 km/h，辅路设计速度40 km/h，改造起于K0+730，止于K1+500，改造长度1.77 km，改造宽度40 m。 主路新建高架桥起于K0+730， 止于K0+230，长度为500 m，标准宽度为18 m；主线新建高架桥起于K1+935， 止于K2+500 长度为565 m，标准宽度为18 m；辅路为路面扩宽改造。

图3 福州工业路改造工程

其施工难点主要为：（1）地下二维管线综合图纷繁复杂，虽有部分剖面图，能表现上下层关系，但大部分地方不够直观；（2）项目面临人车流量大、地下管线复杂、施工操作工作面狭窄等问题，如何制定合理、有效的交通导改方案；（3）工业路与杨桥中路顶管位置地下管线复杂、与地铁盾构区间距离较近，如何控制顶管安全施工；（4）施工任务重，工期紧张。

3.2 BIM-4D 模拟技术在应用成果上的优势

3.2.1 搭建标准化族库彰显简洁智能

工业路地下管线复杂，工程量大，针对此难点，BIM 在项目开展前期，采集并集成工业路改造项目所需的主要族文件，并在项目开展过程中通过BIM 的照相机测量技术以及激光扫描技术逐步将数据库扩充，目前已经完成项目部、地下管线、交通导改、顶管、新建桥梁部分族库搭建，如图4所示，族库拥有100 余个族文件，满足基本项目各阶段应用需求。 对于体量庞大的工程，其不同类型族库的建立可以使数据充分保留，避免传统施工中人为因素引起的缺失，并且在操作上也摆脱了普通图纸与表格的束缚，使操作起来更加简洁，智能。

图4 工业路部分数据族库

3.2.2 搭建虚拟模型彰显直观高效

工业路工程量大，图纸纷繁复杂。 针对传统二维图纸不够直观的问题， 施工方采用了BIM 技术。BIM 后期为不同作业搭建多个的虚拟模型将传统二维图纸上的图形以3D 甚至是4D 的形式更加直观地展示出来，如图5 所示，将体量庞大的工程浓缩至一个信息模型上，从而让施工单位能够更充分地理解设计方案，提高了施工作业的效率。

图5 工业路新建高架桥的虚拟模型

3.2.3 设计审查以及碰撞检测实现隐患排查

工业路高架桥上部均为钢结构，对数据和模型精度要求较高， 模型搭建完毕后，BIM 可对内部细节进行检查，如图6 所示，减少因设计工作不完善而导致的问题，防止各类建设项目管理、设计环节和成本环节出现问题。 BIM-4D 技术将设计方案进行模拟，不仅可以对设计工作进行成本核算和模拟工作，减少设计师因惯性思维引起的设计失误，还可以在时间维度上利用工程建设的视觉和动态功能，高效地开展工程设计工作。

图6 设计审查过程中发现Y8 墩柱模型上数据的差异问题

工业路与杨桥中路顶管位置地下管线复杂、与地铁盾构区间距离较近， 确保施工安全极为重要，需及时检测安全威胁，并实施相应措施进行防范。 在工业路改造工程中，因传统施工无法精确、快速地监测到安全隐患， 故采用了BIM 当中的碰撞检测功能，在实际施工前，检测是否有构件发生碰撞，如图7 所示，预测施工作业中埋藏的安全隐患； 利用信息技术对施工现场的各类数据进行采集，并与数据库作比对分析，及时发现存在的设计问题。利用BIM 技术的优势，在施工前就能预测安全隐患所在，并快速铲除，降低了返工的概率，也确保了施工以及后期工程的安全， 避免了传统施工的弊端。

图7 污水管与桩基的碰撞检测功能

3.2.4 施工模拟实现施工进度实时监测

工业路人车流量大，需要实时监测施工作业的进度情况。 针对传统施工无法实时监测施工进度的缺点，如图8 所示，将BIM 与施工进度结合，不但使施工单位可以及时监测施工进度，后续还能够按照现实情况及时地进行调控，这些创新是传统施工所欠缺的。通过BIM 的模拟技术将多种施工管理方案进行模拟实施，可以快速地发现不同设计方案的优势和缺陷，暴露设计方案中的问题，以得出最佳的施工方案。 同时，对于原先无法模拟项目中的难点，皆可以精确到时、分甚至秒进行模拟。 利用BIM-4D 实时监测工地施工进度， 同时收集整理各项目进度的数据信息并反馈至BIM 模型，再将施工完成的部分作为今后施工的依据与约束，不断更新后续工程作业使施工项目达成目标，符合最终标准。

图8 三维方式展示施工进度组织

3.2.5 实现Dynamo 参数化建模

Dynamo 是基于Revit 的参数化设计的一个辅助工具，借助其丰富、强大的功能，与Revit 配合使用，可提高BIM 建模效率。Dynamo 属于一种可视化的编程工具，如图9 所示，它可以将Excel 的表格数据信息、三维数据信息、BIM 的构件指令信息等进行联动，从而实现一些更复杂的，批量重复性的操作，减轻因工程复杂而造成的巨大建模量。 在福州工业路工程项目当中的高架桥梁部分，由于构件类型复杂，构件族类繁多，构件信息十分庞大，因此BIM 借助Dynamo 的二次开发对承台、桥墩、盖梁、箱梁进行参数化建模，如图10 所示，通过读取Excel 中桥梁参数数据，快速准确地对应、匹配至高架桥梁部分的几何模型，进行参数化建模。 引入此项技术避免了因构件位置、类型的不同而放大工程建模量的弊端，打破了手动导入参数信息的模式，从而有效地提高BIM 建模效率。

图9 Dynamo 实现参数化模型

图10 桥面参数化建模

4 结语

本文阐述了传统施工管理的弊端，提出在3D的基础上引入时间维度造就的BIM-4D， 为所有施工参与者提供了一个顺畅沟通和共同协作的工作平台；其为桥梁工程施工完善设计、识别安全隐患、减少施工周期、降低施工成本做出了重大贡献；其搭建虚拟模型、设计审查、碰撞检测以及施工模拟的功能解决了施工过程中可能出现的安全隐患，降低了因惯性思维、设计误差造成的返工可能性。