BIM 技术在某跨海大桥项目建设中的应用

2023-12-28李昕懿刘俊徐文曹源冯宗宝刘鹏程

土木建筑工程信息技术 2023年6期

李昕懿刘俊徐文曹源冯宗宝刘鹏程

（华中科技大学土木与水利工程学院，武汉 430074）

引言

BIM 技术能模拟施工过程，可视化指导项目设计、建造和管理，显著提高工程效率和质量[1,2]。桥梁作为基础交通设施的重要组成部分，其设计、施工和管理等各方面都具有高水准的要求[3]，而BIM 技术能够实现方案设计、模型构建、施工模拟与建设管理等各方面的综合提升[4]。目前我国在建筑、水利工程、地铁隧道等领域的BIM 应用已经比较成熟，而桥梁工程BIM 应用还处于起步阶段[5,6]。金沙江双线特大桥通过BIM 技术建立了桥梁精细化模型和钢筋模型，实行了施工可视化模拟。平塘特大桥基于BIM 技术构建了项目管理信息共享平台，实现了桥梁建设的信息化管理[7,8]。刘祖雄等[9]基于BIM 技术大大提高了桥梁工程的经济效益和管理效益。BIM 技术的数字创新应用提高了澳门第四条跨海大桥的现场施工效率[10]。以上研究多从BIM 技术在桥梁工程领域的单一场景应用出发，是对设计、建造与管理过程中的某一方面进行的探索。虽然从研究深度来看，在单一阶段的应用已经取得了一些成功的案例，但鲜有串联起智能化设计、建造与管理并展开系统性分析的案例。在桥梁建设中使用BIM 技术已经成为了桥梁工程技术的发展趋势[11]，各工程参与方均在探索智能化、信息化技术在桥梁工程领域的真正价值。

本文依托于某跨海大桥项目，采用BIM 技术，对桥梁主要构件和钢筋进行全桥的参数化建模，完成了可视化设计图纸审核、工程量统计、三维方案推演和技术交底等工作。同时，通过质量安全的协同管理以及公路产品信息数据库的构建，实现BIM 技术的升级。

1 工程概况

某大桥及接线工程是连接温州、台州两地的海上通道，全桥由1 号桥和2 号桥两项关键工程组成，1 号桥主桥采用跨变截面节段梁连续刚构，2 号桥主桥为双塔双索混凝土斜拉桥，大桥总长38.168km,总投资约120 亿，具体接线工程图如图1 所示。

图1 跨海大桥接线工程

2 BIM 技术在设计中的应用

2.1 构建BIM 模型

该项目以施工设计图为基础，利用Revit 软件进行参数化建模，构建了桥梁主要构件和钢筋的精细化模型。跨海大桥BIM 模型如图2（a）～（b）所示。

图2 跨海大桥BIM 模型

节段梁采用Revit 软件建模，利用结构框架族样板文件，结合节段梁截面尺寸信息创建出以数据驱动模型的参数化族文件，并根据图纸绘制节段梁轮廓，应用Curve. PointsAtChordLengthFromPoint 节点上返回的chordlength 均匀分布点，同时选择组件类型，将实例命令按点放置。ByPoint 会自动在Revit 项目文件中布局工件。

2 号桥主塔内部造型复杂，常规方法极难准确统计钢筋量。在主塔模型完成的情况下，通过Revit 建立主筋、箍筋等参数化模型，参照设计图纸，将不同钢筋按剖面绘制于主塔中。利用钢筋依附于混凝土结构存在的特性，此方式在改变主塔节段高度的情况下，钢筋长度自动参变，钢筋参数化模型如图3（a）～（b）所示。

图3 钢筋参数化模型

2.2 可视化图纸审查及工程量统计

可视化图纸审查具体包括主塔设计图纸专业模型三维审图和主塔施工阶段爬梯BIM 模型图纸深化审核。在Navisworks 中，对钢筋和预应力梁等模型进行碰撞检测，在空间上检查主梯架和主塔设计的合理性，利用施工过程中的放样坐标对设计图纸进行三维校审。大桥设计碰撞成果和临时结构碰撞成果如表1 ～表2所示，主塔施工阶段爬梯BIM 模型图纸深化审核如图4 所示。

表1 设计碰撞成果

表2 临时结构碰撞成果

基于BIM 模型的工序时间属性、原材料属性及结构物参数属性，可有效提高统计效率项目，减少统计人员的工作。

（1）主塔节段钢筋统计

运用Revit 对主塔钢筋分节段钢筋实体建模，BIM模型在快速准确统计出各节段钢筋工程量的同时，提高了对材料的整体管控能力。

（2）钢锚梁材料统计

利用大桥钢锚梁的参数化建模以及BIM 模型的自动算量功能，将获取的工程量数据信息与设计量进行对比分析，实现快速的钢结构工程量统计，在为项目材料成本管控提供了可靠有力的依据的同时也为现场施工提供了可靠的施工方案。

基于Revit 的插件Dynamo 以及Python 语言的自由编程，通过模型与程序的挂接，能够保证构件分项表面积及总和数据快速且准确的输出。

（3）节段梁钢筋、混凝土统计

预制节段梁参数化建模可以快速准确地统计出钢筋、混凝土工程量，交付经营部进行计量工作。

3 BIM 技术在施工中的应用

3.1 三维方案推演及技术交底

运用Navisworks 软件对主塔及钢梁的施工方案进行虚拟仿真，识别施工过程中的关键点，找出各构件的时间和空间冲突，Naviswork 模拟索塔钢梁施工方案如图5 所示。

图5 Naviswork 模拟

在制定2 号桥主塔施工方案时，采用三维BIM 模型方案与现场技术人员进行可视化交底，协助测量人员直接从模型中提取现场放样坐标。主墩0#块支架方案BIM 设计可视化交底如图6 所示。

图6 主墩0#块支架方案

3.2 工程数据库交互应用

统一BIM 模型编码，将BIM 模型导入管理平台。采用企业云技术，实现人员库、机械库、材料库、工序库等统一编码数据库化，各工区技术人员可通过云数据将现场施工实时信息上传到管理平台，形成互联网信息协同管理的基础工程数据库，从而实现进度、质量、安全、经营成本数据流与BIM 模型互联互通。

（1）进度管理

BIM 平台提供了基于project 模式的进度计划编制模块，子父任务的划分，工期节点的确定，前置任务的设置和计划逻辑之间的梳理均可方便快捷处理，是编制计划的良好工具。同时，在根据实际情况调整计划时，调整一个节点的计划，后续与之关联的计划任务均可相应调整，调整计划方便快捷。另外，通过计划与三维模型相关联，能可视化查看每一个计划任务对应的施工部位以及未来每一个时间点下工程实体将处于的进度状态。

通过现场施工人员利用手机客户端，录入实际进度，实际完成的工程构件就能三维可视化展现在模型沙盘中，可实现进度计划与实际进度的可视化对比，如图7 所示。同时，系统带有延误提醒，根据编制的进度计划，对到期实际未完成的构件进行提醒，及时通知相关人员进行进度纠偏。

图7 某时刻下计划进度沙盘展现

此外，根据实际的施工进度情况，系统能够自动统计已完工的结构物构件数量，作为形象进度统计。同时，关联工程的构件工程量清单单价，统计选定时间内的产值，以模型的形式显示结构物计量情况，帮助管理人员进行进度管理，如图8 所示。

图8 构件计量情况明细

（2）质量管理

在BIM 系统中，将该标段评审完毕的设计图纸、施工组织、施工技术方案、质量保证体系、质量通病清单以及避免措施等技术性文件上传至BIM 系统，形成相关的数据库，在后期执行时，可直接利用手机APP 便捷查看，指导施工。

BIM系统提供了工序验收协同工作模块，工序完成，项目部质检人员使用手机app 发起工序验收流程，监理现场查验拍摄照片存档并审核现场验收记录表，针对隐蔽工程，须把关键的影像片段上传存档，如图9 所示。

图9 工序验收流程

在质检过程中，利用BIM 移动端质量问题整改闭合功能，将发现的质量问题以照片和文字描述的形式发送给负责人进行整改，并且在线跟踪问题整改情况，如图10 所示。BIM 系统还提供人员责任追溯模块，确定每个工程部位的质量管控相关责任人及责任班组名单，便于在后期的责任追溯落实中提供凭证。

图10 质量问题在线整改闭合

（3）安全管理

通过扫描施工现场二维码，能够获取该区域安全隐患排查清单，根据清单细目可对现场安全隐患进行排查，运用BIM 平台手机客户端的“协作”功能，上传安全问题，下发整改通知，指定相关责任人进行整改，责任人员对安全问题进行整改后，将整改情况上报相关领导进行签字闭合，整个过程均可通过手机线上完成。此外，在施工现场设置视频监控点全部接入指挥部视频监控中心与BIM 平台关联，可对重要施工部位、隐蔽工程质量安全进行全方位监管，链接监控视频如图11 所示。

图11 链接监控视频

对装配式构件预制加工厂进行BIM 三维建模，形成可视化三维模型沙盘，将场内的所有结构、设备均当成独立的对象进行可视化管理。在模型沙盘中对应位置设置视频监控点，点击监控图标查询现场对应摄像探头的监控影像，实现对厂内各位置的实时安全监控。对场内重型吊装设备，接入应力监测系统，及时反馈设备受力部件的安全状况。模型沙盘接入环境影响监测设备，对PM2.5、温度、湿度以及噪声进行检测，并自动预警。通过模型与数据对接，对各类传感监测设备集成提供智能化的实时监测，事故预警功能，大大提高抢险效率。所有的监测数据，均通过系统自动分析，并以可视化图表的形式，展现在预制厂的监控中心大屏上，以供实时查询和调取。装配式构件预制加工厂三维模型沙盘及监测数据如图12 所示。

图12 配式构件预制加工厂三维模型沙盘及监测数据

（4）地质地形查询管理

基于BIM 平台，可建立项目的地质地形三维可视化模型，便于可视化查看桥位每个桩位下的地质情况，并且可以通过测量以及剖面，快捷查阅钻孔到某一深度的地质情况。根据设计院提供的电子地形图，生成主通道地形曲面，可较为方便地查看地形起伏情况，并尝试计算部分挖填方路基的土方量。通过导入卫星影像照片，能够实现主通道全桥以及预制厂的三维实景漫游，通过场地漫游，可以进行场地布置优化等工作。三维地质地形查询如图13（a）～（b）所示。

图13 三维地质地形查询

4 BIM 技术在生产中的应用

4.1 CAM+MES+RFID 自动化流水线信息采集

计算机辅助制造（CAM）是利用计算机辅助完成从生产准备到产品制造整个过程的活动。现代化制造业（MES）是依靠信息管理的一个精确的执行过程，这必然要求对计划和执行进行精确的比对，因此无线射频技术（RFID）作为一种数据自动采集与管理的手段，可以向已有的制造执行系统可以发送准确、可靠的实时信息流，从而创造附加值，提高生产率。为构件设置“电子身份证”，感应桩工序可以自动采集信息，实现信息可视化展示和自动化监控。CAM、MES 和FRID 三大功能模块各尽其职又相辅相成，覆盖了数控生产的技术、运行和管理的全过程。

4.2 设计生产一体化

预制构件模板分块较多，可对模板分块进行单独编码标记，再将模板进行参数化建模、分类、对应编码标记和入库。开发基于BIM 软件的插件，通过对BIM 模型构件与模板匹配，计算机根据模型长宽高自动计算，得出合理的模板拼装编号，直接在现场进行取模、拼装以及生产，模板设计一体化如图14 所示。

图14 模板设计一体化

针对装配式预制构件不可逆转的施工过程，以及现场向工厂转变，实体向模型转变，基于BIM 平台，通过虚拟拼装技术的引入，不仅能对已完成构件进行视拼，还能根据当前构件数据结合三维打印或直接提交误差报表，对下个相邻构件进行调整。

5 构件信息全生命期追溯管理

通过利用构件产品全生命期一体化数据库的应用，实现预制场数据采集智能化、生产流水化、管理信息化以及应用智慧化。

5.1 公路产品信息数据库建立及应用

构件产品设计之初，建立三维可视化BIM 模型作为集成平台，从而使专业的协同达到更高层次。使设计信息直接流入施工过程，为施工过程提供三维可视化信息模型。同时可将标准化构件进行参数化建模、模块化组装、系统化入库处理，便于随时在云端调取使用。BIM 模型原始数据如图15 所示。

图15 BIM 模型原始数据

通过BIM 信息管理平台，实现预制构件生产过程的可追溯性。每个构件设计、施工和交付信息均通过手机移动端APP 及电脑端BE 进行录入，构件从加工到安装状态时间、工序、加工地点均进行全阶段的记录，形成数据进度图表。全部构件均生成唯一的二维码进行统一管理。预制产品的原材料信息、技术标准等信息通过智能化信息采集工序交接，形成构件产品基于BIM 的可视化数据库，为运维阶段提供可靠数据信息，实现产品信息全生命周期的可追溯管理。