寧波中興大橋及接線工程BIM設(shè)計與應(yīng)用

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

圖1 工程概況

1 工程概況

1.1 項目簡介

中興大橋及接線工程起于寧波市中興路—江南路口，沿中興北路跨越甬江，止于青云路，全長約2.62km，是通途路與世紀(jì)大道間跨甬江重要的交通主干道。工程總投資22.6億元，主橋采用上層機動車、下層非機動車的雙層布置，主跨400m，V型橋塔橋面以上高度37m，為當(dāng)今全球最大跨徑的單索面矮塔斜拉橋，如圖1所示。

1.2 工程特點和難點

中興大橋位于寧波莊橋機場60m航空限高范圍內(nèi)，同時甬江航道要求主橋一跨過江，因此采用矮塔斜拉橋的方案，創(chuàng)造了國內(nèi)外同類橋型的最大跨徑記錄。橋梁不僅設(shè)計難度高，施工過程中采用支架滑移、橋面吊機拼裝及豎向轉(zhuǎn)體等多種施工工藝，而且周邊環(huán)境復(fù)雜，地下管線錯綜復(fù)雜，地鐵3號線與大橋同步建設(shè)，沿線待拆遷建筑超過120 000m2。

中興大橋建設(shè)條件苛刻、橋梁構(gòu)造復(fù)雜、施工工藝先進、施工場地有限，因此項目從方案階段開始使用BIM進行正向設(shè)計，并積極引入傾斜攝影、虛擬現(xiàn)實等新技術(shù)，實現(xiàn)與BIM的融合應(yīng)用。

2 BIM組織與應(yīng)用環(huán)境

2.1 BIM應(yīng)用目標(biāo)

圖2 本項目BIM應(yīng)用目標(biāo)

圖3 本項目BIM實施方案

針對中興大橋工程建設(shè)的特點，應(yīng)用傾斜攝影、虛擬現(xiàn)實及交通仿真等技術(shù)，結(jié)合BIM模型的碰撞檢測、設(shè)計優(yōu)化及虛擬建造等功能，直觀展示工程整體現(xiàn)狀、確定車道建設(shè)規(guī)模、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計及驗證施工方案可行性等，解決工程周邊環(huán)境復(fù)雜、交通功能多樣、施工場地有限等工程難題，如圖2所示。

2.2 實施方案

在方案設(shè)計階段，應(yīng)用傾斜攝影、虛擬現(xiàn)實與BIM融合技術(shù)，結(jié)合VISSIM交通仿真確定橋型方案及建設(shè)規(guī)模，并利用我院自主研發(fā)的SMEDI-RDBIM系統(tǒng)實現(xiàn)快速化建模。施工圖設(shè)計階段構(gòu)建精細(xì)化模型，利用模型優(yōu)化設(shè)計、模擬關(guān)鍵工序并輔助二維出圖，設(shè)計完成后模型按IFC準(zhǔn)則交付，直接應(yīng)用于大橋施工監(jiān)控BIM平臺。

建模過程中始終遵照《中國市政行業(yè)BIM指南》，并充分繼承我院春曉大橋等項目的BIM構(gòu)件庫，結(jié)合本項目的特點進一步拓展與延伸，形成本項目BIM標(biāo)準(zhǔn)，進一步完善我院BIM標(biāo)準(zhǔn)體系。

2.3 團隊組織

BIM團隊由院總工程師親自帶隊，下設(shè)BIM研發(fā)中心與BIM應(yīng)用工作組，橋梁總工及項目負(fù)責(zé)人進行設(shè)計把關(guān)，并由法國達(dá)索公司提供技術(shù)支持，橋梁、道路、結(jié)構(gòu)、傾斜攝影及VR等不同專業(yè)的工程師相互配合，并實現(xiàn)上海本部與寧波當(dāng)?shù)氐漠惖貐f(xié)同工作。

2.4 軟硬件環(huán)境

BIM設(shè)計以法國達(dá)索3D Experience平臺為基礎(chǔ)，自主研發(fā)SMEDI-RDBIM、SMEDI-Para 3D等三維設(shè)計系統(tǒng)，綜合運用UE4、ANSYS等軟件，實現(xiàn)各軟件之間的信息共享和模型協(xié)同，并利用BIM模型進行二維出圖，如圖4所示。硬件方面采用了大內(nèi)存和高性能顯卡的圖形級工作站，同時配備了專業(yè)級服務(wù)器來存儲數(shù)據(jù)。

圖4 軟件協(xié)同構(gòu)架

外業(yè)影像獲取 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理圖5 傾斜攝影影像獲取與處理

3 BIM應(yīng)用

3.1 BIM建模

BIM建模涵蓋全工程3km2范圍內(nèi)的地形、周邊建筑、道路、橋梁、盾構(gòu)、地下管線、路燈及景觀等。周邊建筑及地形利用傾斜攝影獲取，精度達(dá)厘米級。橋梁、道路及盾構(gòu)等模型按設(shè)計階段不同分不同模型精度：在方案設(shè)計階段，模型等級為LOD1-2，包含構(gòu)件的外形及尺寸等主要信息，可實現(xiàn)快速建模與修改，高效率的確定工程方案； 在施工圖設(shè)計階段模型精度達(dá)到LOD3，鋼結(jié)構(gòu)模型包含基本的板厚、型材以及人孔、過焊孔、焊縫等細(xì)節(jié)，可直接用于工廠加工。設(shè)計模型按照IFC準(zhǔn)則交付，直接應(yīng)用于中興大橋施工監(jiān)控BIM平臺。

3.2 BIM應(yīng)用情況

(1)傾斜攝影、虛擬現(xiàn)實與BIM融合

傾斜攝影測量技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項新的測量技術(shù)。它改變了以往航測遙感影像只能從垂直方向拍攝的局限性[1]，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、傾斜不同的角度采集影像[2]，同時記錄航高、航速、坐標(biāo)等參數(shù)，然后通過專業(yè)程序?qū)A斜影像進行自動分析和整理，從而獲得真實三維影像。本項目在方案階段引入傾斜攝影技術(shù)，利用1臺旋翼攝影相機， 2個工作人員花2天時間即完成3.0km2的現(xiàn)場拍攝，再利用2天時間完成自動建模，如圖5所示。相比傳統(tǒng)的測量方法，傾斜攝影不僅能夠真實地反應(yīng)地物情況[3]，而且無論是外業(yè)影像拍攝還是內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理效率都大大提高。

傾斜攝影可以構(gòu)建工程的真實三維場景，輸出的點云數(shù)據(jù)格式可與Bentley、歐特克等多種BIM平臺兼容，直接應(yīng)用于三維場景設(shè)計?；跀?shù)據(jù)的可量測性，結(jié)合項目的規(guī)劃條件，利用傾斜攝影可準(zhǔn)確計算場地平整方量，了解地區(qū)市政配套設(shè)施及房屋動遷房分布等信息，通過多次拍攝掌握場地在動拆遷期間的動態(tài)變化，輔助土地征用決算，如圖6所示。

圖6 傾斜攝影數(shù)據(jù)測量土地方量

圖7 傾斜攝影與BIM融合

利用我院自主研發(fā)的基于CATIA、面向道路交通設(shè)計SMEDI-RDBIM系統(tǒng)，快速完成道路中心線的平縱設(shè)計并生成三維中心線，基于中心線、橫斷面等信息進行道路模型的快速創(chuàng)建，一鍵式完成橋梁布跨設(shè)計以及管線和附屬設(shè)施的設(shè)計。相比CATIA直接建模，SMEDI-RDBIM系統(tǒng)將道路橋梁及管線的建模效率提高近10倍。

將傾斜攝影真實三維場景與工程BIM精確模型分別導(dǎo)出.fbx格式，在3ds max平臺進行融合，并將融合后的模型導(dǎo)入UE4虛擬現(xiàn)實引擎，通過分析項目建設(shè)對周邊環(huán)境的影響確定橋梁方案，如圖7所示。

借助虛擬現(xiàn)實平臺，有效解決不同設(shè)計專業(yè)之間的協(xié)同問題，同時優(yōu)選各方意見，綜合景觀效果、工程造價及實施條件等多種因素，確定設(shè)計內(nèi)容。通過設(shè)計師和行業(yè)專家的虛擬代入式體驗，從合理性和人性化的角度，對項目進行設(shè)計優(yōu)化，完善交通標(biāo)志、景觀及燈帶等細(xì)節(jié)設(shè)計，如圖8所示。

(2)VISSIM交通仿真

我院自主研發(fā)了基于VISSIM的交通仿真平臺，首創(chuàng)基于BIM模型的車輛路徑快速生成、交通流量自動疊加算法，可一鍵式提取CATIA信息、自動建立仿真路網(wǎng)模型，完成BIM與交通仿真的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)多維度交通評價。

中興大橋原規(guī)劃為雙向8車道，通過在交通仿真平臺中導(dǎo)入路網(wǎng)布設(shè)及道路規(guī)模等信息進行交通仿真模擬后發(fā)現(xiàn)，雙向6車道方案能滿足交通需求。因此推薦主橋采用雙向6車道方案，比原規(guī)劃8車道方案節(jié)約造價約1.2億元，如圖9所示。

圖9 VISSIM交通仿真確定車道規(guī)模

(3)施工圖設(shè)計階段BIM設(shè)計與應(yīng)用

根據(jù)中國市政行業(yè)BIM標(biāo)準(zhǔn)，在現(xiàn)有IFC基礎(chǔ)架構(gòu)上拓展市政橋梁工程構(gòu)件的常用屬性，深度達(dá)到LOD3等級。拓展的屬性集和幾何模型能通過IFC格式跨平臺傳遞與共享，為BIM的全生命周期應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

利用CATIA鋼結(jié)構(gòu)模塊及鋼筋模塊建立全橋鋼結(jié)構(gòu)及部分混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋的精細(xì)化模型，建模時保證構(gòu)件命名規(guī)則的統(tǒng)一性，借助參數(shù)化構(gòu)件加快建模速度。利用CATIA報表功能，精確快速統(tǒng)計工程量，根據(jù)鋼筋碰撞檢測結(jié)果調(diào)整鋼筋放樣。

將BIM模型導(dǎo)入到ANSYS有限元分析軟件，不僅省去大量建模工作，而且BIM模型精度更高，計算結(jié)果更準(zhǔn)確。

根據(jù)管線碰撞檢測結(jié)果，在橋梁施工前實現(xiàn)了對現(xiàn)狀管線的針對性排查，提高了管線遷改的效率。

(4)二維出圖

主橋鋼結(jié)構(gòu)出圖采用CATIA中的AITAC二維出圖模塊，通過定制鋼結(jié)構(gòu)出圖模板，采用三維+二維相結(jié)合的出圖方式，使圖紙表現(xiàn)更豐富、清晰。

自主研發(fā)SMEDI-Para 3D與RADS軟件，并打通與CATIA的數(shù)據(jù)接口，結(jié)合Bridge Wise、管立得等商業(yè)軟件，實現(xiàn)了道路工程、引橋工程及管線的自動化快速出圖。

(5)關(guān)鍵工序模擬

利用CATIA模型進行樁基及承臺施工、主梁邊跨滑移、主塔豎向轉(zhuǎn)體及橋面吊機懸拼施工等關(guān)鍵工序的模擬，驗證施工方案的可行性，并實時調(diào)整時間節(jié)點，統(tǒng)籌安排各項工作。

(6)特大型橋梁施工監(jiān)控BIM平臺

針對中興大橋施工工藝復(fù)雜、安裝精度高的特點，專門定制研發(fā)了國內(nèi)第一個特大型橋梁可視化、動態(tài)化施工監(jiān)控BIM平臺，平臺與BIM設(shè)計模型可無縫銜接。

4 總結(jié)

圖10 中興大橋施工監(jiān)控BIM平臺

中興大橋及接線工程BIM設(shè)計與應(yīng)用覆蓋方案設(shè)計到施工過程的各個階段。在方案設(shè)計階段，利用傾斜攝影與BIM模型融合技術(shù)進行方案比選，通過分析工程建設(shè)對周邊環(huán)境的影響確定最終方案，相比傳統(tǒng)的效果圖形式，由于傾斜攝影三維場景真實、BIM模型準(zhǔn)確，方案分析結(jié)論價值更高。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的代入式體驗，不僅優(yōu)化了交通標(biāo)志、景觀及燈帶等細(xì)節(jié)設(shè)計，同時為建設(shè)各方的交流匯報提供了新的技術(shù)手段。

通過本項目全過程、多專業(yè)的BIM正向設(shè)計，進一步豐富了BIM模型的構(gòu)件庫； 通過自主研發(fā)的SMEDI-RDBIM軟件將道路橋梁專業(yè)的建模效率提高了近10倍，通過自主研發(fā)的SMEDI-Para 3D與RADS軟件，結(jié)合bridge wise、管立得等商業(yè)軟件實現(xiàn)了道路工程、引橋工程及管線的100%自動化快速出圖。

[1] 楊國東， 王民水.傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用及展望[J].測繪與空間地理信息， 2016, 39(1): 13-18.

[2] 王慶棟. 新型傾斜航空攝影技術(shù)在城市建模中的應(yīng)用研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)， 2013.

[3] 李鎮(zhèn)洲， 張學(xué)之.基于傾斜攝影測量技術(shù)快速建立城市3維模型研究[J].測繪與空間地理信息， 2012, 35(4): 117-119.

[4] 劉釗, 袁勝強,黃虹.上海沿江通道越江隧道工程中的BIM技術(shù)應(yīng)用[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2016,8(3)：20-25.

[5] 楊京鵬, 袁勝強,顧民杰.寧波梅山春曉大橋BIM應(yīng)用[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2017,9(1)：14-20.

[6] 袁勝強, 胡程,歐陽君濤.智慧城市云平臺構(gòu)建研究[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2018,10(1)：22-26.