BIM技術在禹門口黃河公路大橋項目中的應用

黃少華，楊博婷

(中交隧道局第二工程有限公司，陜西 西安 710000)

0 引 言

建筑信息模型(Building Information Modeling)技術自2003年進入中國以來，獲得政府及業(yè)界的高度青睞和推廣。目前，國內(nèi)對BIM技術的相關研究及實踐仍處于探索階段，相比建筑工程，市政工程在BIM技術運用上明顯經(jīng)驗不足。國內(nèi)學者對BIM技術做了相關研究，張利紅簡述了BIM技術在建筑施工中的應用程序，從碰撞檢測、進度管理、組織協(xié)調(diào)能力分析等方面，闡述了建筑施工中BIM技術的應用[1]；董君等根據(jù)高速公路工程建設中隧道襯砌的特點，通過高速公路工程建設實例，應用BIM技術，擴寬了BIM技術在高速公路工程建設領域的應用范圍[2]；趙蕾等結合新疆和布克賽爾縣青少年活動(科技)中心項目，利用魯班軟件對BIM技術在質(zhì)量安全管理方面的應用進行了研究[3]。

相較而言，市政工程的建設條件差異性大，管理水平、 技術水平要求高，故運用先進的BIM技術來輔助設計、生產(chǎn)及運維能為項目部技術管理建立直觀的三維印象，可詳細獲取各施工節(jié)段的工程材料數(shù)量，進行精確的材料成本管理，發(fā)現(xiàn)圖紙設計缺陷，進行各專業(yè)工種之間的碰撞檢查以及安全質(zhì)量管理、施工現(xiàn)場技術指導與4D進度控制管理[4-7]。

1 概 述

1.1 工程概況

國道108 線禹門口黃河公路大橋及引線工程位于陜西省韓城市東北部及山西省河津市西北部，東岸是山西省河津市龍門村，西岸是陜西省韓城市渚北村，路線全長4.45 km。大橋分東引橋、主橋及西引橋三部分，橋梁全長1 660.41 m，起點樁號為K0+615.5，終點樁號為K2+275.91。 主橋為245 m+565 m+245 m 三跨雙塔雙索面鋼-混結合梁斜拉橋，全長1 055 m。斜拉橋主梁斷面為雙工字型鋼梁和混凝土橋面板，縱向為半漂浮體系，縱橋向在索塔下橫梁和梁體間設置阻尼器，橫橋向在索塔內(nèi)側設置抗風支座。索塔采用H型鋼筋混凝土結構，設置上、下2道橫梁，塔柱分為上、中、下3部分。斜拉索扇形布置，梁上索距為12.0、8.0、4.5 m共3種，塔上索距為2.5～3.5 m。

全線采用雙向六車道1級公路技術標準，設計速度為80 km·h-1，路基寬度為31 m。橋梁寬度27 m(不含錨索區(qū)及檢修道)，橋涵設計荷載采用公路I 級，地震動峰值加速度為0.161 g，設計洪水頻率為特大橋300年一遇、大橋及路基100年一遇；其余技術指標均按《公路工程技術標準》(JTGB01—2014)執(zhí)行。禹門口黃河大橋位置見圖1。

圖1 禹門口黃河公路大橋位置

1.2 應用BIM的原因

主橋索塔結構是國道108線禹門口黃河公路大橋及引道工程項目控制工程之一，主塔施工難度大，質(zhì)量要求高?？紤]使用BIM技術可以提升施工管理水平，實現(xiàn)精細化人、材、機管控，具體分析以下4個方面。

(1)提前解決圖紙問題，對設計構件(鋼筋、預埋件、鋼錨梁等)進行工程量核算、碰撞檢測。傳統(tǒng)的二維設計圖中存在大量的錯誤，可通過建模、碰撞檢查、虛擬建造提前發(fā)現(xiàn)，并組織變更設計，確保施工成果精確，且有效避免施工過程中因變更設計造成的窩工，可提高施工效率，節(jié)省生產(chǎn)成本。

(2)三維可視化交底，設計意圖準確展現(xiàn)，規(guī)避施工錯誤。三維可視化匯報工程節(jié)點成果，便于參建各方直觀剖析擬建實物各部分的專項施工方案和應急對策。

(3)材料的精細化管理，快速計算所需的工程量，實行限額領料、減少浪費。可依據(jù)計算結果及時申請進度款，對分包班組快速審核，準確結算工程量。

(4)建立快速反應處理機制。質(zhì)量、安全協(xié)同管理，確保施工過程無安全質(zhì)量事故[8]。

2 BIM應用軟硬件配置要求

2.1 主橋BIM軟件選用

合理選擇BIM軟件可以保證大橋建模效果與BIM技術在本項目發(fā)揮應有的作用。

目前，常用的BIM軟件有美國Bentley公司的MicroStation、PowerCivil、Navigator、ProStructures、Lumrt系列軟件，美國Autodesk公司的3D Max系列軟件。其中，MicroStation是一款國際著名的頂尖的空間建模技術平臺程序，具備強大的建模和資源整合功能，能很好滿足繪制各種精度要求苛刻、形體極其復雜的BIM模型的要求，配合專業(yè)土木工程軟件PowerCivil可以建立出帶有精細化里程信息的橋梁路線模型。ProStructures系列軟件主要針對鋼結構和三維布筋的建模與應用，主橋索塔配筋、橋面布置鋼筋等建模過程復雜，軟件學習與操作難度大，但精細化的材料統(tǒng)計為工程量結算提供了可靠的保證。主橋索塔模型、橋面系模型和橋墩樁基礎模型完成后經(jīng)MicroStation整合，通過Navigator精確分析模型構建之間的硬碰撞、軟碰撞、靜態(tài)碰撞和動態(tài)碰撞，進度模擬，將分析結果傳輸至各級管理人員的終端設備，輔助落實好各項工作的指導。Lumrt是一款高效的動畫仿真軟件，可渲染出圖和生成展示動畫，功能和質(zhì)量十分震撼。3D Max用于輔助制作模擬施工中復雜工藝的展示視頻，操作復雜，對硬件配置要求苛刻。

通過比較分析，結合國道108線禹門口黃河公路大橋項目的客觀情況，決定以Bentley系列軟件為主要建模和整合資源平臺，配合使用Autodesk系列軟件作為動畫制作的重要補充，以確保項目應用BIM技術取得期望的成效。

2.2 BIM軟硬件配置要求

BIM軟件配置信息見表1。

表1 BIM軟件配置

2.3 BIM應用實施核心理念

以國道108線禹門口黃河大橋項目主橋BIM模型為中心，應用BIM技術提供的工程項目基礎性數(shù)據(jù)，從而達到在同一平臺中，業(yè)主單位、設計單位、施工單位、監(jiān)理單位、第三方檢測單位以及行政主管部門協(xié)同工作，提高工作效率[9-12]。應用BIM技術的協(xié)同工作理念如圖2所示。

圖2 黃河大橋BIM模型協(xié)同工作理念

3 主橋BIM三維建模

主橋是國道108線禹門口黃河大橋重點建設項目。為了保證主塔施工質(zhì)量和進度，為了能精準快速地建立斜拉橋及索塔的BIM模型，決定采用MicroStation、PowerCivil系列軟件構建模型。首先用PowerCivil建立主橋的路線模型，然后導入MicroStation軟件中進行整合并建立索塔、斜拉索、橋面鋪裝等模型[13]。各模型完成后通過ProStructures軟件進行布置鋼筋三維建模，并利用Navigator進行各構建之間的碰撞檢測，校核圖紙信息的正確性，對碰撞點進行標記，導出成果。

3.1 主橋模型構建思路與流程

以國道108線禹門口黃河大橋項目主橋BIM模型構建過程為例，介紹BIM模型的整體構建思路與具體施實步驟，如圖3～5所示。

圖3 主橋BIM模型構建流程

圖4 主橋模型拼裝渲染

圖5 主橋索塔模型

3.2 建模特色

模型建立應具備以下幾點。

(1)精確性。通過Bentley BIM系列軟件建立BIM模型，混凝土方量、鋼筋用量、構件參數(shù)等主要材料信息可根據(jù)項目管理人員需要，自定義提取數(shù)據(jù)、導出并匯總，為施工材料的精細化管理提供有力保證[14]。

(2)統(tǒng)一性。本次運用Bentley BIM系列軟件，在BIM模型及成果上與DGN文件格式高度統(tǒng)一，在各軟件協(xié)同作業(yè)中兼容度高，為后續(xù)豐富的數(shù)據(jù)處理和運維管理起保障作用。

(3)智能化。Bentley BIM軟件已整合國內(nèi)現(xiàn)行的設計標準。PowerCivil在繪制橋梁路線時會遵循中國設計標準，在建模中對繪制參數(shù)進行反饋提示；ProStructures進行三維布筋時，系統(tǒng)智能依據(jù)中國鋼筋類型標準尊循布置規(guī)則，使得在鋼筋建模中效率大大提高。

4 BIM技術的應用研究

在準確構建黃河公路大橋BIM模型后，主要從以下6個方面對BIM技術進行深入研究與實踐。

4.1 三維可視化動態(tài)技術交底

根據(jù)工程施工階段需求的不同，三維交底遵循整體到局部、局部到節(jié)點，粗到細、分層次、分階段推進的順序。開工前，針對工程結構整體構造進行3D動態(tài)漫游交底；在施工過程中，對部分具體施工細部(尤其是結構構造復雜的板、梁、柱連接處，復雜的鋼筋節(jié)點)交底，建立形象生動的立體畫面，加深技術人員對圖紙的理解和認識。三維技術的應用如圖6～9所示。

圖6 3D動態(tài)漫游交底

圖7 主橋索塔BIM模型三維交底

圖8 主橋現(xiàn)澆梁BIM模型三維交底

圖9 主橋索塔上、下橫梁接處復雜鋼筋節(jié)點三維技術交底

4.2 碰撞檢查細扣圖紙錯漏偏差

碰撞檢查的本質(zhì)就是將BIM模型中各組件模型(土建結構、鋼筋結構、電梯安裝等信息按照設計要求的位置、標高)進行集成。模型導入Navigator軟件設定碰撞邊界條件，進行碰撞檢查，找出沖突點在構件的精確位置及參數(shù)信息。通過碰撞檢查，可以提前找出圖紙問題，進行施工設計綜合優(yōu)化。實現(xiàn)黃河公路大橋主塔橫梁內(nèi)鋼錨梁、預埋構件和鋼筋的合理設計，提高設計凈空高度，避免因位置碰撞出現(xiàn)的返工、誤工現(xiàn)象[15-16]。

對于構件設計圖紙數(shù)據(jù)錯誤、不詳、缺失和沖突問題，通過仔細比對i-modle或DGN模型可以查出空間位置的不合理性，見圖10;而對于圖11、12的具體細部結構沖突，需要導入Navigator軟件進行精確查找，確定其位置，并對照給出圖紙上具體的錯誤信息。

圖10 鋼錨梁設計圖紙錯誤、異常、缺失反饋

圖11 波紋管與下橫梁主筋碰撞

圖12 模型混凝土量與實際量對比分析

4.3 限額領料精細化材料管理

限額領料是指根據(jù)工程實際所需領取相應數(shù)量的材料。通過精細化的管理(嚴格卡控材料進出)，達到杜絕因非客觀因素導致的材料浪費現(xiàn)象。采用BIM技術結合實際生產(chǎn)情況，對使用材料進行精細化計量是保證限額領料得以實施的基礎。設計施工圖中鋼筋、混凝土等主要材料設計量是大橋整體結構的設計量，并沒有按每個施工過程列出單個施工部位的材料使用分量，也沒有考慮鋼筋因混凝土鑿除損耗、搭接長度等客觀需要而導致的差異量。

BIM技術在施工階段的應用體現(xiàn)在建模初期，依據(jù)施工方案與施工進度計劃，建立整個大橋的分塊模型，使分階段施工的構件與建模構件完全相同，達到快速按要求分塊、分區(qū)域統(tǒng)計工程材料數(shù)量，提高實施效率。另外， ProStructures軟件在統(tǒng)計鋼筋數(shù)量時已按規(guī)范將鋼筋搭接長度估算進去了，整體模型的信息屬性均存于DGN文件中；在MicroStation中可以進行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)、信息的查看管理。

限額領料管理可分為3個環(huán)節(jié)：采購計劃控制、領用控制和用料分析。采用BIM模型的構件信息數(shù)據(jù)庫，既可控制材料上限，也可以作為現(xiàn)場材料過程的管控依據(jù)，為材料采購計劃的制定與審核提供參考，為限額領料提供及時、準確、有效的數(shù)據(jù)支撐。

4.4 Navigator移動端軟件跟蹤質(zhì)量安全問題

國道108線禹門口黃河公路大橋項目采用Navigator移動端軟件，可以把項目現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量、安全、文明施工等問題進行統(tǒng)一管理，與BIM模型進行關聯(lián)，方便核對和管理[17-19]。

利用Navigator移動端軟件，可以在現(xiàn)場拍攝有疑問的施工節(jié)點，將圖片上傳到ProjectWise系統(tǒng)平臺，與BIM模型中的相應位置進行比對，易于發(fā)現(xiàn)安全、質(zhì)量方面的問題，使工作效率、工程質(zhì)量得到提升[20]。

使用Navigator移動端軟件具備以下特點。

(1)缺陷問題的可視化?，F(xiàn)場缺陷通過拍照來記錄，一目了然。

(2)將缺陷直接定位于BIM模型上。BIM模型的定位模式，能夠使管理者更加準確地掌握缺陷位置，提出合理優(yōu)化方案。

(3)信息共享。無論何時何地，管理者都能掌握現(xiàn)場的質(zhì)量問題、安全風險等要素。

(4)有效的協(xié)同共享，提高各方的溝通效率。項目各方根據(jù)權限，查看屬于自己的管理、施工等問題。

(5)支持多種手持設備的使用。充分發(fā)揮手持設備的便捷性，實時記錄問題。

(6)簡單易用，便于快速實施。手持設備端簡單易操作，實施周期短，便于維護。

(7)云端管理系統(tǒng)運行速度快，并且能夠查閱各種工程的相關數(shù)據(jù)。

利用云平臺管理賬號，可隨時隨地快速獲取信息，便于協(xié)調(diào)處理問題，也可以建立現(xiàn)場管理圖文數(shù)據(jù)庫[21-22]。

4.5 4D施工進度動態(tài)管控

影響國道108線禹門口黃河公路大橋項目施工進度的因素有施工工藝復雜、施工難度大、工期緊、安全生產(chǎn)人員部署、材料配送、機械使用等。因此，在Navigator系統(tǒng)中對項目計劃進度、實際進度與三維模型互相關聯(lián)，進行4D施工動態(tài)模擬，有助于及時分析滯后的施工任務，有針對性地調(diào)整關鍵施工節(jié)點的進度，以保證合同工期。

4.6 4D施工過程資料管理

4D施工過程資料管理是指利用Navigator移動端軟件與ProjectWise管理云平臺，對技術交底、施工方案、試驗數(shù)據(jù)、質(zhì)量檢查與竣工驗收等系列施工過程的資料進行動態(tài)云管理。其原理是根據(jù)施工過程中發(fā)生自然順序的資料與BIM模型關聯(lián)，并上傳至云平臺存儲管理，以便決策層調(diào)用查看。通過使用BIM技術，可以實現(xiàn)對資料長期且有效的保存與查看。同時，將大橋建設的施工過程資料以及材料使用情況，詳細地記錄下來，作為后期檢查、改進和責任追溯的依據(jù)，相當于建立了國道108線禹門口黃河公路大橋施工過程的歷史檔案資料。

5 結 語

BIM技術在國道108線禹門口黃河公路大橋項目的應用效果良好，BIM技術的應用價值具體包括以下4個方面。

(1)針對大橋設計圖紙中鋼筋混凝土等主材總工程量的情況，可以通過BIM技術，按照實際施工節(jié)段劃分，快速準確地提取部分項的工程量，節(jié)省人力，提高統(tǒng)計效率。

(2)通過Navigator現(xiàn)場采集工程安全、質(zhì)量等方面的問題，通過云平臺將現(xiàn)場信息及時反饋到項目部領導層，能夠及時發(fā)現(xiàn)、及時解決問題，保證黃河大橋施工的安全與質(zhì)量。

(3)運用BIM技術進行實時監(jiān)管，對材料進行精細化管理，實現(xiàn)限額領料，科學合理地編制材料采購計劃，嚴格把控材料的進、出口程序，杜絕不必要的浪費現(xiàn)象。

(4)施工資料動態(tài)管理，使國道108線禹門口黃河公路大橋項目施工過程歷史檔案得以保存，也為后期大橋運營、維護的資料管理提供了ProjectWise云平臺。

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