基于BIM技術(shù)的連續(xù)梁橋施工管理系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐

劉艷輝，宋家歡，卓 彪，王路明，何庭君

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031；2.核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610052)

隨著我國(guó)高速鐵路的蓬勃發(fā)展，橋梁工程被越來越多地應(yīng)用到鐵路建設(shè)中，“以橋代路”已成為節(jié)約耕地、減少鐵路對(duì)沿線城鎮(zhèn)分割的有力措施。在鐵路橋梁工程領(lǐng)域，預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋由于具有變形小、伸縮縫少、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。然而預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)復(fù)雜、施工工序繁多、施工環(huán)境多變[1]，采用傳統(tǒng)的施工管理方式難以保證施工質(zhì)量滿足高鐵列車舒適平穩(wěn)的要求，為了探索高效經(jīng)濟(jì)的施工管理方式，將BIM技術(shù)應(yīng)用于施工管理體系。

BIM以三維數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)，作為一種管理理念貫穿于工程項(xiàng)目的全生命周期，通過對(duì)工程項(xiàng)目的勘察設(shè)計(jì)、建設(shè)施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)各階段進(jìn)行高效管理，可使項(xiàng)目各參與方的效益最大化[2-5]。BIM技術(shù)最初應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，現(xiàn)在正逐漸應(yīng)用在橋梁、隧道、鐵道和市政等土木行業(yè)[6]。

從2013年起，我國(guó)鐵路行業(yè)開始高度重視BIM技術(shù)的研究應(yīng)用，先后兩次召開鐵路工程建設(shè)信息化推進(jìn)會(huì)議，并成立了“中國(guó)鐵路BIM聯(lián)盟”，發(fā)布了《鐵路工程實(shí)體結(jié)構(gòu)分解指南(1.0版)》[7]、《鐵路工程信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)(1.0版)》[8]和《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)(1.0版)》[9]三大鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為BIM技術(shù)在我國(guó)鐵路行業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

為了探索并推廣BIM技術(shù)在我國(guó)鐵路行業(yè)的應(yīng)用，中國(guó)鐵路總公司將連鎮(zhèn)鐵路客運(yùn)專線(設(shè)計(jì)速度250 km/h、雙線有砟軌道)作為BIM試點(diǎn)項(xiàng)目。本文以該試點(diǎn)項(xiàng)目中寶應(yīng)特大橋跨寶射河連續(xù)梁橋?yàn)閷?shí)際工程案例，根據(jù)我國(guó)連續(xù)梁橋施工管理的特點(diǎn)和實(shí)際需求，基于BIM技術(shù)，建立了預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋施工管理系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)和實(shí)施流程，開發(fā)了預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋施工管理系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于鐵路橋梁實(shí)際工程，對(duì)BIM技術(shù)在我國(guó)鐵路行業(yè)的推廣應(yīng)用具有一定價(jià)值。預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋(54+88+48) m整體布置如圖1所示。

圖1 連續(xù)梁橋布置

1 傳統(tǒng)連續(xù)梁橋施工管理系統(tǒng)

施工管理系統(tǒng)是指施工管理人員在施工現(xiàn)場(chǎng)解決施工組織設(shè)計(jì)中的各種問題和處理現(xiàn)場(chǎng)關(guān)系時(shí)所采用的管理體系，施工管理系統(tǒng)在整個(gè)項(xiàng)目中發(fā)揮著重要作用，它的有效程度會(huì)直接影響項(xiàng)目的整體質(zhì)量[10]。然而傳統(tǒng)的施工管理方式主要依靠項(xiàng)目管理人員的經(jīng)驗(yàn)來制定和實(shí)施，只能以二維模式運(yùn)行，同時(shí)由于施工管理涉及的單位和部門眾多，傳統(tǒng)的施工管理系統(tǒng)難以匯總工程項(xiàng)目全生命周期的信息數(shù)據(jù)，這必將形成信息孤島現(xiàn)象，將無法滿足項(xiàng)目各參與方的實(shí)際需求[11-12]。

針對(duì)鐵路工程預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)的施工管理方式難以事前核查設(shè)計(jì)中存在的問題，這些問題對(duì)施工質(zhì)量、施工進(jìn)度和施工成本等產(chǎn)生不同程度的影響。

2 基于BIM技術(shù)的施工管理系統(tǒng)

建立適用于信息化時(shí)代的施工管理體系，將BIM技術(shù)應(yīng)用于施工管理階段，搭建基于BIM技術(shù)的施工管理系統(tǒng)，通過施工管理平臺(tái)及虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，把建立的BIM模型數(shù)據(jù)全部納入云平臺(tái)管理，通過分配客戶端賬號(hào)權(quán)限，可使項(xiàng)目各參與方依據(jù)權(quán)限對(duì)項(xiàng)目數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、查詢、分析、管理、追溯等工作，從而實(shí)現(xiàn)信息化、精細(xì)化和規(guī)范化的施工管理體系。與傳統(tǒng)的施工管理系統(tǒng)相比，基于BIM技術(shù)的施工管理系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)[13-16]。

(1)利用三維可視化技術(shù)對(duì)連續(xù)梁橋模型進(jìn)行碰撞檢查，并對(duì)施工圖紙進(jìn)行優(yōu)化。

(2)對(duì)連續(xù)梁橋施工全過程進(jìn)行可視化動(dòng)態(tài)交底，使施工技術(shù)人員對(duì)施工工藝和流程有更形象的認(rèn)識(shí)，有效解決了傳統(tǒng)施工交底中復(fù)雜節(jié)點(diǎn)交底不明確的問題。

(3)對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行歸集匯總，將所有數(shù)據(jù)歸集到服務(wù)器上，進(jìn)行匯總分析，生成項(xiàng)目管理層提供所需要的數(shù)據(jù)報(bào)表。

(4)可以對(duì)施工過程實(shí)時(shí)跟進(jìn)，更加及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)施工進(jìn)度、施工質(zhì)量、施工成本進(jìn)行控制，可以為項(xiàng)目決策層提供決策依據(jù)。

3 基于BIM技術(shù)的連續(xù)梁橋施工管理系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 基于BIM技術(shù)的連續(xù)梁橋施工管理系統(tǒng)架構(gòu)

施工管理系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)由施工管理平臺(tái)和施工管理應(yīng)用端兩部分組成，采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將施工管理系統(tǒng)推向網(wǎng)絡(luò)層面，目前主流的開發(fā)模式有兩種：客戶端/服務(wù)器架構(gòu)(Client/Server)C/S架構(gòu)、瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)(Browser/Server)B/S架構(gòu)[17-18]。

由于施工管理平臺(tái)多為內(nèi)部工作人員使用，獨(dú)立性強(qiáng)，為了不浪費(fèi)設(shè)備資源，采用C/S架構(gòu)。而施工管理應(yīng)用端一般是外部工作人員使用，為了滿足多用戶同時(shí)登錄，采用B/S架構(gòu)。施工管理系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(1)施工管理平臺(tái)是供系統(tǒng)內(nèi)部人員對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫、處理和應(yīng)用的操作平臺(tái)。平臺(tái)是以三維模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，然后讀取數(shù)據(jù)信息空間中的內(nèi)容，并將其分類整合成數(shù)據(jù)信息模塊，最后形成具有特定功能的應(yīng)用模塊。

①數(shù)據(jù)信息空間整合了全部的BIM模型數(shù)據(jù)、組織信息、過程信息和管理信息，同時(shí)，為了使創(chuàng)建的BIM模型能夠有效地在不同軟件之間交互使用，依據(jù)《鐵路工程信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)(1.0版)》[8]對(duì)橋梁構(gòu)件進(jìn)行分類和編碼，項(xiàng)目各參與方可以在同一個(gè)空間中上傳、讀取、核查和修改數(shù)據(jù)信息，該空間可以使項(xiàng)目各參與方的數(shù)據(jù)信息無損、無誤、無障礙傳播。

②數(shù)據(jù)信息模塊是對(duì)集成的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行篩選、核查、補(bǔ)錄、分類，最后根據(jù)施工單位的特定需求，將數(shù)據(jù)信息整合成相應(yīng)的子信息模塊，以供模型應(yīng)用階段調(diào)用。

③功能應(yīng)用模塊可在項(xiàng)目的不同階段直接為施工管理部門提供決策支持的技術(shù)手段，通常包括碰撞檢測(cè)、可視化施工模擬、施工動(dòng)態(tài)管理等功能。

(2)施工管理應(yīng)用端是供系統(tǒng)外部人員對(duì)功能應(yīng)用模塊進(jìn)行調(diào)用的應(yīng)用端口，通過該應(yīng)用端口，項(xiàng)目管理人員可以對(duì)施工全過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，根據(jù)系統(tǒng)反饋的各種報(bào)表和數(shù)據(jù)信息進(jìn)行決策。

①技術(shù)應(yīng)用主要實(shí)施于施工前，通過碰撞檢測(cè)和可視化施工模擬來發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)和施工中的問題，然后深化設(shè)計(jì)和優(yōu)化施工方案，從而可避免返工現(xiàn)象，確保施工質(zhì)量。

②管理應(yīng)用主要包括進(jìn)度管理、質(zhì)量管理和成本管理，通過對(duì)施工過程的實(shí)時(shí)控制來實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)業(yè)務(wù)之間的聯(lián)動(dòng)管理。

③對(duì)接應(yīng)用是指將施工過程中新增的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)于管理系統(tǒng)，留設(shè)對(duì)接端口，以便施工完成之后與運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)進(jìn)行無縫連接，為日后運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的信息化管理提供數(shù)據(jù)支持，真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的共享機(jī)制。

圖2 基于BIM技術(shù)的連續(xù)梁橋施工管理系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

3.2 基于BIM的連續(xù)梁橋施工管理系統(tǒng)實(shí)施流程

預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)復(fù)雜、預(yù)埋構(gòu)件種類多且數(shù)量大、施工工序繁雜、各部門交叉工作現(xiàn)象普遍，基于BIM技術(shù)的連續(xù)梁橋施工管理系統(tǒng)實(shí)施流程以施工進(jìn)度為主線、以項(xiàng)目各部門工作領(lǐng)域?yàn)榻缦?、以具體實(shí)施內(nèi)容為主體，建立連續(xù)梁橋施工管理系統(tǒng)實(shí)施流程如圖3所示。

圖3 基于BIM技術(shù)的連續(xù)梁橋施工管理系統(tǒng)實(shí)施流程

BIM建模部門根據(jù)設(shè)計(jì)單位交付的設(shè)計(jì)成果進(jìn)行連續(xù)梁橋三維模型的建立和BIM數(shù)據(jù)的創(chuàng)建，施工單位配合部門提供完整的施工方案、組織信息、過程信息和管理信息，系統(tǒng)開發(fā)部門依據(jù)集成的數(shù)據(jù)信息開發(fā)管理系統(tǒng)，BIM應(yīng)用部門對(duì)管理系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)方面的應(yīng)用，將應(yīng)用結(jié)果反饋給設(shè)計(jì)單位和施工單位，分別供其進(jìn)行深化設(shè)計(jì)和優(yōu)化施工方案，系統(tǒng)開發(fā)部門將管理系統(tǒng)交付給施工單位，并進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試和人員的培訓(xùn)，在實(shí)際施工過程中，施工單位依據(jù)該系統(tǒng)進(jìn)行施工動(dòng)態(tài)管理，并將施工過程中的數(shù)據(jù)信息儲(chǔ)存于系統(tǒng)，待項(xiàng)目移交后，運(yùn)營(yíng)維護(hù)單位可對(duì)線路運(yùn)行進(jìn)行數(shù)據(jù)化管理。

4 基于BIM技術(shù)的連續(xù)梁橋施工管理系統(tǒng)應(yīng)用

連續(xù)梁橋施工管理系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、BIM技術(shù)以及多媒體技術(shù)，對(duì)連續(xù)梁橋施工進(jìn)行多方位管理的工作平臺(tái)。整個(gè)系統(tǒng)由管理后臺(tái)和技術(shù)交底前臺(tái)兩部分組成，其中后臺(tái)供系統(tǒng)管理人員使用，通過對(duì)施工過程的分層次管理，對(duì)施工過程涉及到的模型、視頻、文件和資料進(jìn)行整合，然后供前臺(tái)使用；而技術(shù)交底前臺(tái)則是供項(xiàng)目管理人員使用，可對(duì)施工過程進(jìn)行多方位的展示和管理。

(1)系統(tǒng)管理

通過分配不同的權(quán)限，為系統(tǒng)管理人員提供一系列管理功能，包括部門管理、人員管理等。系統(tǒng)管理平臺(tái)如圖4所示。

圖4 連續(xù)梁橋施工技術(shù)交底平臺(tái)

(2)連續(xù)梁橋復(fù)雜部位碰撞檢測(cè)

施工前，軟件開發(fā)部門協(xié)助BIM應(yīng)用部門進(jìn)行模型碰撞檢測(cè)和施工過程模擬，旨在事前對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)估、對(duì)設(shè)計(jì)漏洞進(jìn)行優(yōu)化、對(duì)施工方案進(jìn)行檢測(cè)。通過施工管理系統(tǒng)應(yīng)用端，可以將模型的碰撞檢測(cè)報(bào)告反饋給設(shè)計(jì)單位，供其優(yōu)化設(shè)計(jì)圖紙。同時(shí)，可以將施工過程模擬中發(fā)現(xiàn)的問題反饋給施工單位，供其完善施工方案。以A1#段配筋為例，通過碰撞檢測(cè)共發(fā)現(xiàn)9處配筋碰撞問題，檢測(cè)結(jié)果及優(yōu)化前后的鋼筋模型如圖5所示。

圖5 A1#段鋼筋碰撞檢測(cè)結(jié)果

(3)連續(xù)梁橋施工技術(shù)動(dòng)態(tài)交底

通過施工技術(shù)動(dòng)態(tài)交底平臺(tái)，將設(shè)計(jì)圖紙、BIM模型、施工動(dòng)畫和動(dòng)態(tài)管理相關(guān)聯(lián)，施工人員可以通過PC端或手機(jī)端對(duì)施工流程、結(jié)構(gòu)屬性和管理信息進(jìn)行查看對(duì)比，可以使用“飛行漫游”指令多視角全方位查看施工模型，同時(shí)可以使用“模型剖切”指令深層次寬領(lǐng)域了解模型構(gòu)造；系統(tǒng)將施工交底視頻分為兩級(jí)目錄，并與施工進(jìn)度相匹配，施工管理人員可以通過管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)查看施工進(jìn)度，合理安排施工計(jì)劃；系統(tǒng)將施工的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和成本計(jì)劃相關(guān)聯(lián)。技術(shù)交底平臺(tái)如圖6所示。

圖6 技術(shù)交底平臺(tái)

(4)連續(xù)梁橋施工質(zhì)量管理

利用BIM模型，對(duì)施工過程中對(duì)應(yīng)的構(gòu)件(錨具、波紋管、電氣設(shè)備等)生成可識(shí)別的二維碼，通過該二維碼可將構(gòu)件的生產(chǎn)廠家、生產(chǎn)批次、合格證號(hào)、進(jìn)場(chǎng)時(shí)間、檢測(cè)報(bào)告等信息錄入施工管理系統(tǒng)，待施工完成后，可再次掃描二維碼，將施工方法、施工記錄、施工人員信息、施工監(jiān)理報(bào)告等信息添加到BIM模型，實(shí)現(xiàn)施工質(zhì)量可追溯性管理。

(5)連續(xù)梁橋施工信息儲(chǔ)備

為了將BIM應(yīng)用于連續(xù)梁橋全生命周期，在施工過程中需要將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息錄入施工管理系統(tǒng)，以便與運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)對(duì)接?；谑┕るA段的數(shù)據(jù)信息，運(yùn)營(yíng)維護(hù)單位可以對(duì)橋梁進(jìn)行設(shè)備管理、能耗監(jiān)測(cè)和安全管理(預(yù)應(yīng)力損失監(jiān)控和結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè))。

5 結(jié)語

本文基于BIM技術(shù)研究了連續(xù)梁橋施工管理系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于連鎮(zhèn)鐵路寶應(yīng)特大橋跨寶射河連續(xù)梁橋，得出以下結(jié)論。

(1)依據(jù)中國(guó)鐵路BIM聯(lián)盟制定的BIM系列標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋?qū)嶋H施工特點(diǎn)，建立了基于BIM技術(shù)的預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋施工管理系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)，并形成了標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)施流程。

(2)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，開發(fā)了基于BIM技術(shù)的預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋施工管理系統(tǒng)，通過模型展示輕量化、碰撞檢測(cè)、動(dòng)態(tài)施工模擬、可視化技術(shù)交底、聯(lián)動(dòng)管理(質(zhì)量管理、進(jìn)度管理和成本管理)等應(yīng)用，可為項(xiàng)目的執(zhí)行層、管理層和決策層提供技術(shù)支持和決策依據(jù)。

(3)以連鎮(zhèn)鐵路寶應(yīng)特大橋跨寶射河三跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋(54+88+48) m為實(shí)際工程案例，驗(yàn)證了研究成果的可行性和實(shí)用性。該研究成果為BIM技術(shù)在我國(guó)鐵路行業(yè)的推廣具有重要價(jià)值。

(4)基于BIM技術(shù)的施工管理系統(tǒng)立足鐵路建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)際需求，在BIM平臺(tái)研究及應(yīng)用上積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)鐵路建設(shè)培養(yǎng)了BIM技術(shù)應(yīng)用人才。