BIM在公路橋施工準(zhǔn)備階段的研究與應(yīng)用

董宇路

上海城投航道建設(shè)有限公司 上海 200092

目前，建筑信息模型（BIM）技術(shù)在建筑行業(yè)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。對(duì)BIM技術(shù)的研究大部分集中在建筑行業(yè)，市政行業(yè)的有關(guān)BIM研究較少，相關(guān)案例也較少。一方面市政橋梁工程本身屬于復(fù)雜的建筑工程項(xiàng)目，組成橋梁的構(gòu)件繁多，結(jié)構(gòu)部分體積巨大，因此結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，都存在比較高的難度，尤其是針對(duì)部分傳統(tǒng)建筑形式的橋梁來(lái)說(shuō)，需要全面計(jì)算穩(wěn)定性、安全性，才能進(jìn)行后期施工，從而保證工程的質(zhì)量滿足日常的需要，同時(shí)有效避免存在較大的偏差[1]。另一方面，市政橋梁工程涉及專業(yè)多，周期長(zhǎng)，對(duì)周邊環(huán)境影響較大，事關(guān)國(guó)計(jì)民生，導(dǎo)致項(xiàng)目在施工時(shí)極易受外界環(huán)境的干涉，影響工程建設(shè)的進(jìn)度與安全，從而加大了施工的難度[2]。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

上海浦星公路橋全長(zhǎng)1.207 km，工程內(nèi)容主要包括大蘆線航道整治二期工程（閔行浦江段）3標(biāo)的道路、橋梁、排水（雨、污水）、照明、綠化、交通標(biāo)志標(biāo)線、老橋拆除等。其中橋梁工程包括拆除現(xiàn)狀老橋及新建跨航道主橋、兩岸引橋、跨老閥港地面輔道橋、兩岸人行梯道等內(nèi)容，臨時(shí)翻交包括鋼便橋1座（6幅）。

1.2 施工準(zhǔn)備階段需要考慮的重點(diǎn)

1.2.1 施工內(nèi)容多，傳統(tǒng)平面數(shù)據(jù)分析存在盲點(diǎn)

項(xiàng)目施工內(nèi)容包含臨時(shí)翻交道路、鋼便橋工程，新建浦星公路橋橋梁工程、道路工程、排水工程以及航道疏浚工程，施工內(nèi)容較多，涉及的范圍較廣。為了更有效地開展施工組織工作，施工準(zhǔn)備階段需要充分掌握周邊環(huán)境、建筑物的空間位置關(guān)系，獲取地形地貌、橋梁、鋼便橋等信息，避免周邊環(huán)境信息不全，導(dǎo)致施工方案出現(xiàn)考慮不全面的情況，為后續(xù)施工方案模擬做好技術(shù)準(zhǔn)備[3]。另外，傳統(tǒng)信息獲取的大多是平面數(shù)據(jù)，空間關(guān)系分析存在盲點(diǎn)，不便利。

1.2.2 現(xiàn)場(chǎng)管線復(fù)雜，搬遷難度大

施工現(xiàn)場(chǎng)有燃?xì)夤?、自?lái)水管、國(guó)防軍纜、信息桿線、高壓桿線等多種現(xiàn)狀管線，影響鋼便橋及道路橋梁施工。管線涉及眾多產(chǎn)權(quán)單位，協(xié)調(diào)工作量大，而搬遷空間狹小。前期需要將管線一次搬遷到位，避免發(fā)生二次搬遷，否則將對(duì)施工進(jìn)度、成本造成較大的影響。

1.2.3 道路翻交壓力大

本項(xiàng)目首先需要在老浦星公路橋邊新建鋼便橋，然后拆去老浦星公路橋，再新建浦星公路橋橋梁工程。項(xiàng)目實(shí)施之前必須先完成交通臨時(shí)翻交，目前老浦星公路橋承擔(dān)了大量的道路交通任務(wù)，來(lái)往車輛密集，并且新建了BRT快速化公交系統(tǒng)，臨時(shí)翻交壓力大。

2 施工準(zhǔn)備階段的BIM應(yīng)用分析

結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，施工準(zhǔn)備階段重點(diǎn)在以下4個(gè)方面采用BIM技術(shù)：

1）采用傾斜攝影技術(shù)，建立本項(xiàng)目的現(xiàn)狀場(chǎng)地實(shí)景模型。本項(xiàng)目施工環(huán)境復(fù)雜，通過(guò)傳統(tǒng)方法構(gòu)建項(xiàng)目場(chǎng)地模型成本高，生成的模型不夠精細(xì)，無(wú)法滿足項(xiàng)目實(shí)際需要。無(wú)人機(jī)作業(yè)飛行高度低，空域限制少，受天氣影響小，成本低廉。因而以無(wú)人機(jī)作為航空傾斜攝影平臺(tái)能夠高效地獲得高質(zhì)量、高分辨率的地形模型，并能提供豐富的紋理信息，輔助生成高精度、高分辨率的場(chǎng)地三維模型[4]。

2）創(chuàng)建BIM模型。傳統(tǒng)施工圖由點(diǎn)、線、面構(gòu)成，幾何元素單一，并不能反映工程項(xiàng)目的空間構(gòu)造和配置情況。創(chuàng)建本項(xiàng)目BIM模型，包括道路模型、老橋模型、新建便橋便道模型以及新建道路橋梁模型、市政管線等，并在此基礎(chǔ)上整合現(xiàn)狀場(chǎng)地和項(xiàng)目BIM模型。對(duì)模型進(jìn)行各種分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)BIM應(yīng)用。

3）管線搬遷模擬。針對(duì)管線搬遷方案，模擬自來(lái)水、燃?xì)?、電力、信息等現(xiàn)有管線的位置及影響范圍，并展示搬遷后的管線位置及與主體模型的位置關(guān)系，修正管線搬遷方案，保證后續(xù)施工的質(zhì)量安全。

4）交通組織方案模擬。按照施工進(jìn)度要求，對(duì)老橋拆除、鋼便道建立時(shí)的交通組織方案進(jìn)行三維模擬，保證施工階段道路暢通。

3 項(xiàng)目BIM應(yīng)用實(shí)施

3.1 采用傾斜攝影技術(shù)，建立現(xiàn)狀場(chǎng)地實(shí)景模型

浦星公路橋施工內(nèi)容較多，涉及的范圍較廣，為了更有效地了解現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)情況，在項(xiàng)目建設(shè)的初期需要對(duì)施工階段難點(diǎn)與問(wèn)題進(jìn)行預(yù)判和研究，為后續(xù)施工質(zhì)量安全控制打下良好的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)方法只能通過(guò)規(guī)劃圖紙與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪資料結(jié)合項(xiàng)目設(shè)計(jì)圖紙研究項(xiàng)目對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響，并不直觀。與傳統(tǒng)方法相比，通過(guò)傾斜攝影獲取的現(xiàn)場(chǎng)模型，工作效率高，半天就可以完成橋梁兩端幾平方千米的攝影任務(wù)，后期數(shù)據(jù)處理通常幾個(gè)工作日即可完成。模型包含了施工區(qū)域既有路網(wǎng)和其他交通方式組成的交通網(wǎng)信息，沿線人口、民族、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、整治等影響項(xiàng)目的社會(huì)信息，以及自然特征的地理信息。

本次航拍選用了大疆無(wú)人機(jī)，采用了5個(gè)鏡頭拍攝。航拍范圍為沿橋方向2 km，沿河道方向500 m范圍內(nèi)的場(chǎng)地環(huán)境。航拍成果有正射影像和場(chǎng)地三維模型。

通過(guò)無(wú)人機(jī)正射影像獲取待建場(chǎng)地的現(xiàn)狀情況，疊合場(chǎng)地圖紙，能夠清晰地辨識(shí)場(chǎng)地的變化，幫助掌握更真實(shí)更全面的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，評(píng)估方案的可行性。

傾斜攝影可獲取信息生成三維模型，相比正射影像，通過(guò)傾斜攝影生成的場(chǎng)地模型可反映場(chǎng)地的起伏、高程、建筑物細(xì)節(jié)、周邊環(huán)境數(shù)據(jù)等，并且對(duì)所涉及的對(duì)象進(jìn)行單體化處理（圖1）。

圖1 浦星公路橋傾斜攝影成果

傾斜攝影的建模流程為：傾斜影像→幾何糾正→區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差→傾斜影像匹配→DSM點(diǎn)云生成→TIN構(gòu)建→紋理映射→三維實(shí)景模型。通過(guò)傾斜攝影獲取場(chǎng)地模型的方法效率快、精度高，并主要有以下用途：

1）快速量測(cè)地物空間位置關(guān)系：通過(guò)場(chǎng)地現(xiàn)狀模型，獲取現(xiàn)有地物（房屋、公路、河流、植被等）的平面與高程信息。

2）房屋拆遷工程量估算：目前市政橋梁工程房屋拆遷一般采用實(shí)地測(cè)量方法，雖實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，但工作量大，受場(chǎng)地環(huán)境和社會(huì)環(huán)境的影響較大。通過(guò)傾斜攝影技術(shù)能對(duì)房屋的面積、層數(shù)、結(jié)構(gòu)及材質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)。

3）整合橋梁BIM模型，為建筑物和周邊環(huán)境關(guān)系評(píng)估提供數(shù)據(jù)支持：處理后的場(chǎng)地模型可以通過(guò)格式轉(zhuǎn)換，與已建立的橋梁、道路等BIM模型進(jìn)行合模，可以清晰反映建筑物和周邊環(huán)境的關(guān)系，若存在沖突，需及時(shí)調(diào)整施工方案。

3.2 創(chuàng)建BIM模型

3.2.1 模型創(chuàng)建前的準(zhǔn)備工作

1）建模標(biāo)準(zhǔn)化：為規(guī)范建模成果，確保模型支持后續(xù)的應(yīng)用工作，建模開始前需制訂建模標(biāo)準(zhǔn)，如按照?qǐng)D紙及相關(guān)信息名稱、體量、材料等數(shù)據(jù)，在屬性賦予時(shí)按照統(tǒng)一命名規(guī)則，如“構(gòu)件名稱-幾何尺寸-樓層位置”等。分別將道路、橋梁、管線、建筑等相關(guān)信息導(dǎo)入到相應(yīng)構(gòu)件。不同的管線、結(jié)構(gòu)、構(gòu)件可分顏色分別標(biāo)出，方便各條線參考。

2）分割建模：由于體量較大，本工程建模采用分割建模的方式，最后通過(guò)一體化模型統(tǒng)一展示，加快工作效率，降低建模成本。

3）LOD設(shè)置：由于體量巨大，故本工程對(duì)硬件要求很高。為保障模型運(yùn)用流暢，需要先建立LOD精度體系，將建模精度分為高、中、低3檔。在具體施工中根據(jù)應(yīng)用需要，靈活調(diào)節(jié)精度。例如，總體鳥瞰模型時(shí)調(diào)低精度，在需要深化個(gè)別節(jié)點(diǎn)族時(shí)增加精度。靈活運(yùn)用LOD設(shè)置可以大幅提高效率，降低建模成本。

3.2.2 創(chuàng)建工作范圍內(nèi)的BIM模型

根據(jù)工程范圍，創(chuàng)建包含主橋、鋼便橋、道路、管線等模型，并進(jìn)行模型整合（圖2）。

3.2.3 建立BIM模型的用途

按照建模標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建BIM模型，包含了施工過(guò)程中可能涉及的鋼便橋、老浦星公路橋、新浦星公路橋、道路工程、管線工程等，作為施工階段應(yīng)用的基礎(chǔ)模型，為后續(xù)開展施工方案模擬、管線搬遷、交通組織模擬等奠定基礎(chǔ)，更可作為項(xiàng)目各參與方在施工準(zhǔn)備階段協(xié)調(diào)的載體，充分發(fā)揮BIM模型直觀可視化的優(yōu)點(diǎn)，提高溝通效率。

圖2 模型整合

3.3 管線搬遷

浦星公路（豐南路—躍進(jìn)河）西側(cè)分別有架空及地埋光纜若干（包含電信、國(guó)防、有線、海軍通信及共建管纜）、高壓架空線一路、DN500 mm上水管一路和DN300 mm燃?xì)夤芤宦?。其中高壓架空線與信息桿線嚴(yán)重影響鋼便橋及便道施工，同時(shí)鋼便橋和便道的施工與管線搬遷的位置及進(jìn)度又相互關(guān)聯(lián)，現(xiàn)場(chǎng)情況較為復(fù)雜。傳統(tǒng)方法的管線搬遷難點(diǎn)在于現(xiàn)狀管線的資料繁多且不明確，同時(shí)施工單位與各管線公司不便于溝通，導(dǎo)致在管線搬遷施工甚至后續(xù)主體施工階段，反復(fù)修改、浪費(fèi)人力、延誤工期。

本項(xiàng)目管線模型分為現(xiàn)狀管線與設(shè)計(jì)管線。通過(guò)現(xiàn)有管線資料與勘察資料建立現(xiàn)狀管線模型。同時(shí)，由于部分地下管線資料缺失，只能采用開樣洞方法采集現(xiàn)場(chǎng)管線數(shù)據(jù)，將資料反饋于管線模型，對(duì)現(xiàn)狀模型進(jìn)行深化，保證管線精度滿足施工要求。設(shè)計(jì)管線模型則根據(jù)施工圖建立，保證模型與圖紙相一致。

完成現(xiàn)狀管線模型與設(shè)計(jì)管線模型的建立后，整合鋼便橋與主橋結(jié)構(gòu)BIM模型，以便于直觀地展現(xiàn)管線與主體結(jié)構(gòu)的空間位置關(guān)系。

通過(guò)整合管線、鋼便橋和主橋的BIM模型，能夠清晰地反映現(xiàn)狀管線與擬建橋梁工程的關(guān)系、設(shè)計(jì)管線和擬建橋梁工程的關(guān)系（圖3、圖4），并開展管線搬遷方案模擬，評(píng)價(jià)管線搬遷的順序和位置是否合理。通過(guò)管線方案模擬，分析空間位置關(guān)系后，與設(shè)計(jì)商議確定調(diào)整鋼便橋與便道位置，同時(shí)將高壓架空線及信息管線搬遷至鋼便橋與新建橋梁之間，確保管線搬遷不影響后續(xù)項(xiàng)目施工，避免二次搬遷，造成浪費(fèi)。

圖3 現(xiàn)狀管線與待建鋼便橋位置關(guān)系

圖4 設(shè)計(jì)管線與主橋結(jié)構(gòu)位置關(guān)系

3.4 交通組織模擬

浦星公路現(xiàn)狀交通流量巨大，尤其是上下班客車、卡車、貨車通行基本滿負(fù)荷運(yùn)作，未來(lái)還將引入BRT快速公交，這對(duì)原本緊張的交通又增添了擁擠。而大治河橋施工又將涉及鋼便橋搭設(shè)、老橋拆除、新建橋梁管線等重要工序，需要封閉原有浦星公路，將交通翻至新建的社會(huì)交通便道與便橋上，這一過(guò)程將對(duì)豐南路、恒南路、魯南路等周邊道路帶來(lái)交通影響，同時(shí)對(duì)于工程參與各方以及監(jiān)管各方都是巨大的挑戰(zhàn)。

本項(xiàng)目通過(guò)已建立的BIM模型，結(jié)合交通流程、車輛行駛軌跡變化、所需的交通設(shè)施等，模擬施工過(guò)程中所要開展的道路翻交過(guò)程，評(píng)估施工翻交道路的寬度、次數(shù)和交通影響程度等，盡量把項(xiàng)目建設(shè)對(duì)交通帶來(lái)的影響降到最低，同時(shí)也便于提前與交警等監(jiān)管部門協(xié)調(diào)，幫助社會(huì)各方及時(shí)做好交通疏導(dǎo)，減少出行擁擠的情況（圖5）。

圖5 交通組織模擬示意

4 結(jié)語(yǔ)

本工程項(xiàng)目在施工準(zhǔn)備階段引入BIM技術(shù)，通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影建立現(xiàn)場(chǎng)模型，對(duì)管線搬遷方案、交通組織模擬進(jìn)行了可視化分析、碰撞分析等，從而達(dá)到優(yōu)化施工方案、保證施工質(zhì)量的目的，效果顯著。但BIM在市政橋梁施工領(lǐng)域的應(yīng)用還處于發(fā)展階段[5-6]，從現(xiàn)狀場(chǎng)地模型的快速建立、橋梁模型的構(gòu)建到施工準(zhǔn)備階段的協(xié)助評(píng)價(jià)管線搬遷方案等，都有待工程人員在同類型項(xiàng)目中的進(jìn)一步研究與實(shí)踐。