基于BIM虛擬施工技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用

徐旭東 李健

摘要：橋梁工程構(gòu)造日漸復(fù)雜，虛擬施工技術(shù)成為解決施工難點(diǎn)的有效手段。結(jié)合BIM技術(shù)數(shù)模統(tǒng)一、動態(tài)集成的優(yōu)勢，，探討基于BIM虛擬施工技術(shù)理論框架，在BIM施工可視化分析軟件平臺上，利用虛擬施工軟件進(jìn)行4D虛擬施工。橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度大，造價成本高，建筑周期長，因此傳統(tǒng)粗放型橋梁工程管理已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)今橋梁工程建設(shè)要求，急需借助BIM虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)橋梁建設(shè)各個環(huán)節(jié)的施工信息共享，為項(xiàng)目施工工程的順利開展奠定信息化基礎(chǔ)。基于此，文章以文獻(xiàn)對比法和案例分析法，以某大橋?yàn)楣こ贪咐?，重點(diǎn)探究了BIM虛擬技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用，從BIM模型建立、施工項(xiàng)目管理等方向進(jìn)行深入研究，為相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)研究人員提供一定理論參考。

關(guān)鍵詞：BIM虛擬施工技術(shù);橋梁工程;BIM模型;施工管理

中圖分類號：U445.4;TP39

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）07-0184-05

0引言

社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，推動了橋梁建設(shè)事業(yè)往更高技術(shù)應(yīng)用水平進(jìn)步。如今信息技術(shù)在各行業(yè)滲透，如建筑業(yè)中的公路市政行業(yè)，對BIM技術(shù)進(jìn)行了深人探索，尤其在施工階段，可利用BIM施工技術(shù)實(shí)現(xiàn)各階段的的協(xié)同作業(yè)，為滿足BIM技術(shù)在橋梁建設(shè)工程中的高效應(yīng)用，需求一種創(chuàng)新形式的工程管理模式，以滿足復(fù)雜施工環(huán)境條件下的橋梁施工技術(shù)的正常開展。尤其在橋梁工程施工之前，借助BIM虛擬技術(shù)，對橋梁工程項(xiàng)目施工技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行全過程模擬，尤其針對復(fù)雜橋梁施工環(huán)境中存在的問題進(jìn)行一解析，為施工方案的進(jìn)一步創(chuàng)新優(yōu)化提供直觀參考依據(jù)，同時也消除施工階段的安全隱患，節(jié)省項(xiàng)目施工成本及周期，對實(shí)現(xiàn)橋梁工程施工技術(shù)的高效開展具有重要理論和實(shí)踐指導(dǎo)意義義。本文以BIM虛擬施工技術(shù)為研究重點(diǎn)，對其在橋梁施工中的應(yīng)用進(jìn)行探究，以實(shí)現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計、工程施工組織等建設(shè)過程的控制，保障項(xiàng)目施工質(zhì)量、進(jìn)度、安全、成本管理目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

1研究理論基礎(chǔ)

1.1虛擬施工技術(shù)

借助數(shù)字化、可視化方法，將項(xiàng)目施工的過程進(jìn)行虛擬演練，主要實(shí)現(xiàn)對虛擬現(xiàn)實(shí)、結(jié)構(gòu)仿真、施工模擬技術(shù)的有效開發(fā)與運(yùn)用。虛擬施工技術(shù)以計算機(jī)協(xié)同作業(yè)為基礎(chǔ)，構(gòu)建全面施工模擬系統(tǒng)，對施工技術(shù)應(yīng)用過程總中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，從而可實(shí)現(xiàn)在不消耗現(xiàn)場施工人力、物力資源的基礎(chǔ)上，借助計算機(jī)技術(shù)，對風(fēng)險進(jìn)行一排除，并形成直觀性更強(qiáng)的三維動態(tài)管理模型，實(shí)現(xiàn)建筑項(xiàng)目施工過程中的事前控制及動態(tài)化管理[2]。

建筑領(lǐng)域中，對于某些大型建筑，如橋梁項(xiàng)目，已經(jīng)開展了施工過程中的建模模擬作業(yè)，但是只是以形成動畫的模式，對整個項(xiàng)目施工流程進(jìn)行模擬展示，但并沒有對所建模型的虛擬施工結(jié)果進(jìn)行分析，因此對造成的虛擬施工存在的問題，仍需要不斷的改進(jìn)應(yīng)用。

1.2基于BIM的虛擬施工技術(shù)

BIM技術(shù)以三維數(shù)字化技術(shù)為依托，將建筑項(xiàng)目全過程管理中的關(guān)鍵信息技術(shù)進(jìn)行有效結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目管理領(lǐng)域中各實(shí)體功能性的有效集成與管理，可通過建筑項(xiàng)目實(shí)施的各個環(huán)節(jié)，對不同專業(yè)領(lǐng)域下的施工技術(shù)信息進(jìn)行有效集成，并有選擇的進(jìn)行信息共享，最終可形成基于一定形式的實(shí)時動態(tài)管理與分析。林佳銳等研究人員，根據(jù)BIM模型的建立過程，將橋梁項(xiàng)目建設(shè)所形成的離散事件進(jìn)行仿真分析，并詳細(xì)介紹了仿真模型之間的異同，構(gòu)建了離散事件仿真過程中的轉(zhuǎn)換分析方法，并將離散事件中的模擬退火算法進(jìn)行區(qū)分，實(shí)現(xiàn)進(jìn)度資源管理的均衡發(fā)展”。本文將依托BIM技術(shù)與虛擬施工技術(shù)之間的關(guān)聯(lián)性，構(gòu)建結(jié)合施工可視化分析為主的虛擬施工技術(shù)應(yīng)用平臺，并將可視化的軟件平臺處理信息進(jìn)行優(yōu)化，搭建3D橋梁信息處理模型，可通過信息的集成、數(shù)據(jù)的合理、數(shù)字化信息的共享等渠道，將項(xiàng)目建設(shè)的現(xiàn)場場地資源信息、施工技術(shù)應(yīng)用信息、施工驗(yàn)收階段的處理信息進(jìn)行集成，構(gòu)建4D虛擬施工模型，優(yōu)化建設(shè)項(xiàng)目施工流程。在以橋梁4D施工模型建設(shè)的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目施工計劃的制定中，可實(shí)現(xiàn)5D資源的成本控制質(zhì)量的提高，以施工順序及施工流程為主，實(shí)現(xiàn)施工信息、施工設(shè)備及施工場地的提前布置，以形成可視化信息管理為主體，實(shí)現(xiàn)施工過程中勞務(wù)、物質(zhì)資源、成本管理等各種項(xiàng)目管理信息的動態(tài)化管理目標(biāo)的構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)[4]。

2基于BIM虛擬施工技術(shù)在橋梁建設(shè)工程中的應(yīng)用

2.1橋梁工程建設(shè)的難點(diǎn)分析

作為基礎(chǔ)工程之一，橋梁工程建造形式多樣，主要包含有梁式橋、懸索橋、拱式橋和斜拉橋等多種類型，由于橋梁大都建設(shè)在惡劣、較為復(fù)雜環(huán)境中，因此項(xiàng)目設(shè)計、施工及后續(xù)驗(yàn)收等環(huán)節(jié)存在較多問題，再加上當(dāng)前橋梁項(xiàng)目呈現(xiàn)出施工技術(shù)復(fù)雜化、結(jié)構(gòu)樣式多樣化等特征，造成橋梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)件存在較多復(fù)雜性。對于不同種類建筑結(jié)構(gòu)形式的橋梁來說，在施工環(huán)境較為惡劣的條件下，橋梁項(xiàng)目施工技術(shù)方案的應(yīng)用難度逐步增大，造成項(xiàng)目施工管理要求不斷提升。橋梁項(xiàng)目施工的過程中，不僅施工技術(shù)單一化，且施工環(huán)境呈現(xiàn)出無重復(fù)性的特點(diǎn)，這造成橋梁工程施工技術(shù)方案的制定及落實(shí)應(yīng)用較為困難。實(shí)際施工過程中，由于橋梁工程施工質(zhì)量及各施工階段的質(zhì)量管理較為嚴(yán)格，容易造成施工延期、造價成本提升等現(xiàn)象發(fā)生。除此之外，在橋梁工程建設(shè)的過程中，往往涉及到大量的預(yù)制結(jié)構(gòu)構(gòu)件，預(yù)制構(gòu)件生成后再運(yùn)輸?shù)巾?xiàng)目施工現(xiàn)場進(jìn)行安裝，這不僅對施工技術(shù)應(yīng)用流程標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)施造成一定困難，同時對橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸的核對、施工造價成本也會造成一定影響。

2.2BIM虛擬施工技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)

2.2.1基于BIM技術(shù)的應(yīng)用平臺開發(fā)

1）云平臺技術(shù)支持下的遠(yuǎn)程協(xié)同辦公管理

BIM在云技術(shù)的支持下可實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)、跨企業(yè)應(yīng)用，并通過構(gòu)建系統(tǒng)化的BIM技術(shù)應(yīng)用平臺，實(shí)現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐的多方協(xié)同管理作業(yè)體系，為實(shí)現(xiàn)BIM虛擬施工技術(shù)的合理使用提供理論和技術(shù)支撐。在橋梁建設(shè)現(xiàn)場，所有的基站都放置一定數(shù)量的中心機(jī)房，BIM模型數(shù)據(jù)及BIM相關(guān)部署管理工作都要在中心工作站中不斷管理運(yùn)行，其中外部電腦系統(tǒng)需要在網(wǎng)頁許可的范圍內(nèi)進(jìn)行云端數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效分析，為BIM虛擬施工技術(shù)的可操作性提供一定理論支撐！。云端結(jié)合硬件資源，將圖形信息及計算機(jī)數(shù)據(jù)處理功能進(jìn)行分析，不僅能夠加快數(shù)據(jù)計算與分析技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，同時能夠?qū)τ布幚硐到y(tǒng)的數(shù)據(jù)資源進(jìn)行整合分享。最后，選擇使用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理的方式，實(shí)現(xiàn).BIM用戶信息的共享式傳遞，以保證用戶能夠借助計算機(jī)數(shù)據(jù)的處理能力，實(shí)現(xiàn)BIM虛擬施工技術(shù)應(yīng)用中數(shù)據(jù)資源的高效化利用，降低數(shù)據(jù)處理成本和硬件系統(tǒng)管理維護(hù)成本，云平臺協(xié)助作業(yè)框架如下圖1所示。

2）以構(gòu)件為基礎(chǔ)的實(shí)時信息的更新

大數(shù)據(jù)時代，“互聯(lián)網(wǎng)+BIM”技術(shù)已經(jīng)成為建筑行業(yè)領(lǐng)域的主體技術(shù)之一，以創(chuàng)建多維建筑結(jié)構(gòu)化工廠數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，將數(shù)據(jù)處理信息、數(shù)據(jù)共享機(jī)制等進(jìn)行構(gòu)件級分析，從而為項(xiàng)目數(shù)據(jù)收集、處理及分享進(jìn)行平臺化的數(shù)據(jù)承載，基于數(shù)據(jù)的共享可實(shí)現(xiàn)建筑管理信息的相互協(xié)調(diào)，以BIM虛擬施工技術(shù)為核心，對施工過程中遇到的相關(guān)問題進(jìn)行預(yù)測，不僅能夠依據(jù)問題反饋進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的優(yōu)化，同時能夠?qū)κ┕で捌谥贫ǖ慕ㄖＰ瓦M(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用，其中主要包含建筑規(guī)則、拆分原則等，并結(jié)合模型及施工現(xiàn)場中的無縫銜接，促進(jìn)和保障建筑構(gòu)件結(jié)構(gòu)的分項(xiàng)式管理。

3基于BIM技術(shù)的橋梁虛擬施工技術(shù)應(yīng)用

3.1基于BIM的信息虛擬化模型構(gòu)建（以風(fēng)荷載為例）

3.1.1橋梁項(xiàng)目施工模型的建立步驟

BIM技術(shù)支持下的施工模擬系統(tǒng)都為可視化操作，由于物理模型引擎的建立與圖像組件的分析之間是相互獨(dú)立的，其為用戶提供了較為豐富、可行性較高的模擬環(huán)境及使用功能模塊，并在可視化環(huán)境中實(shí)現(xiàn)建筑信息對稱的模型信息的相對運(yùn)動，此類模塊的分析，主要以物理計算代碼的應(yīng)用為主，可實(shí)現(xiàn)虛擬仿真系統(tǒng)技術(shù)的物理應(yīng)用。Revit所創(chuàng)建的物體模型結(jié)構(gòu)所包含的基礎(chǔ)信息中，主要以物理屬性為核心，不僅在Unity3D中帶有強(qiáng)大的物理引擎功能，同時可構(gòu)建剛體組合，為創(chuàng)建新型物體構(gòu)建所包含的物理屬性，如質(zhì)量、重力、摩擦及摩擦系數(shù)等，在物體受力作用的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)物理應(yīng)用效果的模擬，為添加物理材質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對物體模擬效果的可視化，具有真實(shí)有效的特征。橋梁項(xiàng)目施工模型的建立步驟流程圖如下圖2所示。

3.1.2風(fēng)場模擬

1）基本風(fēng)速計算

本研究中以6級風(fēng)為研究對象進(jìn)行計算，其中6級風(fēng)的基本風(fēng)速中數(shù)值為12m/s，此風(fēng)速值為距離水平面10處的風(fēng)速取值范圍。

從局部風(fēng)的豎直變化情況看，變化程度復(fù)雜程度越大，風(fēng)的變化方向及變化時間也越大，當(dāng)前在橋梁工程中，常用的風(fēng)隨高度變化的計算公式主要包含對數(shù)律公式、指數(shù)律公式，其中，指數(shù)律公式主要以描述風(fēng)速度剖面為主，應(yīng)用更加便利化[7]。

其中，V，為基準(zhǔn)高度Zm處的風(fēng)速值，單位為m/s;Z為橋梁主跨橋面結(jié)構(gòu)距離水面高度值，單位為Im;指地表面粗糙程度系數(shù)，其具體取值見下表1;Vz為基準(zhǔn)高度Zm處的風(fēng)速值，單位為m/s。

2）靜陣風(fēng)荷載計算分析

依據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，對風(fēng)靜力荷載進(jìn)行有效計算，其中靜陣風(fēng)的風(fēng)速要按照公式（2）計算分析。

其中，式（2）中的各項(xiàng)系數(shù)的具體含義如下：

V.為靜陣風(fēng)風(fēng)速，單位為m/s;Gv為指靜力風(fēng)系數(shù);V，為在基準(zhǔn)風(fēng)高度Z處的風(fēng)速值，單位為m/s。

在橋梁的橫向上，主要考慮橋梁結(jié)構(gòu)的桁架體系，如遮擋系數(shù)，在橫向風(fēng)荷載的作用上，單位長度上的橫向靜陣風(fēng)荷載計算應(yīng)用如（3）公式所示：

其中，F(xiàn)H為以作用在單位梁長度上的靜陣風(fēng)荷載，單位N/m;p為空氣密度，單位Kg/m'，值為1.25;Ca為主梁結(jié)構(gòu)的阻力系數(shù);H為主梁高度，單位為m。

3.2基于BIM虛擬施工技術(shù)的施工組織優(yōu)化分析

3.2.1基于BIM技術(shù)的施工方案設(shè)計

橋梁工程建設(shè)流程及施工技術(shù)方案制定的流程較為復(fù)雜，如果施工方案設(shè)計不合理、不科學(xué)，會對后續(xù)橋梁工程的實(shí)施效率、工程質(zhì)量及工期造成一定程序的限制，例如項(xiàng)目施工過程中，部分施工方法、施工機(jī)械設(shè)備等無法滿足施工具體要求，則需要更換相關(guān)設(shè)計方案，不僅會造成設(shè)計進(jìn)步的延誤，同時也會導(dǎo)致施工造價成本的增加。因此，在橋梁工程施工技術(shù)方案驗(yàn)證分析的過程中，需可續(xù)利用BIM軟件，對施工方案進(jìn)行可行性分析，以備后期施工現(xiàn)場中進(jìn)行驗(yàn)證。在施工機(jī)械設(shè)備的選擇過程中，需要根據(jù)合適.的機(jī)械設(shè)備，對施工方案設(shè)計的內(nèi)容進(jìn)行分析，以軟件平臺搭建的動態(tài)模擬系統(tǒng)為主，將施工工序進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)定，并對施工技術(shù)方案進(jìn)行反復(fù)模擬優(yōu)化。

3.2.2基于BIM的施工進(jìn)度優(yōu)化

針對橋梁工程項(xiàng)目管理中的質(zhì)量和進(jìn)度兩者實(shí)施的目標(biāo)來看，按照進(jìn)度優(yōu)化的模式，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)工程實(shí)施進(jìn)度的順利，同時也能夠保證施工工期能夠在合理的預(yù)定范圍內(nèi)得到保證，因此控制工程質(zhì)量和工程成本的優(yōu)化。橋梁工程施工進(jìn)度計劃的控制，需要以施工進(jìn)度為主要依據(jù)，同時要依據(jù)編制的分階段施工計劃和各項(xiàng)資源配置管理計劃為依據(jù)，構(gòu)建可行性的施工進(jìn)度優(yōu)化方案。

3.3橋梁施工質(zhì)量管理

基于BIM虛擬施工技術(shù)的橋梁項(xiàng)目來說，在施工質(zhì)量管理的過程中，可通過建立數(shù)據(jù)參數(shù)化模型的方式，針對施工技術(shù)方案，制定合理有效的施工過程模擬方案，并對施工現(xiàn)場信息進(jìn)行高效收錄，以此保證施工技術(shù)質(zhì)量及其施工管理的內(nèi)容具有“可視化”[8]基于BIM虛擬施工技術(shù)的橋梁施工質(zhì)量管理整體應(yīng)用基本框架如圖3所示。

4工程案例

某大橋項(xiàng)目為當(dāng)?shù)刂攸c(diǎn)工程項(xiàng)目之一，橋跨全長1.02km，主橋結(jié)構(gòu)尺寸：100m+160m+100m，主橋結(jié)構(gòu)形式為預(yù)應(yīng)力變截面連續(xù)箱梁。此大橋建成后對于連接和貫通城市東西部交通具有重要戰(zhàn)略意義，大橋建成后整體效果圖如圖4所示。

4.1某大橋BIM虛擬施工應(yīng)用平臺搭建

基于BIM3D、4D模型平臺，將橋梁工程建設(shè)過程中的模型平臺通過系統(tǒng)接口、平臺數(shù)據(jù)管理接口進(jìn)行雙接口雙向連接，從而可實(shí)現(xiàn)基于BIM虛擬施工技術(shù)的施工全過程信息數(shù)據(jù)的共享。

例如，構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化建模，將大橋的幾何模型進(jìn)行拆分為主橋、引橋、現(xiàn)場施工場地等重點(diǎn)部分，可依據(jù)項(xiàng)目合同編號、分部及分項(xiàng)工程進(jìn)行構(gòu)件編碼的定義與命名。這樣可保證橋梁工程施工中，對應(yīng)單體構(gòu)件能夠通過唯一對應(yīng)編碼及時找到。

主橋和引橋模型的構(gòu)建。針對主橋整體模型、主橋的現(xiàn)澆段、鋼腹板模型結(jié)構(gòu)等需要借助BIM模型，如利用Revit和Civil3D軟件，構(gòu)建基于地理為主為基礎(chǔ)的大橋周邊建設(shè)環(huán)境，如道路綠化、河流等主元素。主橋整體模型如圖5所示，主橋，上部結(jié)構(gòu)模型如圖6所示。

4.2基于BIM虛擬施工技術(shù)的大橋預(yù)制構(gòu)件模型應(yīng)用4.2.1鋼筋模型深化應(yīng)用

針對大橋主橋0#塊鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，建立如圖7所示的鋼筋BIM深化模型。

4.2.2保護(hù)層厚度的控制

以revit軟件為主，對選定的0#塊鋼筋構(gòu)件的外部尺寸中鋼筋保護(hù)層的厚度進(jìn)行設(shè)計，在對選定的鋼筋進(jìn)行碰撞試驗(yàn)，以確保達(dá)到保護(hù)層厚度的有效控制。

4.2.3鋼腹板BIM模型建立的深化應(yīng)用

大橋鋼腹板施工具有施工復(fù)雜、施工技術(shù)難等問題，因此創(chuàng)建每一塊的鋼腹板三維模型都需要對每一塊鋼腹板進(jìn)行精確化的編碼，如二維碼的識別，并將鋼腹板尺寸及材料需求信息發(fā)送給預(yù)制廠商，實(shí)現(xiàn)設(shè)計、制造、安裝的一體化作業(yè)。

5結(jié)語

基于BIM虛擬施工技術(shù)在橋梁項(xiàng)目建設(shè)項(xiàng)目中的應(yīng)用，不僅可實(shí)現(xiàn)施工安全風(fēng)險的預(yù)估、可控，同時能夠?qū)κ┕ぜ夹g(shù)方案進(jìn)行優(yōu)化，減少施工造價成本，提升項(xiàng)目施工的效率，為開辟新的橋梁施工技術(shù)方案奠定堅實(shí)基礎(chǔ)。文章針對BIM虛擬施工技術(shù)理論內(nèi)容，分別從施工技術(shù)方案的應(yīng)用，數(shù)字化虛擬平臺的搭建及工程案例應(yīng)用等方面深入探究，為構(gòu)建可行性度高的BIM虛擬施工技術(shù)方案在橋梁工程中的應(yīng)用提供理論和實(shí)踐參考。

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