BIM技術(shù)在屯溪鎮(zhèn)海橋修繕工程中的應(yīng)用

程忠平 （安徽省徽州古典園林建設(shè)有限公司，安徽 黃山 245200）

1 引言

我國(guó)是橋的故鄉(xiāng)，歷史悠久，發(fā)展于隋，興于宋，自古就有“橋的國(guó)度”之稱。我國(guó)古代橋梁蘊(yùn)含著古人的建筑藝術(shù)，有不少是世界橋梁史上璀璨的創(chuàng)舉，充分展現(xiàn)了我國(guó)古代勞動(dòng)人民非凡的智慧與創(chuàng)造力。古橋蘊(yùn)含著豐富的歷史、文化、科技，是當(dāng)代社會(huì)的無(wú)價(jià)之寶。但由于近年來(lái)的洪災(zāi)增長(zhǎng)，不少古橋因洪水毀于一旦，古橋修繕工作顯得尤為重要。

為使傳統(tǒng)工藝盡可能地保留與傳承，修繕多以傳統(tǒng)砌筑方式進(jìn)行。由文物保護(hù)修繕者，提出修繕?lè)椒ㄅc技術(shù)，工匠及相關(guān)工藝人員，按照祖先遺留的技術(shù)打鑿、修復(fù)。此過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)銜接不連貫，信息表達(dá)不準(zhǔn)確，不同專業(yè)協(xié)同不及時(shí)的問(wèn)題，導(dǎo)致修繕工作進(jìn)展緩慢，逐漸被現(xiàn)代化、便捷化的方式方法所替代。

如何將先人的智慧進(jìn)行保存流傳，如何將古與今進(jìn)行對(duì)話及碰撞，如何提高傳統(tǒng)工藝的施工效率，是修繕工程需重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

在屯溪鎮(zhèn)海橋的修繕工程之初，提出將現(xiàn)代BIM技術(shù)（三維激光掃描、多基線近景三維建模、三維BIM技術(shù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)等）融入古橋的修繕過(guò)程之中，用現(xiàn)代的方法將古人的技藝進(jìn)行記錄，用三維可視化、數(shù)字化、信息化、虛擬化、精細(xì)化、參數(shù)化輔助古橋的設(shè)計(jì)與施工，提高施工效率、創(chuàng)建新的古建修繕?biāo)悸贰?/p>

2 項(xiàng)目概況

2.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

鎮(zhèn)海橋又名“老大橋”，位于黃山市屯溪區(qū)，三江口即新安江、率水、橫江三江交匯處，始建于明嘉靖十五年（公元1536年），數(shù)百年來(lái)，橫臥在江面，跨立在橫江口，貫穿著黎陽(yáng)與屯溪老街，歷經(jīng)了數(shù)百年的風(fēng)風(fēng)雨雨，方便了世世代代的黃山人民出行，承載了徽州人深厚的感情，蘊(yùn)藏了一段段難以忘卻的記憶。

該橋全長(zhǎng)131.2m，寬 2.53m，高13m，拱洞跨度13m～15m不等，為六墩七孔聯(lián)拱（石質(zhì)拱橋），橋面和橋欄用茶園青石鋪建。上部為等截面實(shí)腹式石拱，下部為漿砌條石重力式墩臺(tái)。橋墩呈等腰三角形，上水頭的分水頭石尖翹起，造成船頭狀，石墩背部為龜背形，仿佛六只石龜馱著橋梁。

圖1 鎮(zhèn)海橋手繪圖

圖2 鎮(zhèn)海橋?qū)嵕皥D

圖3 點(diǎn)云模型

鎮(zhèn)海橋是屯溪?dú)v史重要的建筑標(biāo)志，是現(xiàn)存的明代大型石拱橋之一，具有很高的歷史、藝術(shù)、科學(xué)價(jià)值。2019年10月7日，屯溪鎮(zhèn)海橋被列入第八批全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位。

2020年7月7日因基礎(chǔ)沖空，受暴雨洪水的持續(xù)沖刷造成一處分水尖坍塌，從而引發(fā)橋體相繼倒塌，于9月7日完成鎮(zhèn)海橋石構(gòu)件打撈，自2020年11月12日開(kāi)工修繕。

2.2 BIM實(shí)施分析

鎮(zhèn)海橋的重新修繕的原則是在保護(hù)文物的前提下最大限度保護(hù)文物歷史信息，按原形制、原材料、原工藝、原做法，在滿足相關(guān)規(guī)范的要求，對(duì)原橋體的構(gòu)件進(jìn)行充分的利用，采用適當(dāng)?shù)男鹿に噷?duì)橋體進(jìn)加固。此次修繕?lè)桨钢校嗖捎貌糠脂F(xiàn)代橋梁工藝，于橋墩底部加設(shè)樁基礎(chǔ)、橋墩墩身內(nèi)部加入構(gòu)造柱、拱券中增加預(yù)應(yīng)力鋼板帶等。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，共在江底搶救性打撈石材構(gòu)件共計(jì)4596方，不同規(guī)格石料構(gòu)件多達(dá)幾萬(wàn)塊，由此可見(jiàn)石塊構(gòu)件的數(shù)量十分龐大。黃山地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，雨季雨水量較大，此項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中存在較多難點(diǎn)。

①對(duì)古橋中的文物構(gòu)件如何進(jìn)行信息保存、修繕及傳承。

②如此龐大的打撈石料如何快速、歸類整理與統(tǒng)計(jì)，整理好的老石料，如何最大程度合理利用。

③如何采用BIM技術(shù)輔助修繕施工，對(duì)不同構(gòu)件的使用部位、排布方式進(jìn)行編排，提高工作效率。

本項(xiàng)目采用BIM技術(shù)輔助解決上述問(wèn)題，提高石塊構(gòu)件利用率，多角度、多元素展示古橋文化遺產(chǎn)，達(dá)到文物修繕過(guò)程中的真實(shí)性、完整性。

3 BIM技術(shù)應(yīng)用

3.1 BIM技術(shù)輔助記錄古文物

BIM三維數(shù)據(jù)信息模型,增強(qiáng)文物橋梁保護(hù)的可視化，借助航拍和實(shí)景合成技術(shù)將BIM模型融入真實(shí)環(huán)境，便于古橋修復(fù)方案的優(yōu)化，并作為文物橋梁數(shù)字化保護(hù)的基準(zhǔn)信息模型，用于文物橋梁的全壽命周期保護(hù)。

3.1.1 沖毀原貌記錄

鎮(zhèn)海橋修繕原則之一：最大限度保護(hù)文物歷史信息，因此對(duì)水毀后的古跡現(xiàn)狀數(shù)據(jù)留存成為古橋修繕的數(shù)據(jù)來(lái)源之一。由于三江口地理位置特殊性，處于禁飛區(qū)，常規(guī)無(wú)人機(jī)三維傾斜攝影技術(shù)無(wú)法實(shí)施。與安徽省BIM工程中心合作，結(jié)合BIM技術(shù)，通過(guò)V-RTK高精度設(shè)備，采用多基線近景三維建模技術(shù)，基于任意表面布爾運(yùn)算，對(duì)水毀現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)據(jù)信息采集。作為BIM三維數(shù)據(jù)信息模型建立的真實(shí)環(huán)境，便于古橋修復(fù)方案的優(yōu)化，并作為文物橋梁數(shù)字化保護(hù)的基準(zhǔn)信息模型，用于文物橋梁的全壽命周期保護(hù)。

圖4 橋墩一

圖5 橋墩二

圖6 橋墩三

圖7 橋墩四、五

圖8 橋墩六

圖9 橋臺(tái)

圖10 斷口處

圖11 大放腳

圖12 鐵錠

打撈石塊量預(yù)估 表1

圖13 點(diǎn)云實(shí)景模型下的設(shè)計(jì)模型

基于已采集的數(shù)據(jù)信息，對(duì)石料打撈量進(jìn)行預(yù)估算。

3.1.2 文物數(shù)字信息記錄

2020年11 月，工人在黃山市中心城區(qū)屯溪老大橋殘余橋墩處搭設(shè)腳手架，將對(duì)橋墩逐一拆除，拆除中會(huì)進(jìn)行影像記錄，并注重尋找有價(jià)值的歷史構(gòu)件物等。同時(shí)，在已經(jīng)打撈的石料構(gòu)件中，專家發(fā)現(xiàn)了古橋橋墩石料中有一只鐵蜈蚣，該鐵蜈蚣模樣的鐵器造型栩栩如生，被緊緊地嵌在石塊內(nèi)，印證了民間傳說(shuō)。

圖14 鐵蜈蚣1石塊模型

圖15 鐵蜈蚣2石塊模型

為更好保存古跡古物，我們采用三維拍攝技術(shù)，對(duì)此進(jìn)行三維建模，從而對(duì)古橋進(jìn)行數(shù)字傳遞。

3.1.3 三維數(shù)字修繕

鎮(zhèn)海橋中間橋墩均刻“禁止取魚(yú)”字樣（見(jiàn)圖16)，充分體現(xiàn)了古代人對(duì)自然環(huán)境的保護(hù)意識(shí)。

圖16 橋墩勘測(cè)原圖

這些刻有字跡的石塊在古橋被沖毀后散落在河底，從河底打撈上來(lái)的石塊構(gòu)件中僅打撈起35塊帶有字樣構(gòu)件，為了將歷史遺跡盡可能利用起來(lái)，采用BIM技術(shù)，對(duì)石塊進(jìn)行三維數(shù)字建模，按照前期采集的影像資料，進(jìn)行拼裝，盡最大可能還原古跡。

首先用高清相機(jī)全方位多角度拍攝場(chǎng)帶有字跡的石塊素材，再把素材導(dǎo)入到RealityCapture軟件構(gòu)建出整體模型并調(diào)整實(shí)際比例。

然后根據(jù)“禁止取魚(yú)”字跡照片形成的CAD字跡，經(jīng)過(guò)對(duì)比分類整理，35塊石料按照“禁”“止”“取”“魚(yú)”部首集中分類。

再根據(jù)原始勘測(cè)的影像資料進(jìn)行石塊拼裝，經(jīng)過(guò)組裝，拼裝成數(shù)個(gè)殘缺字形。

圖17 石塊照片素材

圖18 三維石塊模型

據(jù)老石料的排布尺寸，定位所需補(bǔ)充新石料的大小，輔助工匠師傅下料、雕刻。

圖19 打撈石塊分類

圖20 4#橋墩勘測(cè)圖

圖21 4#橋墩石塊拼裝圖

圖22 5#橋墩勘測(cè)圖

3.2 BIM技術(shù)輔助數(shù)字化老石料建模

為了后續(xù)修繕工作的順利開(kāi)展，在保證安全的前提下，采用人工搜定打撈、機(jī)具設(shè)備輔助等方式實(shí)施打撈，分區(qū)域設(shè)置圍堰，進(jìn)行地毯式搜索，人工配合機(jī)具設(shè)備搬運(yùn)構(gòu)件、石料等，沖洗干凈，運(yùn)輸上岸，歸類碼放。

圖23 5#橋墩石塊拼裝圖

圖24 6#橋墩勘測(cè)圖

圖25 6#橋墩石塊拼裝圖

構(gòu)件打撈時(shí)的分類編號(hào)，并結(jié)合《建筑信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T51269-2017）進(jìn)行構(gòu)件編碼，一構(gòu)一碼，進(jìn)行文物的數(shù)字化儲(chǔ)存管理。

并采用DYNAMO數(shù)字編程技術(shù)，對(duì)打撈構(gòu)件尺寸統(tǒng)計(jì)，建立三維模型。將實(shí)施分析數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)三維信息模型之中，更好地開(kāi)展數(shù)字化保護(hù)。

對(duì)打撈材料進(jìn)行理化材性與力學(xué)特征檢測(cè)分析，驗(yàn)證文物石材在原位重建原橋后，結(jié)構(gòu)承載力是否滿足業(yè)主定位的使用需求，經(jīng)梳理發(fā)現(xiàn)打撈石料砌筑遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠用于修繕，于是橋墩底部采用新石料進(jìn)行砌筑，上部使用老石料進(jìn)行修繕?；贐IM平臺(tái)進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模，對(duì)原構(gòu)件拼裝后的大橋，進(jìn)行缺、補(bǔ)、填充處建模，并將實(shí)施分析數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)三維信息模型之中，輸出構(gòu)件信息，以統(tǒng)計(jì)補(bǔ)充材料明細(xì)，輔助重建施工。為盡可能修復(fù)原貌，采用BIM技術(shù)，以原貌為準(zhǔn)繩，預(yù)模擬拱券石排布方案。

圖26 7#橋墩勘測(cè)圖

圖27 7#橋墩石塊拼裝圖

圖28 Dynamo編碼

圖29 老石料模型數(shù)據(jù)

方案1：在拱券內(nèi)外兩側(cè)采用老石料進(jìn)行加工砌筑，為保證整體觀感效果，每拱采用三種尺寸石料進(jìn)行加工，基于左右對(duì)稱原則進(jìn)行排布。此方案排布數(shù)據(jù)詳見(jiàn)圖31所示。

圖30 拱券石排布方案一模型（不同顏色代表不同厚度石塊）

圖31 拱券石排布方案一數(shù)據(jù)

拱券石排布數(shù)據(jù)一覽表 表2

此方案整體石塊利用率可達(dá)57.88%，但部分尺寸石塊：270mm，280mm使用較多，僅剩幾塊，未充分考慮加工損耗，會(huì)存在后續(xù)該尺寸老石料缺失情況。與此同時(shí)，拱券內(nèi)外兩側(cè)石塊需要雙面糙道加工，老石料加工槽道會(huì)更進(jìn)一步加高損耗率、成本費(fèi)用等。

方案2，采用部分拱券區(qū)域使用老石料布置，此方案在考慮損耗的情況下，亦可盡量保證老料的使用區(qū)域規(guī)整。

3.3 三維數(shù)字化技術(shù)輔助傳統(tǒng)工藝砌筑

傳統(tǒng)工藝，即根據(jù)石料尺寸大小情況，提前加工風(fēng)水尖石塊，其余標(biāo)準(zhǔn)處，工匠師傅根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)堆料位置實(shí)時(shí)砌筑，此過(guò)程中存在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量配料、切割、加工的情況。該項(xiàng)目過(guò)程中采用手機(jī)拍攝實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)素材，生成三維模型數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)已有石料尺寸進(jìn)行石料預(yù)排布，將測(cè)量、配料、切割、加工等工序由實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)遷至辦公區(qū)域，從而避免損耗、加快項(xiàng)目進(jìn)程。

圖32 拱券石排布方案二模型（不同顏色代表不同厚度石塊）

圖33 三維預(yù)排布模型

3.4 運(yùn)用BIM技術(shù)協(xié)同設(shè)計(jì)

3.4.1 協(xié)同碰撞檢查

項(xiàng)目利用REVIT對(duì)橋的樁基礎(chǔ)，承臺(tái)、圍護(hù)樁、墩身、橋身、橋面等按照實(shí)際施工進(jìn)度，原比例建立三維模型，進(jìn)行三維碰撞檢查，在施工前期發(fā)現(xiàn)碰撞元素，從而避免施工過(guò)程中的返工、縮短工期、節(jié)約成本。

①施工前期，發(fā)現(xiàn)鋼板帶布置位置會(huì)影響到后續(xù)石塊砌筑作業(yè)，反饋問(wèn)題，調(diào)整變更鋼板帶預(yù)埋預(yù)制，解決碰撞問(wèn)題。

②施工前期，發(fā)現(xiàn)拱架加固板與砌筑石塊存在碰撞，反饋問(wèn)題，調(diào)整擋水墻砌筑位置，解決碰撞問(wèn)題。

③施工前期發(fā)現(xiàn)拱架方案中：由于大放腳處尺寸外放，木支撐厚度將達(dá)500mm，過(guò)厚的支撐將會(huì)帶來(lái)較大自重荷載，對(duì)后續(xù)拱架受力及施工難易程度都存在一定影響，從而拱架方案作出一定的調(diào)整。

圖34 碰撞點(diǎn)1

圖35 碰撞點(diǎn)2

圖36 碰撞點(diǎn)3

圖37 2#橋墩金剛墻工程量信息復(fù)核

圖38 2#橋墩質(zhì)量信息管理

圖39 施工進(jìn)度模擬圖

3.4.2 施工質(zhì)量管理

伴隨項(xiàng)目施工進(jìn)展過(guò)程，結(jié)合BIM數(shù)字化信息模型進(jìn)行項(xiàng)目施工信息錄入，對(duì)修繕的大橋構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化信息存儲(chǔ)，質(zhì)量化檢驗(yàn)，質(zhì)量驗(yàn)收。

3.4.3 進(jìn)度計(jì)劃模擬

將前期三維數(shù)據(jù)模型與施工進(jìn)度計(jì)劃相鏈接，將空間信息與時(shí)間信息整合在一個(gè)可視的4D(3D+Time)模型中，然后直觀、精確地反映整個(gè)項(xiàng)目的施工過(guò)程，也可對(duì)三維檢修設(shè)備、施工臨時(shí)措施等進(jìn)行預(yù)模擬。以動(dòng)態(tài)的形式精確掌握施工進(jìn)度，優(yōu)化使用施工資源以及科學(xué)地進(jìn)行場(chǎng)地布置，對(duì)整個(gè)工程的施工進(jìn)度、資源和質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)一管理和控制，達(dá)到縮短工期、降低成本、提高質(zhì)量的目的。以提高文物建筑體系維修的可行性、安全性、高效性。

3.4.4 BIM平臺(tái)的建立及運(yùn)行

基于文物橋梁的施工BIM模型,建立智慧工地平臺(tái)，施工現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展文物橋梁重建的在線實(shí)名制管理、現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境監(jiān)測(cè)、涉水施工安全監(jiān)測(cè)、起重設(shè)備安全預(yù)警、現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控、施工進(jìn)度與質(zhì)量管理等無(wú)縫融合，并將文物橋梁重建現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)推送到云平臺(tái)，工程狀況一目了然。

在運(yùn)維階段，基于BIM平臺(tái)對(duì)文物橋梁實(shí)施安全監(jiān)測(cè)，對(duì)實(shí)時(shí)水位、環(huán)境溫差、橋基與拱圈結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變位移進(jìn)行監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)文物橋梁復(fù)雜環(huán)境下的多維感知監(jiān)測(cè)，可及時(shí)采取措施抵御橋梁面臨輔以環(huán)境中自然災(zāi)害威脅。

4 總結(jié)

利用BIM技術(shù)，結(jié)合鎮(zhèn)海橋修繕項(xiàng)目中實(shí)際存在的難點(diǎn)問(wèn)題，構(gòu)建三維可視化的虛擬模型，項(xiàng)目中歷史遺跡的數(shù)字保存、石塊構(gòu)件的砌筑、“禁止取魚(yú)”字跡石塊構(gòu)件拼接、砌筑石塊預(yù)排布等難點(diǎn)問(wèn)題得到很好的解決。問(wèn)題的解決不僅提高現(xiàn)場(chǎng)的施工效率，提高石塊構(gòu)件的利用率，而且?guī)椭夹g(shù)人員和施工人員通過(guò)三維思考方式精準(zhǔn)施工，在一定程度還原了古橋原始面貌，提高了古橋修繕質(zhì)量。

BIM技術(shù)的應(yīng)用為古橋修繕工作帶來(lái)了全新的方式。古橋的時(shí)空、屬性信息在BIM中被關(guān)聯(lián)在一起，用數(shù)據(jù)信息還原了古橋的結(jié)構(gòu)形式及工藝做法，對(duì)于提高文物建筑保護(hù)的科學(xué)技術(shù)水平，促進(jìn)文物建筑保護(hù)的信息化，具有巨大的應(yīng)用價(jià)值和廣闊應(yīng)用前景。