BIM技術在澳門第四條跨海大橋施工中的應用研究

郁 蔥

(中國土木工程集團有限公司 北京 100038)

1 引言

BIM(建筑信息模型)是建設工程及其設施的物理和功能特性的數字化表達[1]，其主體是模型，本質是信息[2]。BIM概念雖在上世紀70年代就已經提出，但直到本世紀初隨著計算機軟硬件的快速發(fā)展，BIM研究和應用才得到突破性發(fā)展。經過近20年的發(fā)展，歐美發(fā)達國家已在BIM技術應用方面取得了領先地位。我國BIM應用起步較晚，2008年上海中心項目首次采用BIM技術。2012年之后，政府部門逐步開始接觸并推廣該技術，BIM技術在國內得到迅速發(fā)展[3－4]。

對于建筑行業(yè)來說，BIM是一次真正的信息革命[5]。BIM通過數字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息，通過信息有效傳遞、同步更新、資源共享，實現(xiàn)參與方相互協(xié)調、施工過程仿真模擬。BIM技術應用于復雜工程、高層建筑、大體量、大跨度工程，在提高效率、保證質量、節(jié)約成本、縮短工期等方面發(fā)揮出獨特優(yōu)勢。BIM技術在建筑行業(yè)的應用是大勢所趨，勢在必行。

2 工程背景

2.1 工程概況

澳氹第四條跨海大橋項目，位于澳門友誼大橋東側，大橋主線全長3.085 km，其中跨海段長2.86 km，主橋為2聯(lián)(202.5＋280.0＋202.5)下承式連續(xù)鋼桁梁橋，主梁采用大展翼扁平箱梁，主橋橋面總寬度48.4 m。南引橋為(6×80＋60)連續(xù)鋼箱梁橋，北引橋為(4×80)連續(xù)鋼箱梁橋。大橋北側新填海A區(qū)和港珠澳大橋人工島設互通立交，包括1條主線橋，4條匝道橋，均為鋼箱梁結構，共61孔，南側填海E區(qū)設1條匝道橋，為預應力混凝土連續(xù)梁。

2.2 工程實施難點

(1)航空、航道限制多。施工區(qū)屬于航空管制區(qū)，航空限高60 m，局部80 m。施工區(qū)有3個航道，外港和內港航道通航繁忙，施工期間需確保其正常通行。

(2)惡劣天氣影響大。澳門屬于臺風高發(fā)地區(qū)，2017年登陸澳門的“天鴿”，最高風速達132 km/h。

(3)環(huán)保要求高。澳門對環(huán)保要求非常嚴格，對空氣污染、海水污染、污水處理、垃圾處理、噪聲和揚塵等都有嚴格的規(guī)定。每月都需提交環(huán)境監(jiān)測報告，環(huán)保局隨時到現(xiàn)場檢查。

(4)施工技術難度大。海上長大直徑鉆孔樁施工、主橋低樁承臺施工、互通立交施工組織、鋼箱梁預制和安裝等技術難度高，挑戰(zhàn)大。

(5)國際工程管理要求嚴格。項目需按照國際工程管理模式進行管理，執(zhí)行ISO9001貫標標準，管理規(guī)范、審批嚴格。文件資料報批工作量非常大，程序繁瑣，流程復雜。

3 BIM模型建立

3.1 技術平臺

模型創(chuàng)建前根據建設工程不同階段、專業(yè)、任務的要求，對模型種類、數量及使用軟件進行篩選。根據項目特點和任務目標，本項目施工階段采用基于工程實踐的建筑信息模型應用方式即P-BIM[6]，選用Autodesk公司BIM系列軟件，包括Revit、Civil 3D、Navisworks、Infraworks等軟件進行建模和虛擬仿真演算。

3.2 模型建立

(1)場地實景建模

項目引入無人機傾斜攝影技術對施工區(qū)地形進行信息采集，通過無人機5個角度傾斜攝影，生成點云并貼圖，最終生成地表模型。采用GIS＋BIM技術，將地理分布數據和模型有效融合，構建一個具備空間場地實景的三維工程建設模型，實現(xiàn)基于GIS＋BIM的基礎信息化平臺，為項目提供一個既可以把控全局又可以精細管理的技術平臺。

(2)三維地質建模

通過超前鉆和地勘資料，利用三維建模軟件，將施工現(xiàn)場的地質信息數字化，為鉆孔樁施工提供地質信息服務。

(3)主體結構建模

不同施工階段側重點會不同，BIM模型順應項目目的和任務要求，對模型幾何精度和信息深度進行調整以滿足項目施工需要。本次施工階段模型設置精度為LOD300[7]，族模型庫分為永久結構、臨時結構、附屬機構、機電及臨時設備等。通過對構件的參數化設置，大大提高了建模的效率和精度。上部結構由于造型復雜、異型構件多、通用性差，需要對具體構件進行參數化建模(見圖1)。

圖1 主橋三維模型

(4)臨時工程、臨時設施建模

建立臨時碼頭、臨時棧橋、臨時鉆孔平臺、鋼圍堰等族模型庫，并對大型浮吊、鋼圍堰、模板等大型臨時設施也建立模型，以便參與仿真模擬和預拼裝檢查。

4 BIM技術應用

通過3D模型的建立，實現(xiàn)了圖紙審核、工程量提取、平面圖紙出圖、碰撞檢查、形象進度模擬、場地布置優(yōu)化、方案比選、3D可視化技術交底等常規(guī)性BIM技術應用[8]，除此之外，結合本項目施工難點開展了BIM創(chuàng)新性技術應用研究。

4.1 互通立交施工組織模擬建造

A區(qū)互通立交包括1條主線橋，4條匝道橋，共61孔，合計總長2 349.75 m，上部結構全部采用鋼結構箱梁。在平面上形成相互交叉、立面上三層疊加的立體格局(見圖2)，施工組織非常困難，一方面是結構施工相互影響、相互干擾；另一方面是海上結構施工需要大量的臨時結構設施，包括臨時棧橋、鉆孔樁平臺、鋼板樁圍堰、鋼箱梁架設支架，在保證工期的前提下，盡可能增加臨時結構的周轉次數，降低工程造價。

圖2 A區(qū)互通立交三維模型

本次采用BIM模擬技術，對施工階段進行4D模擬建造，即三維模型加Project計劃時間，根據施工組織設計模擬實際施工，從而確定合理的施工方案指導施工[9]。通過對五個批次施工平臺倒用施工順序模擬，直觀了解施工平臺倒用的先后順序，優(yōu)化施工方案，縮短架梁浮吊使用時間。

4.2 鋼結構數字建造

(1)建模及碰撞檢查

大橋線形復雜，借助于CAD三維空間坐標，生成3D線模，直接導入BIM軟件，作為實體建模的控制軸線，實現(xiàn)精準的空間實體放樣和深化(見圖3)。

圖3 鋼結構深化設計

通過碰撞校核，檢查零件間是否有碰撞情況，及時作出修訂，杜絕傳統(tǒng)平面CAD放樣引起的不能發(fā)現(xiàn)的錯誤。此過程中可發(fā)現(xiàn)大量隱藏在設計中的問題，在真實建造施工前消除了各類碰撞問題，減少了返工，縮短了工期，節(jié)約了成本。

(2)出圖及生成報表

通過三維模型自動生成功能，圖紙與模型自動關聯(lián)，所有模型修改后，圖紙自動更新，包含主視圖、俯視圖、剖視圖、節(jié)點大樣、焊縫、零件定位尺寸、材料表等。

各類報表(如構件清單、材料清單、圖紙清單等)可通過模型自動生成，軟件自帶的模板編輯功能，能夠根據使用者的實際需要定制生產報表的資料類型，高效、準確。

(3)數控機床加工下料及機器人焊接

通過BIM資料資訊模型，提取其中零件資訊，發(fā)送到指定的數控機床下料，數控機床可將已完成零件信息自動錄入生產管理系統(tǒng)。

針對焊接現(xiàn)場管理推出的綜合化焊機管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了焊機狀態(tài)實時監(jiān)控、焊接參數在線控制、分析，可以協(xié)助生產企業(yè)提升產品焊接質量、降低生產成本。

(4)二維碼信息管理

可利用互聯(lián)網及二維碼信息，使相關管理人員快速獲取鋼構件生產狀態(tài)信息，并實時更新到數據庫，避免信息反饋中的錯誤，及時發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。

(5)三維激光掃描儀檢測

采用三維激光掃描儀掃描桿件進行數據采集，逆向建模，和精細化模型進行對比，尋找加工誤差、制定改進措施，提高加工質量。

4.3 主橋上部結構模擬拼裝

(1)主橋邊跨4節(jié)段架設

重點進行大型浮吊架站位、路徑等參數的選擇，防止安裝過程中操作不當帶來的碰撞損害，加快施工進度，減少對航道通航的影響[10]。具體工序包括浮吊就位起吊→落梁(調整鋼梁位置及高程)→臨時連接→梁段間焊接→活動支座處設置鋼梁縱向約束→臨時墩頂安裝鋼梁接引緩沖裝置、鋼梁三向位移調整設備(見圖4)。

圖4 主橋邊跨模擬拼裝

(2)主橋中跨橋面架梁吊機節(jié)段虛擬拼裝

船將鋼梁運至架梁吊機下方(就位)→架梁吊機起吊鋼梁→精確調整位置→臨時連接→節(jié)段焊接→跨中合龍段。

(3)主橋合龍段動態(tài)模擬

利用過渡墩及主墩墩頂設備微調合龍口姿態(tài)；鋼梁合龍段船運至架梁吊機下方，兩臺架梁吊機抬吊合龍段至梁段面基本齊平；利用頂拉裝置精確調整合龍口的相對位置，按照“鋼箱梁→上弦桿→斜腹桿”的順序，臨時鎖定合龍口，進行合龍口焊接；解除支座縱向約束。

(4)2 200 t浮吊鋼箱梁吊裝施工模擬

在航空限高60 m的虛擬環(huán)境下對2 200 t浮吊的鋼箱梁吊裝進行施工模擬(BIM＋CAE)，對浮吊L臂架進行變幅操作模擬，驗證設計方案的可行性。

5 BIM＋可視化智慧工地

5.1 BIM＋PM實現(xiàn)可視化、移動化項目管理

BIM和PM的集成應用為項目管理提供可視化的管理手段[11]，基于BIM技術的施工管理平臺應用，實現(xiàn)4D進度、安全質量和文檔可視化管理。

(1)4D BIM進度管理

將Project計劃與3D模型關聯(lián)，將“人、材、機”根據現(xiàn)場實際情況分配到具體施工部位，通過手機端對現(xiàn)場實際進度進行填報，實現(xiàn)對現(xiàn)場施工進度的全過程動態(tài)管理，可直觀反映出整個橋梁的施工過程和形象進度，幫助項目管理人員合理制訂施工計劃、優(yōu)化使用施工資源。

(2)安全質量管理

通過手機端實時將問題描述和整改要求以及相應的圖片發(fā)送給整改人，整改人收到通知后及時安排整改，并將整改情況在手機上回復給檢查人以便驗收，實現(xiàn)了問題記錄和整改通知的流轉。通過圖釘與模型發(fā)生關聯(lián)，實現(xiàn)模型數字化管理。

(3)文檔管理

施工過程的檔案資料管理將施工圖、施工方案、技術交底等資料與BIM構件關聯(lián)，實現(xiàn)施工資料的有序存儲和快速查詢。施工資料可以是文檔、圖形、圖像、視頻等多種形式，按專業(yè)進行存儲和管理，實現(xiàn)竣工材料數字化交付。

5.2 BIM＋IOT實現(xiàn)智能化項目管理

隨著物聯(lián)網、云計算、大數據、人工智能、移動智能終端等信息技術的發(fā)展，項目管理目前已經逐漸從信息化向數字智能化發(fā)展[12]，智慧工地逐漸在建筑行業(yè)中推廣開來。項目通過閘機、智能安全帽、云管家、智能監(jiān)控等設備的植入及“互聯(lián)”，形成“物聯(lián)網”，再與BIM平臺整合，在虛擬世界中植入智能感應物，打造BIM＋智慧工地。

(1)人臉識別閘機＋車輛管理系統(tǒng)。

在工地出入口安裝了人臉識別＋體溫檢測一體閘機，實現(xiàn)勞務人員實名制管理。

同樣在出入口安裝車輛管理系統(tǒng)，實現(xiàn)車輛自動識別、車輛拍照留存、車輛進出記錄。

(2)智能安全帽。

進入施工現(xiàn)場人員全部佩帶智能安全帽，可以實現(xiàn)功能包括:GPS定位、碰撞報警檢測、跌落報警檢測、脫帽檢測、電子圍欄、軌跡回放，實現(xiàn)安全報警智能化(見圖5)。

圖5 智能安全帽定位及軌跡回放

(3)在主要設備上安裝云管家，可實現(xiàn)機械設備定位、狀態(tài)實時分析、臺班自動統(tǒng)計、工作軌跡回放、電子圍欄考勤、工作效率分析等功能。

(4)智能視頻監(jiān)控。

現(xiàn)場每一個施工部位都布置了智能視頻監(jiān)控，并將鋼結構預制廠的監(jiān)控視頻接入BIM系統(tǒng)中，做到現(xiàn)場視頻監(jiān)控無死角。可實現(xiàn)安全帽檢測、反光衣檢測、人員越界、人員聚集等報警功能。

6 結束語

本次BIM技術在澳氹四橋項目的應用，在參數化建模、數字模擬建造以及BIM＋輔助項目管理方面做出了有益探索，并取得好的成效。通過對互通立交架梁模擬施工，優(yōu)化了施工計劃，減少了鉆孔鋼平臺數量；模擬2 200 t浮吊主橋鋼箱梁架設，實現(xiàn)浮吊一次性吊裝到位；現(xiàn)場管理實現(xiàn)了可視化、智能化、移動辦公化；智能安全帽、云管家和智能監(jiān)控設備對現(xiàn)場人員不當行為和設備不當操作進行自動報警，減少了安全事故的發(fā)生。通過本次BIM技術應用，在助力跨海大橋及澳門建筑業(yè)數字化建設方面發(fā)揮了積極作用。