建筑信息模型技術(shù)在城市密集區(qū)橋梁施工中的應(yīng)用

錢佳鑫， 陳東， 鄧樹新

(1. 南京理工大學(xué)理學(xué)院， 南京 210094； 2. 江蘇中源工程管理股份有限公司， 南京 210094； 3. 南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院， 南京 210094)

建筑信息模型(building information modeling，BIM)技術(shù)是一項新興的貫穿于建筑工程全周期的數(shù)字化建模技術(shù)。它以通用的行業(yè)基準分類(industry foundation classes，IFC)數(shù)據(jù)格式為依托，借助建模軟件，如Revit、Bentley、Tekla等，將建設(shè)項目的各項相關(guān)數(shù)據(jù)信息集成于三維模型中，避免傳統(tǒng)管理模式中“信息孤島”等問題的產(chǎn)生，達到項目各參與方信息共享的目的[1-2]。

BIM技術(shù)的興起，推進了建筑信息化的進程，也推進了世界橋梁工程建設(shè)的發(fā)展。Goaszewska等[3]以某公路橋模型為工程實例，指出BIM技術(shù)的應(yīng)用能夠有效優(yōu)化設(shè)計和施工各個階段的成本估算過程，極大地簡化了預(yù)算人員的工作量；Kim 等[4]使用面向?qū)ο蟮娜S可視化技術(shù)開發(fā)高速公路數(shù)據(jù)模式和模型，實現(xiàn)了成本估算和工期調(diào)度的自動化；目前，預(yù)制混凝土橋面板的質(zhì)量檢查主要依靠人工檢驗，存在很大的不確定性，Wang等[5]針對該問題，開發(fā)出利用激光掃描數(shù)據(jù)自動創(chuàng)建預(yù)制混凝土面板的BIM模型新技術(shù)。張文勝等[6]以蒙華鐵路某大橋為背景，開發(fā)了鐵路橋梁施工管理系統(tǒng)；曲強龍[7]采用Dynamo橋梁參數(shù)化建模實現(xiàn)了預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋施工控制，提出了BIM與有限元模型轉(zhuǎn)換的方法；梁浩[8]采用Revit和Dynamo可視化編程方法建模，開發(fā)了可視化的箱梁吊裝施工工藝，提出并探討了利用Lumion制作漫游動畫；孫勤霞[9]結(jié)合三元橋整體置換工程，論述了BIM技術(shù)應(yīng)用在橋梁工程的優(yōu)勢和關(guān)鍵性技術(shù)研究實現(xiàn)方法，且進行了施工工序推演模擬和系統(tǒng)設(shè)計。

但是現(xiàn)階段中國BIM技術(shù)因其發(fā)展的局限性，多應(yīng)用于鐵路橋、公路橋，且研究大多集中在模型建立、成本估算、管理系統(tǒng)開發(fā)等領(lǐng)域，在城市橋梁施工領(lǐng)域的應(yīng)用案例較少，如何將BIM技術(shù)應(yīng)用于城市橋梁工程施工，成功解決城市復(fù)雜環(huán)境下的橋梁工程施工難題，成為當前城市橋梁工程建設(shè)工作的重點和難點[10]。現(xiàn)依托揚州市潤揚路快速路改造工程，應(yīng)用BIM技術(shù)，結(jié)合Navisworks平臺對施工過程可視化仿真，探討B(tài)IM技術(shù)在城市密集區(qū)橋梁施工中的應(yīng)用。

1 項目概況

潤揚路快速化改造工程(江陽路互通立交)位于揚州市邗江區(qū)，該互通為樞紐型全互通立交，包括主線高架橋1座，全長1 514.95 m，共15聯(lián)；互通匝道橋8座，全長5.04 km。項目主線與8個匝道共5層，包括242個橋墩，施工投入的人力、物力、財力和施工裝備數(shù)量巨大，為特大型城市橋梁工程。潤揚路快速化改造工程總體效果如圖1所示。

圖1 潤揚路快速化改造工程總體效果圖Fig.1 General effect of the rapid transformation project of Runyang Road

2 工程施工難點

在工程施工過程中，存在的困難如下。

(1)工期緊，任務(wù)重，工程體量大。潤揚路快速化改造工程包含主線橋一座，互通匝道橋8座，以及地面道路工程及其他附屬工程，工程內(nèi)容多、體量大；互通立交結(jié)構(gòu)層次多，施工斷面重疊交織，必須在各斷面互不干擾的前提下依次組織施工，工期緊張。

(2)施工作業(yè)面狹小，現(xiàn)場施工組織難。工程位于城市密集區(qū)，施工區(qū)域周圍高樓林立，交通情況復(fù)雜，施工作業(yè)面狹??；施工區(qū)域跨度大，區(qū)域內(nèi)障礙多，全面展開施工管理困難；施工內(nèi)容多，涉及鋼箱梁吊裝、混凝土箱梁澆筑、交通運輸、大型器械進出場等多專業(yè)交叉作業(yè)，組織協(xié)調(diào)難度大。

(3)交叉道口多，鋼箱梁安裝難度大。工程鋼箱梁共計9聯(lián)，其中主線1聯(lián)，匝道8聯(lián)，且集中于潤揚路與江陽路交叉口部位，相互層疊盤繞，施工空間跨度大，交通組織難；主線鋼箱梁下穿于既有江陽路高架，受制于橋下凈空，施工難度較大；匝道鋼箱梁上跨既有江陽路高架，最大支架搭設(shè)高度30 m，搭設(shè)難度大且施工安全風(fēng)險高。

針對上述施工中存在的難點，項目部決定在施工開始前利用BIM技術(shù)可視化、協(xié)調(diào)性[11]的優(yōu)點輔助現(xiàn)場施工。在眾多BIM軟件中，本項目選用國內(nèi)外BIM體系中使用最廣泛的Revit軟件創(chuàng)建三維模型[12]，并使用Autodesk Navisworks平臺，對施工流程進行可視化模擬，預(yù)先發(fā)現(xiàn)交叉施工碰撞、大型器械進出場沖突、吊裝過程風(fēng)險隱患等[13]施工中可能出現(xiàn)的問題，優(yōu)化施工方案。

3 BIM施工應(yīng)用

3.1 三維模型構(gòu)建

在BIM技術(shù)應(yīng)用過程中，所建立的三維模型是所有建筑信息的載體，包含項目建設(shè)過程中所包含的所有信息。傳統(tǒng)的工程項目是以二維圖紙和書面記錄的形式存儲工程信息的，而BIM技術(shù)是通過建立三維模型，將原本二維圖紙和施工日報等文字材料攜帶的工程信息集成到模型中，對原本龐大的工程數(shù)據(jù)集中分類和管理，便于項目各參與方查閱、調(diào)用、更新，解決了傳統(tǒng)建筑工程中多方協(xié)調(diào)困難的難題。

根據(jù)設(shè)計單位提供的圖紙，使用Revit軟準確建立參數(shù)化模型，所建立模型包含全線混凝土梁結(jié)構(gòu)、橋面及其附屬結(jié)構(gòu)模型、鋼箱梁模型及部分橋墩鋼筋模型，幾乎涵蓋潤揚路立交橋所有基本信息，包含所有構(gòu)件幾何、材料、價格、物理、技術(shù)標準及各構(gòu)件的位置關(guān)系等，反映了工程的實際狀態(tài)，如圖2所示。其中，模型中非常規(guī)構(gòu)件如花瓶形墩柱的構(gòu)建，需以族的形式建立，選擇族樣板、參照平面，然后根據(jù)其基本參數(shù)完成構(gòu)件族的創(chuàng)建，將構(gòu)件族導(dǎo)入項目完成整體三維模型的創(chuàng)建。

建模過程中，有三點問題需要注意。

(1)模型的建立工作量大、耗時長，建模人員應(yīng)注意運用融合、放樣、鏡像、陣列等命令，熟練掌握快捷鍵操作，提高工作效率，加快建模進度。

(2)族文件的參數(shù)化。參數(shù)化設(shè)置是BIM建模的一大特點與優(yōu)勢，需要模型更改時只需改變族文件參數(shù)，對應(yīng)關(guān)聯(lián)文件也會發(fā)生變化從而更新模型，便于在完成根據(jù)圖紙建立的初步模型后，進行數(shù)據(jù)核對并完善BIM模型。

圖2 參數(shù)化模型Fig.2 Parametric model

(3)BIM貫穿于項目的全生命周期。參數(shù)化模型的優(yōu)劣會對BIM后續(xù)應(yīng)用產(chǎn)生巨大影響，因此應(yīng)建立規(guī)范流程，以保證所建立模型的準確性。

3.2 環(huán)境模型搭建

潤揚路快速化改造工程施工場地周圍有多個高層建筑，施工難度大，利用BIM技術(shù)建立周邊地形環(huán)境模型，將周邊地形數(shù)據(jù)與高架橋BIM模型相結(jié)合，依托整合模型形象模擬展示各個階段的施工過程，使得模擬優(yōu)化后的施工方案更加真實、合理、高效[14]。項目采用無人機傾斜攝影測量，將無人機采集的信息通過軟件處理后建立三維實景模型。傾斜攝影建模具有真實度高、速度快的優(yōu)點，目前已成為城市地形三維建模的主要方法[15]。無人機進行圖像采集時，配合全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)、慣導(dǎo)系統(tǒng)獲取影像的位置信息和姿態(tài)信息，設(shè)置航高120 m，航高相對誤差不超過5%，受無人機續(xù)航能力限制分區(qū)拍攝，歷時5 d得到影像文件共120 G。三維實景建模軟件選用ContextCapture，首先對無人機采集影像進行預(yù)處理，確認沒有變形、扭曲的圖片，將影像導(dǎo)入ContextCapture中，在ContextCapture中完成空三加密測量、影像匹配、紋理映射，最終建立的環(huán)境三維模型覆蓋面積為4.18 km2，精度為5～10 mm，將BIM參數(shù)化模型與環(huán)境模型合并后，得到整合模型如圖3所示。

圖3 整合模型Fig.3 Integration Model

3.3 施工可視化仿真

在目前的大型工程項目施工過程中，因工程體量大、工程施工工序多且復(fù)雜，普遍存在交叉作業(yè)的情況。每道工序由于施工人員、性質(zhì)、工藝、所需材料、裝備的不同各有差異，具有時空不確定性，加上橋梁異構(gòu)性強、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、城市環(huán)境多變、經(jīng)驗不足等因素，給施工組織設(shè)計和進度控制造成了極大的困擾，導(dǎo)致了進度滯后、施工部署沖突、造價增高等后果。如塔吊施工半徑碰撞、泵送車與吊車進場沖突、起重器械和堆放材料沖突引起二次搬運。上述問題在工程項目建設(shè)中及其常見，目前傳統(tǒng)的解決方案只是基于施工次序、時間進行施工組織設(shè)計，無法有效考慮設(shè)備進出場、材料運輸、吊車施工范圍等動態(tài)因素[16]。而BIM技術(shù)可視化、可模擬的優(yōu)點可解決上述問題。

項目采用Autodesk Navisworks進行施工動態(tài)模擬。根據(jù)原定的施工方案，在軟件中設(shè)置合理的次序和進度計劃，充分考慮空間、時間等因素，制定準確的四維施工進度表。并且使用Time Liner工具進行施工進度模擬，完成任務(wù)、甘特圖和三維模型三者對接。同時測試和比較不同的施工方案并對已有施工方案進行優(yōu)化，最終導(dǎo)出模擬過程動畫如圖4所示。通過Navisworks軟件模擬精確、直觀地反映出整個項目材料運輸、吊裝施工、橋面鋪設(shè)等重點環(huán)節(jié)的全過程，實現(xiàn)施工過程的精細化管理，提高工程質(zhì)量，有效縮短工期。

圖4 施工仿真模擬Fig.4 Construction simulation

4 基于BIM的仿真對施工的指導(dǎo)

4.1 控制施工進度計劃

針對上述工期緊、任務(wù)重、工程體量大的問題，在認真研究總體施工進度計劃后，施工前將原先的施工進度計劃與三維模型關(guān)聯(lián)起來，進行四維的動態(tài)施工可視化模擬。模擬時采用不同的時間間隔以及施工順序進行模擬，找出關(guān)鍵工作和關(guān)鍵線路，并對其進行優(yōu)化，發(fā)生沖突時，通過調(diào)整非關(guān)鍵工作和線路，優(yōu)化施工進度計劃方案，保證施工進度計劃的合理性；通過精細的劃分，在模擬界面可以清晰看出當日完成任務(wù)量及剩余任務(wù)量；在施工中，根據(jù)現(xiàn)場施工進度，與計劃進度進行比較，調(diào)整投入的人員數(shù)量、設(shè)備數(shù)量、材料進場時間等，數(shù)據(jù)庫會對模型與施工進度進行自動校正，同步調(diào)整，最終實現(xiàn)橫道圖、三維模型與具體工作之間的有效對接[17]。最終確定的江陽路立交總體施工計劃如圖5所示。

4.2 現(xiàn)場施工組織

潤揚立交改造工程位于城市密集區(qū)，施工區(qū)域地形復(fù)雜，施工作業(yè)面小，施工內(nèi)容多，組織協(xié)調(diào)難度大，因此施工場地的合理布置是保證現(xiàn)場施工有序進行的重要內(nèi)容。借助施工可視化仿真，直觀清晰地反映出施工現(xiàn)場場地的布置。對于不同的施工區(qū)域和內(nèi)容，選用不同的起吊設(shè)備；科學(xué)合理地規(guī)劃施工道路和運輸路線，在保證場內(nèi)交通運輸暢通和滿足施工對材料要求的前提下，最大限度地減少場內(nèi)運輸，特別是減少場內(nèi)二次搬運；在互不干擾的前提下，盡量提高現(xiàn)場大型機械設(shè)備的覆蓋率，節(jié)約施工用地，減少建筑成本。如圖6拼裝場地與駕駛路線行駛圖所示，現(xiàn)場共設(shè)置3片拼裝場地，每塊場地尺寸為20 m×45 m，用于跨高架鋼箱梁的整體拼裝。該3片拼裝場地需滿足500 t履帶吊行駛要求。同時由于其余鋼箱梁塊體使用履帶吊進行吊裝，需在現(xiàn)場布置吊機行駛路線，滿足汽車吊的吊裝要求。

圖5 江陽路立交總體施工計劃Fig.5 General construction plan of Jiangyang Road interchange

圖6 場地拼裝及駕駛路線行駛圖Fig.6 Site assembly and driving route driving diagram

4.3 鋼箱梁安裝

潤揚立交快速路改造工程鋼箱梁共計9聯(lián)，其中主線1聯(lián)，匝道8聯(lián)，位置分布如圖7所示。

主線鋼箱梁Z6聯(lián)下穿于既有江陽路高架，受制于橋下凈空，施工難度較大；匝道鋼箱梁中E6聯(lián)與G5聯(lián)存在交叉、A8聯(lián)與G6聯(lián)存在交叉；C5、A8、E6、G5聯(lián)鋼箱梁安裝需跨越既有江陽路高架，最大支架搭設(shè)高度30 m，搭設(shè)難度大且施工安全風(fēng)險高?；贐IM的可視化施工模擬將施工現(xiàn)場布置情況與鋼箱梁架設(shè)方案相結(jié)合，在Navisworks軟件中模擬橋梁建設(shè)過程，通過模擬視頻的形式，直觀、全面地幫助施工方發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場施工過程中可能存在的問題，從而優(yōu)化施工方案，保證現(xiàn)場施工安全、有序、合理地進行。如圖8所示，為A8聯(lián)與G6聯(lián)模擬施工過程，考慮到吊裝空間限制，現(xiàn)場采用先安裝G6聯(lián)鋼箱梁[圖8(a)]，后搭設(shè)跨G6聯(lián)鋼箱梁的A8聯(lián)鋼管支架，最后完成A8聯(lián)交叉段鋼箱梁[圖8(b)]。

圖7 鋼箱梁分布圖Fig.7 Distribution diagram of steel box girder

圖8 匝道模擬施工圖Fig.8 Simulation construction drawing of ramp

5 總結(jié)

以立交高架橋為對象，進行了BIM技術(shù)城市密集區(qū)橋梁施工中的應(yīng)用研究。建立BIM參數(shù)化模型，完成了施工可視化仿真。

(1)通過仿真結(jié)果直觀、清晰地了解施工全過程，找出關(guān)鍵工作和關(guān)鍵線路，優(yōu)化施工進度方案，減少施工階段可能存在的錯誤損失和返工整改的可能性，保證施工進度。

(2)對各種材料的計劃、調(diào)度、使用情況做精細化管理，減少損失和浪費。

(3)通過模擬鋼箱梁吊裝過程，科學(xué)合理地選用吊裝設(shè)備、鋼箱梁運輸路線、安排施工工序，解決了交叉道口多、施工空間跨度大、城市環(huán)境復(fù)雜等城市密集區(qū)橋梁施工中鋼箱梁安裝難題。

隨著對BIM技術(shù)認識的不斷深入，BIM技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴大，但在城市橋梁工程施工上的深度應(yīng)用仍處于初級階段，如何更好地發(fā)揮BIM技術(shù)在城市橋梁工程施工上的作用，仍需不斷摸索與實踐。