基于BIM的高鐵連續(xù)梁橋施工過(guò)程可視化管理技術(shù)研究

王飛球，何祥平，郜 輝，趙亞寧，謝以順，茅建校，王 浩

(1. 中鐵二十四局集團(tuán)有限公司,上海 200433；2. 東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 211189)

0 引 言

21世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)高速鐵路產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，并取得了舉世矚目的成就，高速里程世界第一[1]。高速鐵路中常采用“以橋代路”的方式修建，如京滬高鐵全線中橋梁長(zhǎng)度約占總里程的80%，其中連續(xù)梁橋整體性好，抗震性能優(yōu)異，是高速鐵路跨越河流、既有線路的主要結(jié)構(gòu)形式[2]。然而，高鐵連續(xù)梁橋量大面廣、施工要求高、工期緊張，傳統(tǒng)施工管理模式多依賴于管理者的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際施工易出現(xiàn)工期拖延、合龍精度低、成橋線形誤差大等問(wèn)題，迫切需要利用信息化手段改善上述問(wèn)題[3-7]。

建筑信息模型(Building Information Model,BIM)可實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程的可視化和項(xiàng)目文件的高效管理，是提升橋梁施工管理信息化水平的重要手段之一[8-10]。不少研究者已將BIM技術(shù)應(yīng)用于橋梁施工管理中。Jung等[11]以Cheongpoong斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，基于BIM技術(shù)完成了該橋梁施工過(guò)程的可視化設(shè)計(jì)、進(jìn)度成本分析、碰撞檢查、施工工序模擬等，驗(yàn)證了BIM技術(shù)在橋梁施工過(guò)程應(yīng)用的可行性；Golparvar-Fard等[12]結(jié)合攝像技術(shù)與BIM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了3D施工模擬；Salama等[13]基于IFC標(biāo)準(zhǔn)，提出了施工進(jìn)度計(jì)劃理念，開(kāi)展了4D(3D+時(shí)間)施工可視化模擬；張建平等[14-15]在建筑施工管理領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了施工管理的4D動(dòng)態(tài)可視化，并結(jié)合IFC標(biāo)準(zhǔn)與4D信息模型，研發(fā)了新型4D項(xiàng)目管理系統(tǒng)。BIM技術(shù)在高鐵連續(xù)梁橋中的研究和應(yīng)用仍鮮見(jiàn)報(bào)道。綜合現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，基于BIM開(kāi)展的研究和應(yīng)用目前主要側(cè)重于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工管理等單一目標(biāo)，尚未在工程中實(shí)現(xiàn)橋梁設(shè)計(jì)、施工與管理的系統(tǒng)化應(yīng)用。

為此，本文以新沂特大橋?yàn)楣こ瘫尘?，開(kāi)展了橋梁參數(shù)化建模、碰撞檢查及進(jìn)度管理的BIM技術(shù)應(yīng)用研究。采用參數(shù)化策略建立了各類構(gòu)件族庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了橋梁場(chǎng)地模型、結(jié)構(gòu)模型、鋼筋模型和施工設(shè)施模型的快速搭建。建立了4D施工進(jìn)度管理模型，實(shí)現(xiàn)了材料、設(shè)備、場(chǎng)地的動(dòng)態(tài)管理和施工進(jìn)度的可視化監(jiān)控，研究成果可為高鐵連續(xù)梁橋施工提供有效參考。

1 工程背景及BIM技術(shù)平臺(tái)

跨新沂河連續(xù)梁橋(48 m+80 m+48 m)為單箱單室混凝土箱梁橋，箱梁為直腹板、變截面、變高度的結(jié)構(gòu)形式，采用特制三角掛籃懸臂對(duì)稱施工，施工過(guò)程中連續(xù)梁塊段的劃分布置如圖1所示。連續(xù)梁共分47段，包括2個(gè)0號(hào)塊、40個(gè)懸澆段(1～10號(hào)段)、2個(gè)邊跨現(xiàn)澆段、2個(gè)邊跨合龍段。中支點(diǎn)0號(hào)塊長(zhǎng)度為12 m，懸澆段縱向分段長(zhǎng)度為2×2.7 m+1×3.1 m+7×3.5 m，合龍段長(zhǎng)度為2 m，邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)度為7 m。

圖1 連續(xù)梁塊段劃分布置(單位:m)Fig.1 Division Layout of Continuous Girder Blocks (Unit:m)

Autodesk公司的REVIT軟件具有強(qiáng)大建模功能，建模自由度高，可創(chuàng)建精細(xì)的三維立體可視化結(jié)構(gòu)模型，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)視圖關(guān)聯(lián)更新，保持模型各圖紙的一致性。Autodesk公司的NAVISWORKS軟件在可視化施工模擬、整體結(jié)構(gòu)分析以及信息交互方面具有很強(qiáng)的實(shí)用性，具有平滑地實(shí)施漫游、兼容多種模型格式、操作界面友好等特點(diǎn)[16]。NAVISWORKS與施工進(jìn)度計(jì)劃編制軟件PROJECT具有交互性，可實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度計(jì)劃數(shù)據(jù)的共享、4D施工進(jìn)度的模擬與管理。因此，選用REVIT和NAVISWORKS開(kāi)展研究。

2 高鐵連續(xù)梁橋BIM建模

2.1 REVIT參數(shù)化族庫(kù)

依據(jù)施工圖紙、施工專項(xiàng)方案等資料，采用參數(shù)化建模策略，做忽略齒塊、附屬設(shè)施等簡(jiǎn)化處理，創(chuàng)建了多元化的橋梁族庫(kù)，如圖2所示。

圖2 橋梁結(jié)構(gòu)族庫(kù)與常用施工臨時(shí)構(gòu)件族庫(kù)Fig.2 Libraries of Bridge Structure and Common Construction Temporary Components

2.2 核心模型

(1)場(chǎng)地模型。基于現(xiàn)場(chǎng)考察情況及勘察報(bào)告等資料，建立了新沂河、兩岸、橋墩等模型，綜合組成場(chǎng)地模型，如圖3所示。該模型可作為后期進(jìn)行施工場(chǎng)地部署模擬和交通組織規(guī)劃的基礎(chǔ)。

圖3 場(chǎng)地模型Fig.3 Site Model

(2)結(jié)構(gòu)模型?；跇蛄航Y(jié)構(gòu)族庫(kù)，建立了橋梁結(jié)構(gòu)模型，如圖4(a)所示。在參數(shù)化建模過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了如下簡(jiǎn)化處理：創(chuàng)建箱梁節(jié)段模型時(shí)，梁高和腹板寬視為線性變化，建立了一個(gè)通用族，通過(guò)更改底板厚度、腹板厚度、截面高度、節(jié)段長(zhǎng)度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)箱梁節(jié)段的快速、精確建模，提高建模效率。將場(chǎng)地模型與橋梁結(jié)構(gòu)模型關(guān)聯(lián)，創(chuàng)建了高鐵連續(xù)梁橋整體模型，如圖4(b)所示。

圖4 連續(xù)梁橋整體模型Fig.4 Overall Model of Continuous Girder Bridge

(3)上部鋼筋模型。建立了該橋箱梁鋼筋模型，如圖5所示。鋼筋模型可用于統(tǒng)計(jì)用鋼量，并指導(dǎo)實(shí)際施工過(guò)程中的鋼筋下料，確保鋼筋型號(hào)與位置準(zhǔn)確?；阡摻钅Ｐ停€可通過(guò)碰撞檢查，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)圖紙的校對(duì)及設(shè)計(jì)漏洞的補(bǔ)正。此外，建模過(guò)程中，針對(duì)按空間曲線布設(shè)的預(yù)應(yīng)力筋建模時(shí)難度大、過(guò)程繁瑣問(wèn)題，提出了創(chuàng)建特定新族的方法，通過(guò)更改位置坐標(biāo)控制參數(shù)，可直接建模，無(wú)需反復(fù)使用剖面，較一般建模提高了建模效率。

圖5 連續(xù)梁橋上部結(jié)構(gòu)鋼筋模型Fig.5 Reinforcement Models of Continuous Girder Bridge Superstructure

(4)三角掛籃模型。變截面箱梁施工難度大，為保證施工安全及成橋線形，須嚴(yán)格控制掛籃各項(xiàng)性能滿足要求，并做好相應(yīng)的施工監(jiān)控工作。因此，除了常規(guī)的臨時(shí)構(gòu)件，還建立了三角掛籃BIM模型用于后期進(jìn)行施工模擬和施工過(guò)程碰撞分析，如圖6所示。

圖6 三角掛籃模型Fig.6 Model of Triangle Hanging Basket

3 高鐵連續(xù)梁橋施工方案分析

3.1 碰撞分析

3.1.1 鋼筋碰撞檢查

依賴傳統(tǒng)的二維圖紙進(jìn)行施工存在返工率較高、材料浪費(fèi)率高、施工效率低等問(wèn)題。為在實(shí)際施工中準(zhǔn)確地指導(dǎo)鋼筋下料，對(duì)建立的鋼筋模型進(jìn)行了碰撞檢查，以找出鋼筋及預(yù)應(yīng)力管道排布中的碰撞交叉點(diǎn)，圖7為N6a號(hào)箍筋與N10a號(hào)縱筋發(fā)生碰撞效果圖。

圖7 鋼筋碰撞分析結(jié)果Fig.7 Collision Analysis Results of Reinforcement

根據(jù)碰撞報(bào)告對(duì)BIM模型進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化鋼筋排布方案，進(jìn)而形成碰撞分析表，具體示例見(jiàn)表1，跟蹤排查實(shí)際施工中鋼筋的碰撞情況。

表1 鋼筋碰撞分析表Table 1 Collision Analysis Report of Reinforcement

3.1.2 施工過(guò)程碰撞分析

將橋梁結(jié)構(gòu)與施工設(shè)施的模型導(dǎo)入NAVIS-WORKS軟件中，進(jìn)行了施工方案模擬預(yù)演。對(duì)可能發(fā)生碰撞的潛在沖突對(duì)象進(jìn)行碰撞分析并生成分析報(bào)告，發(fā)現(xiàn)施工過(guò)程的潛在問(wèn)題，進(jìn)而調(diào)整施工方案，減少甚至消除項(xiàng)目返工所帶來(lái)的時(shí)間浪費(fèi)與材料損失。例如，支架與圍堰的碰撞分析結(jié)果如圖8所示，其中橢圓標(biāo)記為支架與圍堰發(fā)生碰撞的位置。

圖8 施工過(guò)程支架與圍堰碰撞分析結(jié)果Fig.8 Collision Analysis Results Between Support and Cofferdam During Construction Process

為解決工程項(xiàng)目中的碰撞沖突問(wèn)題，本文總結(jié)了如下方法：

(1)預(yù)測(cè)工程中可能發(fā)生碰撞的部位，確定各構(gòu)件的位置并建立三維模型。

(2)對(duì)各構(gòu)件可能產(chǎn)生碰撞的原因及造成的后果進(jìn)行預(yù)分析，制定檢驗(yàn)方法。

(3)將潛在的碰撞沖突對(duì)象分別添加至碰撞檢查集合中。

(4)涉及動(dòng)態(tài)對(duì)象如機(jī)械運(yùn)行、吊裝路徑時(shí)，在NAVISWORKS軟件中先創(chuàng)建施工動(dòng)畫，以實(shí)現(xiàn)在特定工序的碰撞檢測(cè)。

(5)通過(guò)運(yùn)行NAVISWORKS的“Clash Detective”功能，為碰撞檢查設(shè)置檢測(cè)規(guī)則和檢測(cè)類型。

(6)輸出碰撞檢測(cè)報(bào)告，分析碰撞原因，并聯(lián)系相關(guān)負(fù)責(zé)人確定解決方法。

3.2 場(chǎng)地布置模擬

為充分合理利用施工場(chǎng)地，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)布置方案進(jìn)行了模擬，如圖9(a)所示。通過(guò)三維立體化布設(shè)施工臨時(shí)設(shè)施，獲得了施工場(chǎng)地布置方案的合理功能分區(qū)，規(guī)劃了場(chǎng)地臨時(shí)道路，安排了車輛進(jìn)出場(chǎng)路線，如圖9(b)所示。利用BIM對(duì)工程施工現(xiàn)場(chǎng)布置方案進(jìn)行模擬，將現(xiàn)場(chǎng)情況可視化，提前合理劃分功能區(qū)，可提高材料、設(shè)備等在施工期間的運(yùn)轉(zhuǎn)效率及利用率。

圖9 施工場(chǎng)地布置模擬Fig.9 Simulation of Construction Site Layout

3.3 3D施工文檔

針對(duì)傳統(tǒng)二維圖紙施工交底過(guò)程中的不足，生成了該橋掛籃施工、吊架施工方案的3D施工文檔，用于可視化交底。以邊跨現(xiàn)澆段支架施工為例，生成的3D施工文檔如表2所示，文檔中以圖形形式可視化展示了具體步驟，并添加了相應(yīng)的施工說(shuō)明?；贐IM形成的3D施工文檔，便于施工人員了解施工過(guò)程，尤其是降低復(fù)雜工序的理解難度，提高施工效率，減少因理解錯(cuò)誤導(dǎo)致的返工時(shí)間。

表2 邊跨現(xiàn)澆段支架施工3D文檔Table 2 3D Documents for Bracket Construction of Side-span

3.4 施工監(jiān)測(cè)可視化展示

基于BIM信息集成特點(diǎn)，根據(jù)橋梁監(jiān)測(cè)的測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案，可以將梁體控制截面的測(cè)點(diǎn)應(yīng)變計(jì)與溫度計(jì)的位置進(jìn)行可視化展示，關(guān)聯(lián)模型上的測(cè)點(diǎn)與采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，不僅便于施工人員理解布設(shè)方案，而且相比傳統(tǒng)方式更利于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確記錄，在工程技術(shù)人員對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)調(diào)用時(shí)也更加方便。圖10給出了基于BIM的箱梁監(jiān)測(cè)布置模型，可視化展示了箱梁上的應(yīng)變片、溫度傳感器等測(cè)點(diǎn)的布設(shè)。表3進(jìn)一步對(duì)比了基于BIM技術(shù)的橋梁安全監(jiān)測(cè)與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式。

表3 基于BIM的橋梁施工安全監(jiān)測(cè)與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)對(duì)比Table 3 Comparison Between Construction Monitoring Based on BIM and Traditional Way

圖10 施工監(jiān)測(cè)布置可視化Fig.10 Visualization of Construction Monitoring Layout

4 高鐵連續(xù)梁橋4D施工進(jìn)度管理

傳統(tǒng)的施工進(jìn)度管理方法因缺乏一定的靈活性與協(xié)調(diào)性，易形成信息孤島。當(dāng)一方或多方出現(xiàn)進(jìn)度滯后時(shí)，若溝通決策不及時(shí)，將導(dǎo)致工程進(jìn)度延誤，使項(xiàng)目進(jìn)度、成本與質(zhì)量間難以平衡[17]。實(shí)際施工中，易出現(xiàn)為搶進(jìn)度而造成成本增加、質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、多次返工、進(jìn)度滯后的惡性循環(huán)，導(dǎo)致項(xiàng)目進(jìn)度不斷滯后、成本突增[18-20]。BIM模型具有多維性與信息交互性，能夠?qū)?shù)據(jù)動(dòng)態(tài)展示給各相關(guān)方，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工進(jìn)度的實(shí)時(shí)監(jiān)控和動(dòng)態(tài)化管理[21]。

4.1 4D施工進(jìn)度模擬

將BIM與施工進(jìn)度計(jì)劃相鏈接，在三維模型的基礎(chǔ)上增加時(shí)間維度，對(duì)連續(xù)梁橋進(jìn)行了4D施工進(jìn)度模擬，其主要流程如表4所示。

由表4和圖11可知，基于BIM技術(shù)的4D施工進(jìn)度建模過(guò)程雖步驟較多，但過(guò)程清晰簡(jiǎn)單又具有較強(qiáng)適用性，一定程度上體現(xiàn)了人性化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。

圖11 4D施工進(jìn)度建模Fig.11 4D Construction Schedule Modeling

表4 4D施工進(jìn)度模擬流程Table 4 4D Simulation Process of Construction Schedule

4.2 4D施工進(jìn)度管理

通過(guò)創(chuàng)建不同視點(diǎn)，以動(dòng)畫手段直觀展示全橋施工流程及關(guān)鍵工序，可使相關(guān)工程人員看到不同時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)情況。同時(shí)對(duì)比施工實(shí)際進(jìn)度與計(jì)劃進(jìn)度，有利于管理人員查看施工滯后或超前情況。圖12給出了該橋4D施工進(jìn)度管理部分界面。從圖12可以看出，將BIM和施工管理相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)3個(gè)方面的現(xiàn)場(chǎng)管控：①施工現(xiàn)場(chǎng)三維漫游，通過(guò)三維模型布設(shè)施工現(xiàn)場(chǎng)，解決傳統(tǒng)平面布設(shè)畫面雜亂、難以區(qū)分大量信息和線條的問(wèn)題，結(jié)合三維漫游技術(shù)，使施工現(xiàn)場(chǎng)層次分明，降低施工風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生幾率，如圖12(a)所示；②施工設(shè)備及物料安排，通過(guò)模擬現(xiàn)場(chǎng)物料運(yùn)輸與設(shè)備進(jìn)場(chǎng)，明確材料進(jìn)場(chǎng)情況、場(chǎng)地占用情況、車輛安排情況等，以便管理人員及時(shí)作出安排，實(shí)現(xiàn)資源合理供應(yīng)，如圖12(b)所示；③施工進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)BIM模型賦予時(shí)間信息(計(jì)劃進(jìn)度和實(shí)際進(jìn)度)，直觀展示任務(wù)進(jìn)度狀態(tài)，以便及時(shí)調(diào)整施工方案，實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度的有效控制，節(jié)省工期，如圖12(c)所示。

圖12 高鐵連續(xù)梁橋4D施工進(jìn)度管理Fig.12 Management of 4D Construction Progress of High-speed Railway Continuous Girder Bridge

5 結(jié)語(yǔ)

(1)基于BIM的高鐵連續(xù)梁橋參數(shù)化建模方法提高了模型的建模效率，降低了建模復(fù)雜程度。

(2)通過(guò)BIM進(jìn)行碰撞檢查分析，可修正設(shè)計(jì)錯(cuò)誤與漏洞，調(diào)整優(yōu)化獲得最優(yōu)施工方案，在高鐵橋梁實(shí)際施工時(shí)減少返工次數(shù)，降低材料浪費(fèi)，提高施工效率與工程質(zhì)量。

(3)利用BIM進(jìn)行4D施工進(jìn)度管理，可直觀展示施工進(jìn)度滯后或超前情況，相對(duì)傳統(tǒng)手段，可更為明確、直接地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

(4)本文主要采用REVIT軟件和NAVISWORKS軟件開(kāi)展了基于BIM的高鐵連續(xù)梁橋施工過(guò)程可視化管理技術(shù)研究，未來(lái)將致力于開(kāi)發(fā)更為完整的應(yīng)用平臺(tái)，為提升高鐵連續(xù)梁橋施工信息化程度提供可行的方法和途徑。