特大鋼管拱橋設(shè)計施工一體化BIM技術(shù)應(yīng)用分析

朱覺文　申威

摘要：文章介紹了沙尾左江特大橋運用BIM技術(shù)在工程設(shè)計階段、施工階段以及工程信息化等三方面的協(xié)同應(yīng)用，有效解決了BIM技術(shù)在鋼管混凝土拱橋中應(yīng)用的發(fā)展瓶頸問題。

關(guān)鍵詞：BIM;鋼管混凝土拱橋;設(shè)計施工一體化;信息化;協(xié)同應(yīng)用

中圖分類號：U448.22

0 引言

近些年來，我國鋼管混凝土拱橋建設(shè)得到大力發(fā)展，已建及在建的鋼管混凝土拱橋數(shù)量已達(dá)400余座。由于鋼管混凝土拱橋優(yōu)越的受力性能和施工的便利性，使這類橋型不斷向超大跨度發(fā)展，而利用以往傳統(tǒng)的設(shè)計、施工以及建設(shè)管理方法，已無法滿足日益趨新的設(shè)計理念和建設(shè)期望。本文以沙尾左江特大橋為依托項目，系統(tǒng)地研究了BIM技術(shù)在拱橋設(shè)計和施工中的應(yīng)用，總結(jié)了一套可有效解決大跨度復(fù)雜鋼管混凝土拱橋工程技術(shù)及管理瓶頸的技術(shù)方法，為同類工程BIM應(yīng)用提供參考。

1 項目概況

沙尾左江特大橋系南寧南過境線（吳圩機(jī)場至隆安段）高速公路上跨越左江的一座特大型橋梁。主橋為主跨360 m中承式鋼管混凝土提籃拱橋，建成時是世界上最大跨徑的公路鋼管混凝土提籃拱橋，其中橋梁計算矢高為75 m，矢跨比為1/4.533;拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)m=1.55。拱肋為鋼管混凝土桁架式結(jié)構(gòu)，提籃傾角為10°。

2 項目重難點與解決措施

對于大跨度鋼管混凝土提籃拱橋，設(shè)計精細(xì)度直接影響著工程建設(shè)難易度。沙尾左江特大橋作為項目控制性工程，質(zhì)量要求高，項目難度大，在以往鋼管混凝土拱橋設(shè)計、施工以及管理模式下仍然存在著幾個技術(shù)瓶頸，如下頁表1所示。

3 BIM應(yīng)用技術(shù)路線

針對上述現(xiàn)階段鋼管混凝土拱橋BIM應(yīng)用存在的技術(shù)瓶頸，為保證項目BIM技術(shù)應(yīng)用研究順利開展，由業(yè)主方牽頭建立項目BIM應(yīng)用協(xié)作機(jī)制。主要從設(shè)計階段入手，將設(shè)

計BIM成果無縫傳遞至施工階段，開展施工BIM應(yīng)用及項目信息化管理，如圖1所示。

4 工程BIM設(shè)計應(yīng)用實踐

4.1 基于無人機(jī)航測的三維實景建模

在工程設(shè)計初期，利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對項目周邊開展三維實景建模工作，創(chuàng)建了現(xiàn)場詳盡的三維實景模型，真實還原項目周邊環(huán)境。此舉旨在通過“實景模型”與橋梁BIM模型的結(jié)合，使項目設(shè)計和管理人員及時了解現(xiàn)場情況、解決現(xiàn)場問題。

4.2 三維地質(zhì)建模與分析

通過物探數(shù)據(jù)、鉆探資料、地形資料，建立橋位三維巖土數(shù)字模型，包括地層結(jié)構(gòu)、溶洞等，并進(jìn)行地質(zhì)平剖面切割、土石方計算，為拱座基礎(chǔ)設(shè)計提供直觀的依據(jù)，同時也為主橋設(shè)計提供重要的基礎(chǔ)資料。

4.3 主橋三維設(shè)計、碰撞檢查

通過建立精細(xì)化的橋梁BIM模型，如圖2所示，在三維空間中將全橋的外形、尺寸和空間坐標(biāo)精準(zhǔn)確定，并在建模過程中開展各專業(yè)、各分項協(xié)同設(shè)計，及時消除坐標(biāo)、標(biāo)高錯誤，確保構(gòu)件尺寸準(zhǔn)確無誤，減少后期返工和變更，提高設(shè)計質(zhì)量，助力復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)提籃拱實現(xiàn)高精度合龍。[KH-*2D]

對于相同類型的節(jié)點構(gòu)造，比如拱肋扣鎖扣點，其隨著所在位置弦管傾斜角度變化而變化，因此，利用參數(shù)化設(shè)計手段，建立構(gòu)件模板，通過修改角度參數(shù)，實現(xiàn)扣點的快速實例化。

4.4 計算分析應(yīng)用

基于BIM模型，可以實現(xiàn)與計算軟件之間的數(shù)據(jù)共享，在有限元分析軟件中導(dǎo)入模型數(shù)據(jù)并進(jìn)行選取和處理，隨后開展數(shù)值模擬，為結(jié)構(gòu)計算提供有力的數(shù)據(jù)支持。

本項目還分別針對吊索上錨頭錨固區(qū)應(yīng)力、格子梁局部、臨時鉸局部、拱肋扣點局部開展了有限元分析，將BIM模型導(dǎo)入有限元軟件，加載受力，運行得到相應(yīng)的計算結(jié)果，以確保設(shè)計成果的安全可靠。

4.5 圖紙輸出及工程量統(tǒng)計

針對大橋局部構(gòu)造二維圖紙無法表達(dá)設(shè)計意圖以及相應(yīng)工程量難以統(tǒng)計的難點，可借助BIM軟件出圖功能自動繪制三維實體大樣圖紙及相應(yīng)尺寸標(biāo)注，并可同步出具構(gòu)造工程量統(tǒng)計明細(xì)表。較傳統(tǒng)設(shè)計方法，利用BIM技術(shù)進(jìn)行模型圖紙輸出及工程量統(tǒng)計，具有三維模型發(fā)生變化時，相應(yīng)圖紙及工程量亦可隨之同步更新的顯著優(yōu)勢。

5 工程BIM施工應(yīng)用實踐

5.1 BIM可視化交底

5.1.1 BIM施工工藝模擬

利用BIM可視化的特點，結(jié)合實體地形，通過仿真軟件進(jìn)行仿真模擬，如圖3所示，便于施工方案討論和組織，輔助施工方進(jìn)行決策。尤其針對提籃拱橋工程施工工藝先進(jìn)、施工技術(shù)含量高的特點，開展基于BIM技術(shù)的可視化交底工作，將直接有效地提高施工人員施工技術(shù)。

5.1.2 BIM+AR可視化交底

為解決工人看圖難的問題，利用復(fù)雜異型構(gòu)件如主橋主墩、拱肋節(jié)段、法蘭盤等相對應(yīng)的三維設(shè)計BIM模型，運用AR技術(shù)在對施工人員開展交底工作時，讓施工人員通過手機(jī)掃描施工圖紙即可查看施工部位的三維模型，降低溝通成本，起到清晰高效交底的作用。

5.1.3 BIM+VR虛擬現(xiàn)實

對項目重大危險源及重點難點的分部分項工程，采用VR技術(shù)對施工人員進(jìn)行安全技術(shù)交底和規(guī)范操作教育，也可利用VR虛擬體驗竣工場景，引入VR技術(shù)，營造施工環(huán)境沉浸式體驗效果，提升安全意識，加強(qiáng)了施工現(xiàn)場的可交互性，有助于設(shè)計優(yōu)化、施工圖深化及方案比選，提高決策效率。

5.2 BIM進(jìn)度管理方案

5.2.1 BIM+720°云場景

利用720°全景技術(shù)來展示項目實地情況及預(yù)期要達(dá)到的建造效果，搭建好的720°場景可通過手機(jī)掃描二維碼隨時觀看。720°場景主要分為實景和渲染場景，既能讓項目對未達(dá)到預(yù)期效果的地方進(jìn)行及時調(diào)整，又可實時比對項目每期建設(shè)情況，方便考察進(jìn)度。

5.2.2 BIM+無人機(jī)應(yīng)用進(jìn)度航拍視頻

利用無人機(jī)技術(shù)按時按月對項目全線開展航拍工作，結(jié)合三維模型制作航拍進(jìn)度視頻，項目管理人員可統(tǒng)計拆遷進(jìn)度、路基清表、橋梁墩柱施工、預(yù)制梁安裝進(jìn)度、邊坡開挖防護(hù)等情況，節(jié)省長距離高速公路施工管理的時間成本。

5.2.3 電子沙盤動態(tài)進(jìn)度管理

通過系統(tǒng)平臺將BIM模型與施工進(jìn)度相關(guān)聯(lián)，并與GIS信息集成，形成對工程進(jìn)度、人、機(jī)、料等的集成管理。在電子沙盤上可實現(xiàn)不同項目的進(jìn)度追蹤，將施工過程中現(xiàn)場填報的實際工程進(jìn)度按照不同顏色顯示對應(yīng)的分項BIM模型，并與施工計劃關(guān)聯(lián)來判定進(jìn)度是否正常、提前或者滯后，存在滯后情況即由系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警，從而實現(xiàn)三維可視化把控施工進(jìn)度。

5.3 BIM質(zhì)量管控方案

5.3.1 BIM+無人機(jī)應(yīng)用（土石方測量）

利用無人機(jī)對施工場地原始地貌拍攝帶有空間位置信息的照片，將照片導(dǎo)入Photoscan軟件中處理為三維點云數(shù)據(jù)，并將點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Midas Civil 3D軟件中生成曲面，將施工作業(yè)前后的地形曲面進(jìn)行體積計算，得出相應(yīng)的土石方量，如圖4所示。

大橋拱肋構(gòu)造設(shè)計為豎向內(nèi)傾10°的提籃拱，精度要求極高。為滿足施工精度要求，結(jié)合BIM+點云技術(shù)開展虛擬拼裝的應(yīng)用，輔助預(yù)拼裝。利用三維激光掃描儀掃描拱肋節(jié)段得到點云模型，將點云模型與BIM模型通過基準(zhǔn)點在計算機(jī)中進(jìn)行虛擬比較，比對分析得到構(gòu)件加工模型與設(shè)計模型的偏差，以輔助精準(zhǔn)校核，確保拼裝滿足精度要求。

5.3.3 預(yù)制件加工動態(tài)管理系統(tǒng)

本項目通過預(yù)制件加工動態(tài)管理系統(tǒng)，結(jié)合BIM和物聯(lián)網(wǎng)信息采集傳遞技術(shù)，實現(xiàn)對大橋鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工、運輸、安裝等全過程跟蹤，實現(xiàn)大橋鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件可視化管理。確保鋼結(jié)構(gòu)施工的進(jìn)度和質(zhì)量。

5.4 BIM助力項目信息化管理

5.4.1 BIM+WBS的公路工程管理信息系統(tǒng)

針對項目特點建立了公路工程管理信息系統(tǒng)進(jìn)行項目管理，該平臺高度集成工程信息，并與質(zhì)量、安全、進(jìn)度、成本、環(huán)境等項目管理要素有機(jī)結(jié)合，基于BIM模型結(jié)合工程結(jié)構(gòu)部位實現(xiàn)與施工業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的掛接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享及可視化應(yīng)用，將試驗、質(zhì)檢、進(jìn)度、計量等各項業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行了串聯(lián)互通，打破現(xiàn)有獨立業(yè)務(wù)“數(shù)據(jù)孤島”現(xiàn)象。

由于系統(tǒng)實現(xiàn)了精細(xì)化和“一數(shù)一源”的管理目標(biāo)，項目管理層在過程管控中的進(jìn)度數(shù)據(jù)直接來源于日常實時更新的數(shù)據(jù)，降低了數(shù)據(jù)經(jīng)過人工統(tǒng)計產(chǎn)生誤差的可能性，數(shù)據(jù)更為精準(zhǔn)。

5.4.2 BIM+GIS的數(shù)字化施工管理

在項目建設(shè)初期，搭建了基于BIM+GIS建立的橋梁建設(shè)工程管理平臺，通過“BIM+GIS”相結(jié)合，在電子沙盤上可直觀真實地了解和掌握工程項目設(shè)計意圖以及與周邊環(huán)境的匹配關(guān)系。同時，在平臺上結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、視頻壓縮技術(shù)，將BIM與鷹眼監(jiān)控系統(tǒng)相集成，在項目智慧展廳顯示屏上投放展示，便于建設(shè)方以及各參建單位對項目整個建設(shè)過程進(jìn)行全方位實時管控，突破距離限制，大大提高效率。

6 結(jié)語

南寧南過境線（吳圩機(jī)場至隆安段）高速公路為廣西壯族自治區(qū)發(fā)布的重點推進(jìn)項目，作為該項目控制性工程，沙尾左江特大橋積極運用BIM技術(shù)，基本實現(xiàn)了從勘測設(shè)計到施工的全過程應(yīng)用，基于BIM技術(shù)對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化的三維設(shè)計和準(zhǔn)確的工程量計算，并在施工過程中結(jié)合無人機(jī)、點云等新技術(shù)精準(zhǔn)把控項目質(zhì)量、安全，積累了豐富的應(yīng)用成果和數(shù)據(jù)。同時，深度開發(fā)了本土化的公路工程管理系統(tǒng)和預(yù)制件加工動態(tài)管理系統(tǒng)，為運營階段運維管理及更多項目的信息化應(yīng)用提供豐富的經(jīng)驗。

參考文獻(xiàn)

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基金項目：

2019年度交通運輸行業(yè)重點科技項目“公路工程三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計技術(shù)與施工管理平臺推廣”（編號：2019-TG-006）;2019年度廣西科技計劃項目“公路特大橋三維數(shù)字協(xié)同設(shè)計與施工管理融合的關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”（編號：桂科AB19245048）

作者簡介：

朱覺文（1982—），高級工程師，主要從事公路工程施工管理工作;

申 威（1995—），助理工程師，主要從事工程數(shù)字化工作。