BIM技術(shù)在雙塔自錨式懸索橋施工中的應(yīng)用

黃 浩

(中國(guó)中鐵四局集團(tuán)鋼結(jié)構(gòu)建筑有限公司，合肥 230088)

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

沈陽(yáng)市東塔跨渾河橋位于沈陽(yáng)市區(qū)東南部，渾河城市段上游，王家灣橋下游2 km，長(zhǎng)青橋上游3km，為沈陽(yáng)“一河兩岸”的地標(biāo)性建筑。工程北起沈水東路，南至渾南?？平郑L(zhǎng)1 460m，工程造價(jià)3.66億元。標(biāo)準(zhǔn)段寬43m，砼2.7萬(wàn)方，鋼1.8萬(wàn)t。主橋采用五跨雙塔自錨式懸索橋(如圖1所示)，主跨220m，全長(zhǎng)800m，是沈陽(yáng)地區(qū)橋梁?jiǎn)慰卓鐝阶畲蟮那沂俏ㄒ坏囊蛔p塔鋼結(jié)構(gòu)自錨式懸索橋，橋梁墩柱率先采用了預(yù)制裝配式施工工藝。

圖1 項(xiàng)目效果圖

2 BIM技術(shù)的應(yīng)用

本項(xiàng)目采用BIM技術(shù)的原因如下：

(1)東塔跨渾河橋跨河施工，桃花汛和洪水汛期對(duì)河道施工影響很大，可利用場(chǎng)地少，臨時(shí)設(shè)施、便道、加工場(chǎng)地布置、筑島及導(dǎo)流較為困難；

(2)本橋工期緊、任務(wù)重，主塔、主橋和引橋內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝精度要求高，施工難度大，傳統(tǒng)CAD深化設(shè)計(jì)制造加工，易出錯(cuò)；

(3)鋼梁、鋼塔和纜索施工難度大，安裝危險(xiǎn)性較高，對(duì)吊裝的順序及支架設(shè)計(jì)的合理性要求高。

根據(jù)本工程特點(diǎn)，項(xiàng)目組選用的軟件包括Revit、Tekla、MIDAS、Glodon、Navisworks、3ds Max、SmartNest等等。公司配備BIM工作專用服務(wù)器、移動(dòng)式工作站、無(wú)人機(jī)、二維碼掃碼終端、虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備及其他移動(dòng)終端。

項(xiàng)目BIM技術(shù)應(yīng)用情況說(shuō)明如下：

2.1 BIM技術(shù)應(yīng)用目標(biāo)

基于項(xiàng)目重難點(diǎn)，本工程BIM技術(shù)主要應(yīng)用于深化設(shè)計(jì)、制造加工、施工管理和竣工等階段，應(yīng)用目標(biāo)主要有：提高便道、加工場(chǎng)地布置、筑島及導(dǎo)流等方案的合理性與科學(xué)性； 提高鋼橋深化設(shè)計(jì)、排版套料、構(gòu)件加工存儲(chǔ)運(yùn)輸信息化管控的質(zhì)量和效率； 模擬優(yōu)化鋼梁、鋼塔和纜索的施工過(guò)程，確保施工順序合理，支架安全可控； 探索應(yīng)用新科技與BIM技術(shù)的融合，拓展BIM技術(shù)應(yīng)用范圍[1]。

2.2 BIM技術(shù)應(yīng)用方案

為了高效、合理、深入地發(fā)展BIM技術(shù)，在項(xiàng)目實(shí)施開(kāi)始前，編制了《沈陽(yáng)東塔跨渾河橋工程BIM實(shí)施方案》，對(duì)深化設(shè)計(jì)、工作方式、協(xié)同流程、施工管理、交付標(biāo)準(zhǔn)等都做了詳細(xì)規(guī)定[2]。

建立BIM管理制度，包含例會(huì)制度、階段性成果匯報(bào)、工作審查制度、培訓(xùn)制度和考核制度。

制定一系列BIM實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)，主要有信息模型創(chuàng)建實(shí)施細(xì)則、信息模型數(shù)據(jù)分類與編碼實(shí)施細(xì)則、信息模型交付實(shí)施細(xì)則和信息模型應(yīng)用實(shí)施細(xì)則。

2.3 BIM技術(shù)應(yīng)用流程

在BIM項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，為保證BIM工作有序無(wú)誤地進(jìn)行，制定合理的BIM技術(shù)應(yīng)用流程(如圖2所示)，通過(guò)統(tǒng)一的工作流程，保證BIM模型、深化設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工三者之間能夠合理、高效的銜接和實(shí)施。

2.4 BIM建模與優(yōu)化

使用BIM軟件建立土建、鋼結(jié)構(gòu)和場(chǎng)地模型，深化設(shè)計(jì)模型精細(xì)度達(dá)到LOD350(如圖3所示)。

圖3 模型整合后效果圖

(1)圖紙會(huì)審優(yōu)化建議

建模時(shí)對(duì)全橋進(jìn)行圖紙會(huì)審(如圖4所示)，解決重要圖紙問(wèn)題24處。針對(duì)橫梁與塔柱連接部位提出優(yōu)化建議，提高了現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件對(duì)接的準(zhǔn)確性，焊接更加方便，節(jié)約了工期2天。

圖4 圖紙審查

(2)吊裝分塊優(yōu)化建議

為尋求更快的工藝，建議將梁段長(zhǎng)度9m，改為12m，梁段減少10段(如圖5所示)。在滿足構(gòu)件運(yùn)輸?shù)那疤嵯拢瑴p少了鋼梁焊接工程量、提高了鋼梁的吊裝速度，為按期完工奠定了基礎(chǔ)。

圖5 吊裝分塊優(yōu)化

2.5 場(chǎng)地BIM技術(shù)應(yīng)用

針對(duì)采用BIM技術(shù)的原因一，利用BIM技術(shù)的可視化、優(yōu)化性等特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行施工總平面布置，提高便道、加工場(chǎng)地布置、筑島及導(dǎo)流等方案的合理性與科學(xué)性。

(1)施工總平面布置

傳統(tǒng)二維施工總平面、立面布置圖局限性大。由于本項(xiàng)目跨河施工、可利用場(chǎng)地小，項(xiàng)目人員在BIM軟件中分階段布置南北岸存梁場(chǎng)、提升站、棧橋便道、機(jī)械設(shè)備、項(xiàng)目部等，形象地展示了施工各階段現(xiàn)場(chǎng)道路運(yùn)輸及場(chǎng)地布置情況(如圖6所示)，提高了施工布置的準(zhǔn)確性和合理性。

圖6 施工總平面布置

(2)傾斜攝影實(shí)景建模

筑島施工完成后，利用GPS設(shè)置相控點(diǎn)，使用無(wú)人機(jī)傾斜拍照，建立筑島土方實(shí)景模型(如圖7所示)，由此輔助筑島范圍尺寸測(cè)量和土方工程量計(jì)算，比常規(guī)方格網(wǎng)法算量效率提高了80%以上[3]。

圖7 筑島實(shí)景建模

(3)北岸拼裝場(chǎng)地優(yōu)化

結(jié)合BIM可視化技術(shù)進(jìn)行北岸拼裝場(chǎng)地方案比選及優(yōu)化設(shè)計(jì)(如圖8所示)，從拼裝場(chǎng)垂直橋軸線布置、采用提升站提梁，更改為引橋上設(shè)置拼裝場(chǎng)，順橋軸線布置。

圖8 北岸拼裝場(chǎng)地優(yōu)化

2.6 鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)BIM技術(shù)應(yīng)用

針對(duì)采用BIM技術(shù)的原因二，利用BIM技術(shù)的優(yōu)化性、可出圖性等特點(diǎn)提高鋼橋深化設(shè)計(jì)、排版套料、構(gòu)件加工存儲(chǔ)運(yùn)輸信息化管控的質(zhì)量和效率。

(1)深化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)采用CAD放樣，耗時(shí)耗力，手工放樣易產(chǎn)生偏差。尤其是橋梁結(jié)構(gòu)新穎、造型獨(dú)特，鋼箱梁和鋼塔加工制造極具挑戰(zhàn)[4]。本橋采用Tekla軟件建立全橋模型，模型準(zhǔn)確無(wú)誤。

(2)三維出圖

基于BIM模型直接輸出鋼箱梁的零件圖、板單元圖、節(jié)段拼裝圖，模型與圖紙一一對(duì)應(yīng)(如圖9所示)。單根構(gòu)件出圖時(shí)間，傳統(tǒng)出圖為6天，BIM模型出圖為1.5天，節(jié)約人力成本10萬(wàn)元[5]。

圖9 三維出圖

(3)數(shù)字化加工制造

將全橋鋼結(jié)構(gòu)模型輸出NC文件，導(dǎo)入SmartNest軟件中排版套料[6]，生成G代碼用于數(shù)字化加工制造，較手動(dòng)排版效率提高280%，料損降低1.8%，節(jié)約成本20萬(wàn)元[7](如圖10所示)。

圖10 數(shù)字化加工制造

(4)構(gòu)件物料管理

公司以往在零配件管理上投入大量的人員進(jìn)行重復(fù)性勞動(dòng)，還經(jīng)常出現(xiàn)人為錯(cuò)誤。自主研發(fā)的二維碼管理系統(tǒng)融合了BIM、信息化、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等手段，實(shí)現(xiàn)鋼構(gòu)件從加工到安裝全過(guò)程跟蹤管控(如圖11所示)，準(zhǔn)確率提高70%，工作效率提高50%[8]。

圖11 物料管理系統(tǒng)應(yīng)用流程

2.7 施工過(guò)程BIM應(yīng)用

針對(duì)采用BIM技術(shù)的原因三，利用BIM技術(shù)的可視化、優(yōu)化性、模擬性、協(xié)調(diào)性等特點(diǎn)模擬優(yōu)化承重支架以及鋼梁、鋼塔和纜索的施工過(guò)程，確保施工順序合理，支架安全可控。

(1)承重支架設(shè)計(jì)優(yōu)化

利用MIDAS軟件建立箱梁臨時(shí)支架模型，過(guò)程中依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際多次優(yōu)化調(diào)整(如圖12所示)，確保支架設(shè)計(jì)科學(xué)、安全、合理。支架施工工期縮減30天，測(cè)算成本節(jié)約335萬(wàn)元。

圖12 承重支架設(shè)計(jì)及優(yōu)化

(2)吊裝方案比選優(yōu)化

吊裝方案編制過(guò)程中，通過(guò)BIM技術(shù)分別模擬從架橋機(jī)到履帶吊，再?gòu)牧荷系趿旱铰膸У醯孛嬷u吊裝的施工過(guò)程，輔助設(shè)備選型、主塔吊裝和纜索施工過(guò)程推演和方案優(yōu)化(如圖13所示)。通過(guò)優(yōu)化吊裝設(shè)備，取消地面拼裝工序，橫梁吊裝支撐支架改為斜拉，節(jié)約設(shè)備和措施成本近530萬(wàn)元，功效提高了4倍。

圖13 吊裝方案比選優(yōu)化

(3)進(jìn)度管理系統(tǒng)

在進(jìn)度管理系統(tǒng)中將東塔橋模型與進(jìn)度計(jì)劃相結(jié)合，按照流水施工要求進(jìn)行全橋施工模擬(如圖14所示)。及時(shí)地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，有助于針對(duì)性地調(diào)整施工計(jì)劃。在主梁吊裝過(guò)程中，產(chǎn)生了五個(gè)進(jìn)度滯后問(wèn)題。例如工廠加工滯后、吊裝隊(duì)伍人員不足、支架搭設(shè)滯后等，系統(tǒng)形象化展示計(jì)劃進(jìn)度和實(shí)際進(jìn)度的對(duì)比偏差，指導(dǎo)施工方采取溝通協(xié)調(diào)加工廠、變更施工方案、調(diào)整機(jī)械人員等措施，從而實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度可視化管理，達(dá)到優(yōu)化施工進(jìn)度，節(jié)約成本的目的[9]。

圖14 進(jìn)度管理系統(tǒng)

(4)成本管理系統(tǒng)

按統(tǒng)計(jì)需求，由BIM模型自動(dòng)導(dǎo)出構(gòu)配件工程量，較人工手動(dòng)計(jì)算和拆分工程量而言，效率有了極大地提升。形成EXCEL表格導(dǎo)入到成本管理系統(tǒng)中進(jìn)行變更、預(yù)算、勞務(wù)、物資和設(shè)備等管理(如圖15所示)，提高對(duì)項(xiàng)目成本的管理能力。

圖15 成本管理系統(tǒng)

(5)安全質(zhì)量隱患排查系統(tǒng)

通過(guò)安全質(zhì)量隱患排查系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)巡檢、數(shù)據(jù)上傳、問(wèn)題整改和檢查驗(yàn)收的管理閉環(huán)(如圖16所示)。施工過(guò)程中，累計(jì)發(fā)現(xiàn)安全質(zhì)量問(wèn)題200余處，整改效率相較于傳統(tǒng)方式提高80%，而且問(wèn)題可追溯。

圖16 安全質(zhì)量隱患排查流程

3 BIM技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用

3.1 BIM+VR

將模型與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，施工人員佩戴虛擬設(shè)備可以在三維虛擬世界中實(shí)時(shí)、無(wú)限制地觀察模型，真切地感受到橋梁建設(shè)過(guò)程中的場(chǎng)景[10](如圖17所示)。

圖17 虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用

3.2 BIM+AR

利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將BIM模型跟圖紙建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，施工人員只要掃描圖紙，就能看到它對(duì)應(yīng)的三維模型。相比于帶藍(lán)圖的傳統(tǒng)方式，在施工現(xiàn)場(chǎng)查看二維圖紙和對(duì)應(yīng)三維模型，既方便快捷又形象直觀(如圖18所示)。

圖18 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用

3.3 BIM+XR

由于建設(shè)、設(shè)計(jì)和監(jiān)理單位無(wú)相關(guān)BIM軟件，無(wú)法查看模型。項(xiàng)目組使用交互式渲染技術(shù)制作網(wǎng)頁(yè)格式文件，參建單位通過(guò)網(wǎng)頁(yè)中交互式查看三維模型(如圖19所示)，在溝通圖紙會(huì)審問(wèn)題和節(jié)點(diǎn)優(yōu)化時(shí)發(fā)揮了重要作用。

圖19 交互式全景應(yīng)用

3.4 BIM+交互式3D文檔

傳統(tǒng)技術(shù)交底使用大量文字和二維圖片，交底時(shí)枯燥乏味、交底不清，導(dǎo)致返工的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。使用交互式3D文檔制作技術(shù)交底(如圖20所示)，交底人員可通過(guò)點(diǎn)擊按鈕分步驟查看技術(shù)交底。每個(gè)步驟配上文字說(shuō)明、措施方法、安全事項(xiàng)、施工圖片等信息，方便項(xiàng)目部和施工人員理解圖紙，減少返工。

圖20 交互式3D文檔

3.5 BIM+3D掃描

運(yùn)用三維激光掃描儀采集構(gòu)件空間幾何信息，將BIM模型與采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)三維模型直觀顯示BIM 模型與掃描模型之間的偏差情況，導(dǎo)出數(shù)據(jù)報(bào)表，展示構(gòu)件的加工制造偏差值及偏差分布情況(如圖21所示)。例如掃描一個(gè)鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件為1人8小時(shí)，而傳統(tǒng)檢查需要2人5小時(shí)，并且檢查易露項(xiàng)、出錯(cuò)率高。三維掃描不僅加快質(zhì)量檢測(cè)速度，最重要的是提高了準(zhǔn)確性。

圖21 3D掃描質(zhì)量檢查流程

4 應(yīng)用效果及總結(jié)展望

本項(xiàng)目應(yīng)用BIM技術(shù)解決了遇到的可利用場(chǎng)地少、汛期影響大，鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)、加工精度高，施工難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高等難題，保質(zhì)保量完成施工任務(wù)，共節(jié)約施工成本1 300余萬(wàn)元，縮短工期約65天。BIM技術(shù)的應(yīng)用改變了項(xiàng)目管理方式，提升了管理水平，推動(dòng)了BIM技術(shù)進(jìn)一步落地。本項(xiàng)目創(chuàng)新研發(fā)了二維碼管理系統(tǒng)，對(duì)傾斜攝影、VR、AR、XR、3D文檔、3D掃描進(jìn)行了探索應(yīng)用，有效地提升了橋梁建設(shè)品質(zhì)。該成果獲得中國(guó)市政工程學(xué)會(huì)“第二屆市政杯BIM大賽”單項(xiàng)一等獎(jiǎng)、中國(guó)圖學(xué)學(xué)會(huì)“第八屆龍圖杯全國(guó)BIM大賽”施工組二等獎(jiǎng)等共7個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。

通過(guò)本項(xiàng)目的BIM應(yīng)用， 項(xiàng)目組認(rèn)識(shí)到BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)工廠里的應(yīng)用非常成熟且效果顯著。但是施工現(xiàn)場(chǎng)BIM應(yīng)用多以可視化、模擬性為主，BIM平臺(tái)應(yīng)用落地不足，以及信息化系統(tǒng)存在功能交叉、結(jié)合不緊密等問(wèn)題。針對(duì)這種情況，中鐵四局集團(tuán)正全力推進(jìn)信息化貫通工程建設(shè)，開(kāi)發(fā)中鐵四局云系統(tǒng)，以BIM模型為基礎(chǔ)，整合現(xiàn)有進(jìn)度、成本、安全、質(zhì)量等平臺(tái)，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)資源質(zhì)量，保證各類數(shù)據(jù)合理、有序流動(dòng)，推動(dòng)中鐵四局?jǐn)?shù)字化建設(shè)協(xié)調(diào)、有序發(fā)展。