基于質量控制的鐵路橋梁智能建造模擬

肖改琴 劉林芽 張燕 秦佳良

摘要：鐵路橋梁是鐵路建設中的重要環(huán)節(jié)，其施工質量對整體工程質量有重大影響。隨著智能技術的發(fā)展，將BIM、AI、VR和GIS等技術應用于鐵路橋梁施工，能夠提高施工水平和效率。通過建立參數(shù)化BIM模型，可以實現(xiàn)動態(tài)化模擬施工過程，深化BIM在質量方面的應用，實現(xiàn)智能化和信息化施工。這些新理念、新技術的融合為鐵路橋梁施工帶來更多可能性。

關鍵詞：橋梁施工；BIM；質量控制；智能化

中圖分類號：[U24] 文獻標志碼：A

本文引用格式：肖改琴，劉林芽，張燕，等. 基于質量控制的鐵路橋梁智能建造模擬[J]. 華東交通大學學報，2023，40（5）：89-94.

Simulation of Intelligent Construction of Railway Bridges Based on Quality Control

Xiao Gaiqin1， Liu Linya1，2， Zhang Yan3， Qin Jialiang1

（1. School of Transportation Engineering， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， China；2. Pingxiang University， Pingxiang 337055， China； 3. School of Civil Engineering and Architecture， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， China）

Abstract： Railway bridges are a major project in railway construction， and the construction quality has a significant impact on the overall engineering quality. With the development of intelligent technology， applying technologies such as BIM， AI， VR， and GIS to railway bridge construction can improve construction level and efficiency. By establishing a parameterized BIM model， dynamic simulation of the construction process can be achieved， deepening the application of BIM in quality， and achieving intelligent and information based construction. The integration of these new concepts and technologies will bring more possibilities for railway bridge construction.

Key words： bridge construction；BIM；quality control；intelligence

Citation format：XIAO G Q，LIU L Y，ZHANG Y，et al. Simulation of intelligent construction of railway bridges based on quality control[J]. Journal of East China Jiaotong University，2023，40（5）：89-94.

鐵路橋梁的質量和受力性能要求較高，施工難度也較大。鐵路基礎設施智能建造質量控制技術可以實現(xiàn)工業(yè)化生產，提高生產效率和工程質量，推動智能化鐵路交通的發(fā)展，并具有重大的社會、經(jīng)濟和生態(tài)效益。通過升級鐵路基礎設施綠色、智能化施工工藝，可以提升鐵路基礎設施安全建設能力和水平，降低建設與保障綜合成本，從而提升鐵路基礎設施安全建設能力和水平。

鄒陽[1]提出一個BIM實施框架，其能保證在橋梁工程建設整個生命周期中的使用。王熊玨[2]基于BIM的橋梁結構加固，貫通了BIM技術在橋梁加固整個流程中的使用。史軍勝[3]采用Bentley系列軟件建立拱橋BIM模型，將其導出至多種有限元軟件中進行模型的精細化并進行了有限元力學分析。伍偉娟[4]在橋梁的設計階段和施工階段進行了BIM技術的應用，且將構建的BIM模型導入有限元軟件進行分析。沙高岑[5]基于現(xiàn)在BIM技術未在橋梁全過程進行應用的情況，針對BIM技術橋梁全生命周期交互中信息載體的不統(tǒng)一，建立了橋梁模型的構件庫。梁浩[6]基于Revit+Dynamo完成橋梁的BIM模型快速創(chuàng)建，并且將BIM模型進行施工工藝的模仿和碰撞檢測等功能模擬。王欣[7]建立了橋梁常規(guī)族構件模型庫，并對連續(xù)橋梁模型的創(chuàng)建方法進行了深入研究。荊靈玲[8]詳細地闡述了3S技術和BIM技術在鐵路施工中的應用。楊華偉[9]利用PythonOCC平臺結合Python腳本創(chuàng)建墩身模板參數(shù)化三維模型，實現(xiàn)了墩身模型的智能化創(chuàng)建。袁洋[10]通過建立BIM施工組織模型，對施工組織進行智能化、數(shù)字化管理，調整橋梁施工順序，探尋最優(yōu)施工組織。

上述研究表明，在橋梁建造方面，國內已經(jīng)開始應用一些技術，但大部分只是針對性地完成橋梁建造局部的分析。有關橋梁施工全過程智能化的文獻較少。BIM在鐵路橋梁建造方面仍處于初級階段，施工階段的應用缺乏規(guī)劃，建模自主化不足，標準化構件庫未能建立，與新技術和大數(shù)據(jù)的融合相關研究也較少。本文提出嵌套式族庫的開發(fā)理念，并在施工階段結合應用GIS、無人機攝影和AI等技術，以推動鐵路橋梁建造的信息化、智能化發(fā)展。

1 BIM 在橋梁施工中的應用

1.1 橋梁模型建立

參數(shù)化建模是一種通過改變建模對象的大小、材質和圖形外觀等，但保持其屬性始終不變的智能化建模方法。這是BIM軟件自帶的一項核心技術優(yōu)勢，當某個構件的某個參數(shù)發(fā)生變化時，其余參數(shù)會自動適應并進行相應的改變。所有構件都是通過參數(shù)進行連接的，以確保構件信息的整體協(xié)調性。這一特性是Revit可以在橋梁全生命周期使用的基礎，隨著工程的推進，模型的形狀和精度可以隨時進行更改。

Revit軟件中包含項目、樣板文件、族文件和族樣板文件。項目是整個構建過程中進行拼裝的部分，而族是同一類構件的集合。族分為系統(tǒng)族、內建族和可載入族3種類型，可以加載到項目文件中進行拼裝。族文件可以隨時從項目文件中載入載出，而在橋梁建設過程中，可以通過更改構件在橋梁中的參數(shù)信息來調整構件的屬性。

族文件可以實現(xiàn)共享參數(shù)的功能，如圖1所示，這可以極大地加強模型構建的邏輯化和標準化。通過共享參數(shù)，可以在多個文件和多個構件之間實現(xiàn)參數(shù)的傳遞和共享，使得同一族可以被應用到不同的項目文件中，降低了建模成本和時間。此外，對族文件進行參數(shù)修改后，這些參數(shù)將自動更新到所有應用該族的文件中，從而大大減少了重復性工作和錯誤的發(fā)生，同時也大大提高了模型的靈活性和可維護性。

對于同類型的大型構件，可以通過創(chuàng)建族參數(shù)表格的方式來實現(xiàn)高效構建。以等截面箱梁截面為例，具體數(shù)據(jù)如表1所示。每個參數(shù)類型都有對應的代碼，可在Revit中快速建立相同類型的構件，節(jié)省了工程建模時間。

1.2 4D施工模擬（施工時間規(guī)劃）

BIM的可視化能夠實現(xiàn)施工過程全方位無死角展示。Autodesk公司的Navisworks軟件能夠直觀地展示施工過程，分析施工方案的合理性， 更加符合人體對于視覺的要求，直觀地表現(xiàn)施工進度，避免施工過程中因為施工方案不合理造成的施工問題或者返工，節(jié)省時間成本和造價。

通過Navisworks的時間軸，根據(jù)施工工藝和施工內容進行多次推演，包括施工現(xiàn)場的地形、氣候、地貌、土壤、旁邊建筑等結構信息均須考慮，尋找到最合適的施工方案，著重對比模擬施工和實際施工的差異，盡量減少差異，以保證橋梁工程的施工質量。

1.3 碰撞檢測

利用BIM平臺的碰撞檢測，能夠規(guī)避因為圖紙帶來的施工錯誤，檢測到不同專業(yè)圖紙之間的碰撞，提前解決此類圖紙問題，及時反饋到模型中，進行修改，避免后期因為圖紙問題帶來的返工甚至停工，提高了項目管理的效率，也為施工質量帶來了保障，大大減少了工程成本和時間。同時Navisworks具有漫游功能，可以對模型內外進行檢查。

專業(yè)之間的碰撞檢測可以使用Navisworks，? ? Navisworks軟件能夠在工程中應用的碰撞檢測分為3種：① 硬碰撞，如果希望檢測到的碰撞是實際發(fā)生的碰撞，選擇硬碰撞，處于同一個三維空間，兩者相交并且重疊即視為碰撞；② 硬碰撞（保守），比硬碰撞檢測的精準度高，數(shù)據(jù)量大，空間內的模型只要存在相交或交互即視為發(fā)生碰撞；③ 間隙碰撞，只要模型間距小于自定義的距離就被視為碰撞。

將各專業(yè)模型（格式均為nwc.）都導入Navisworks，根據(jù)結構項目的樣板的基點和軸網(wǎng)標高整合模型之后，可以使用其碰撞檢測功能進行檢測，生成碰撞報告，使用其報告中的ID號方便相關人員找到碰撞位置，Navisworks為半智能檢測，而后需要返回Revit中修正。

1.4 施工場地規(guī)劃管理

施工場地的管理與施工質量有較大的關系，秩序混亂的施工場地可能會間接導致安全事故的發(fā)生。工程質量管控的落腳點也是基于施工現(xiàn)場，施工現(xiàn)場的好壞關乎到工程的質量，且現(xiàn)在橋梁工程露天、高空作業(yè)較多，工作人員自身情況均有差別，現(xiàn)場施工人員多，故加強施工現(xiàn)場管理能有效降低事故發(fā)生率。

現(xiàn)場所有施工范圍內的人、施工材料和施工機器等都須反映到模型當中，并且隨時間進度的變化而變化，避免大型器械和施工材料反復調整平面位置，最大限度地利用大型設施的性能，減少施工材料的消耗，對現(xiàn)場人流進行合理的規(guī)劃，為施工單位節(jié)支增收。

2 橋梁族庫開發(fā)

2.1 嵌套共享

橋梁建模涉及眾多參數(shù)，眾多構件，在進行模型最終拼裝時往往需要大量時間和精力，有些構件存在誤差。各個構件之間的位置關系還有尺寸，都必須保證精度，不然模型就失去精細化建模的意義。

在嵌套族之中先定義好單元族的位置關系以及尺寸，將其組裝起來，在共享嵌套族中可以修改各單元族的參數(shù)，需要在嵌套族中勾選“共享”。如果“共享”選型沒有勾選，該族將會作為嵌套族隨著主體族載入到項目中，是屬于主體族的部分，不能被單獨調用，只能跟隨主體族被使用。如果勾選了“共享”則載入到項目中，當前也是主體族的一部分，但是它同時也可以被單獨調用，可以脫離主體族。

嵌套族降低了拼裝時的工作量，保證項目文件的準確性，也能統(tǒng)計結構基礎明細表，不會有其他影響，下部結構建模時只需要到族庫中找尋適合當前工程的相應的構件即可，節(jié)省大量建模時間，具體流程如圖2所示。

嵌套族可以多次嵌套，構件的材質參數(shù)必須跟隨其主體族逐步關聯(lián)起來，最終才能在項目中被控制。

2.2 模型精細度選擇

BIM模型的構建可以通過精細度來分類，根據(jù)施工不同的階段以及不同的使用對象進行分類，這樣不僅能夠滿足工程要求，減少BIM模型數(shù)據(jù)的冗余，而且減少模型卡頓，數(shù)據(jù)利用率能達到最佳。

BIM模型精細度概念是由美國建筑師協(xié)會提出的，其表明了BIM模型在全生命周期的完整程度。從工程設計階段到交付時期的模型精細度被分為5層，即從LOD100到LOD500，類比BIM模型在建設項目實施的各個階段的應用場景，其具體模型精細程度對應的階段和建模程度如表2所示。

在施工階段，應當保證建模進度在LOD400及以上，才可保證模型在施工階段起到示范作用，減少施工失誤的產生，降低現(xiàn)場事故發(fā)生率。

2.3 橋梁族庫

橋梁建模時，可大致分為上部結構建模和下部結構建模，下部結構通常包括橋墩、橋臺和基礎；上部結構分為梁、橋面和支座等。按照嵌套族開發(fā)橋梁族庫，構件可以分為上部和下部結構，下部結構族庫中包含以往橋梁下部結構的模型以及產品信息。橋墩尤其重要，包含樁、承臺和墩3種單元族，3種單元族形成嵌套族，如圖3，放置到項目族只需要定義嵌套族一個位置即可。如遇到復雜橋梁可以發(fā)揮較大作用，減少建模工作量，避免出現(xiàn)限制性條件特別多的情況，提高繪制模型的效率。獲取以往橋梁的建造模型，并把其載入到規(guī)范性族庫之中是一個巨大的工作量，需要結合大數(shù)據(jù)才能夠完整。

上部結構有兩種建模思路可以使用共享參數(shù)方法建模，也可以使用規(guī)范性族庫。

3 “BIM+”在施工過程的應用

當前BIM技術與GIS、AI、大數(shù)據(jù)、VR融合開展初步探索，即通過BIM與各類技術結合完成不同高難度任務。根據(jù)全生命周期的標準，目前在建造期間的應用仍然處于初期，應用深度遠遠不夠，“BIM+”是未來BIM的重要發(fā)展趨勢。

3.1 GIS與無人機攝影

GIS是一種特殊的空間信息系統(tǒng)，在計算機軟硬件的支持下對整個地球表層的空間信息進行儲存分析運算，BIM與GIS結合可以實現(xiàn)工程中難點問題的可視化如圖4所示。在工程建造之前，往往需要工作人員實地勘察施工環(huán)境，傳統(tǒng)技術使用全站儀逐點記錄施工環(huán)境關鍵點高程與角度等信息，儀器精度高但是其工作效率十分低下。施工現(xiàn)場需要多名勘測人員實時探測，工作環(huán)境惡劣，不符合智能化施工理念。

無人機攝影現(xiàn)在多用于各類平臺拍攝高難度視頻，獲取的視頻清晰度高，其拍攝手法可以更好滿足施工工地需要，包括掃描方式、90°俯拍、貼地飛行和穿梭飛行等，減少人工勘測的工作量，其拍攝畫面與GIS提供信息結合傳遞到Civil 3D中處理地形數(shù)據(jù)，將實地場景轉化到BIM建模當中去。

3.2 AI

AI是一種模擬人類智能思維的技術，它可以實現(xiàn)人類的認知和思維活動。通過這種技術，計算機可以模擬人類的思維方式和智能，從而可以完成許多復雜的任務，如圖像識別、語音識別、自然語言處理、決策制定等。AI正在影響人們的生活，提高人們的生活質量和水平，但是對于施工現(xiàn)場，卻與日常生活格格不入，施工現(xiàn)場需要和人工智能結合，提高施工質量。

ChatGPT是一個基于大型規(guī)模預訓練的聊天機器人，能夠對自然語言進行理解和生成，與BIM結合可以為建筑工地的監(jiān)管提供更加智能化的決策，也可以實現(xiàn)模型的自動化集成和生成，幫助施工人員快速進行施工方案驗證并且修改設計方案，完成一些重復性工作。但是現(xiàn)在ChatGPT技術尚未成熟，需要人工多次訓練，通過使用者多次調整話術才能匹配ChatGPT對語義的理解和生成能力。

3.3 VR

VR是一種先進的計算機系統(tǒng)，能夠創(chuàng)造出一種模擬環(huán)境，讓用戶感受到更加真實的視覺體驗。其逼真程度極高，使得用戶可以完全沉浸在該環(huán)境中，仿佛身臨其境。通過VR技術，用戶可以體驗到各種現(xiàn)場環(huán)境，從而帶來更加生動、直觀的感受和體驗。

VR和BIM技術的結合可以彌補現(xiàn)場施工的缺點，如工程效果未知和工程質量控制難。特別是在工程量龐大的情況下，一些可能影響工程質量的細節(jié)很容易被忽略或遺忘，最終導致工程質量下降。通過VR技術，工程可以得到多方監(jiān)督，在施工前及時發(fā)現(xiàn)和解決潛在的設計問題、碰撞沖突和空間不足等問題，從而有效減少施工過程中的錯誤和返工。這不僅提高了施工效率和質量，降低了成本，而且為整個項目帶來了更大的價值和效益。

4 結論

1） 使用Revit建模軟件中的嵌套族方法可以顯著提高橋梁模型建立的準確性和高效性。通過使用嵌套族，可以更加精細地控制模型的屬性和行為，從而減少建模的時間和錯誤，使建模更加精確和高效，滿足橋梁施工期間對建模精細化的需求。

2） 在橋梁施工階段，通過結合BIM與現(xiàn)有技術，可以形成一個有效的質量管理體系。該體系能夠確保施工質量得到顯著提升，并結合各種技術的作用，對工程建造起到較為明顯的作用。

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第一作者：肖改琴（1998—），女，碩士研究生，研究方向為基于質量的鐵路橋梁智能建造。E-mail：1261874032@qq.com。

通信作者：劉林芽（1973—），男，教授，博士，博士生導師，國家重點研發(fā)計劃首席科學家，國家百千萬人才工程人選，研究方向為鐵路環(huán)境振動與噪聲控制。E-mail：lly1949@163.com。

（責任編輯：熊玲玲）