基于BIM技術的連續梁橋施工管理系統應用實踐

劉艷輝，宋家歡，卓 彪，王路明，何庭君

(1.西南交通大學土木工程學院，交通隧道工程教育部重點實驗室，成都 610031；2.核工業西南勘察設計研究院有限公司，成都 610052)

隨著我國高速鐵路的蓬勃發展，橋梁工程被越來越多地應用到鐵路建設中，“以橋代路”已成為節約耕地、減少鐵路對沿線城鎮分割的有力措施。在鐵路橋梁工程領域，預應力連續梁橋由于具有變形小、伸縮縫少、抗震性能好等優點被廣泛應用。然而預應力連續梁橋設計復雜、施工工序繁多、施工環境多變[1]，采用傳統的施工管理方式難以保證施工質量滿足高鐵列車舒適平穩的要求，為了探索高效經濟的施工管理方式，將BIM技術應用于施工管理體系。

BIM以三維數據信息為基礎，作為一種管理理念貫穿于工程項目的全生命周期，通過對工程項目的勘察設計、建設施工和運營維護各階段進行高效管理，可使項目各參與方的效益最大化[2-5]。BIM技術最初應用于建筑領域，現在正逐漸應用在橋梁、隧道、鐵道和市政等土木行業[6]。

從2013年起，我國鐵路行業開始高度重視BIM技術的研究應用，先后兩次召開鐵路工程建設信息化推進會議，并成立了“中國鐵路BIM聯盟”，發布了《鐵路工程實體結構分解指南(1.0版)》[7]、《鐵路工程信息模型分類和編碼標準(1.0版)》[8]和《鐵路工程信息模型數據存儲標準(1.0版)》[9]三大鐵路行業標準，為BIM技術在我國鐵路行業的發展奠定了基礎。

為了探索并推廣BIM技術在我國鐵路行業的應用，中國鐵路總公司將連鎮鐵路客運專線(設計速度250 km/h、雙線有砟軌道)作為BIM試點項目。本文以該試點項目中寶應特大橋跨寶射河連續梁橋為實際工程案例，根據我國連續梁橋施工管理的特點和實際需求，基于BIM技術，建立了預應力連續梁橋施工管理系統技術架構和實施流程，開發了預應力連續梁橋施工管理系統，并成功應用于鐵路橋梁實際工程，對BIM技術在我國鐵路行業的推廣應用具有一定價值。預應力連續梁橋(54+88+48) m整體布置如圖1所示。

圖1 連續梁橋布置

1 傳統連續梁橋施工管理系統

施工管理系統是指施工管理人員在施工現場解決施工組織設計中的各種問題和處理現場關系時所采用的管理體系，施工管理系統在整個項目中發揮著重要作用，它的有效程度會直接影響項目的整體質量[10]。然而傳統的施工管理方式主要依靠項目管理人員的經驗來制定和實施，只能以二維模式運行，同時由于施工管理涉及的單位和部門眾多，傳統的施工管理系統難以匯總工程項目全生命周期的信息數據，這必將形成信息孤島現象，將無法滿足項目各參與方的實際需求[11-12]。

針對鐵路工程預應力連續梁橋大型復雜結構，采用傳統的施工管理方式難以事前核查設計中存在的問題，這些問題對施工質量、施工進度和施工成本等產生不同程度的影響。

2 基于BIM技術的施工管理系統

建立適用于信息化時代的施工管理體系，將BIM技術應用于施工管理階段，搭建基于BIM技術的施工管理系統，通過施工管理平臺及虛擬現實應用，把建立的BIM模型數據全部納入云平臺管理，通過分配客戶端賬號權限，可使項目各參與方依據權限對項目數據進行收集、查詢、分析、管理、追溯等工作，從而實現信息化、精細化和規范化的施工管理體系。與傳統的施工管理系統相比，基于BIM技術的施工管理系統具有以下優點[13-16]。

(1)利用三維可視化技術對連續梁橋模型進行碰撞檢查，并對施工圖紙進行優化。

(2)對連續梁橋施工全過程進行可視化動態交底，使施工技術人員對施工工藝和流程有更形象的認識，有效解決了傳統施工交底中復雜節點交底不明確的問題。

(3)對數據信息進行歸集匯總，將所有數據歸集到服務器上，進行匯總分析，生成項目管理層提供所需要的數據報表。

(4)可以對施工過程實時跟進，更加及時準確地對施工進度、施工質量、施工成本進行控制，可以為項目決策層提供決策依據。

3 基于BIM技術的連續梁橋施工管理系統構建

3.1 基于BIM技術的連續梁橋施工管理系統架構

施工管理系統整體結構由施工管理平臺和施工管理應用端兩部分組成，采用互聯網技術將施工管理系統推向網絡層面，目前主流的開發模式有兩種：客戶端/服務器架構(Client/Server)C/S架構、瀏覽器/服務器架構(Browser/Server)B/S架構[17-18]。

由于施工管理平臺多為內部工作人員使用，獨立性強，為了不浪費設備資源，采用C/S架構。而施工管理應用端一般是外部工作人員使用，為了滿足多用戶同時登錄，采用B/S架構。施工管理系統整體結構如圖2所示。

(1)施工管理平臺是供系統內部人員對模型數據進行讀寫、處理和應用的操作平臺。平臺是以三維模型數據為基礎，然后讀取數據信息空間中的內容，并將其分類整合成數據信息模塊，最后形成具有特定功能的應用模塊。

①數據信息空間整合了全部的BIM模型數據、組織信息、過程信息和管理信息，同時，為了使創建的BIM模型能夠有效地在不同軟件之間交互使用，依據《鐵路工程信息模型分類和編碼標準(1.0版)》[8]對橋梁構件進行分類和編碼，項目各參與方可以在同一個空間中上傳、讀取、核查和修改數據信息，該空間可以使項目各參與方的數據信息無損、無誤、無障礙傳播。

②數據信息模塊是對集成的數據信息進行篩選、核查、補錄、分類，最后根據施工單位的特定需求，將數據信息整合成相應的子信息模塊，以供模型應用階段調用。

③功能應用模塊可在項目的不同階段直接為施工管理部門提供決策支持的技術手段，通常包括碰撞檢測、可視化施工模擬、施工動態管理等功能。

(2)施工管理應用端是供系統外部人員對功能應用模塊進行調用的應用端口，通過該應用端口，項目管理人員可以對施工全過程進行動態管理，根據系統反饋的各種報表和數據信息進行決策。

①技術應用主要實施于施工前，通過碰撞檢測和可視化施工模擬來發現設計和施工中的問題，然后深化設計和優化施工方案，從而可避免返工現象，確保施工質量。

②管理應用主要包括進度管理、質量管理和成本管理，通過對施工過程的實時控制來實現各項業務之間的聯動管理。

③對接應用是指將施工過程中新增的數據信息存儲于管理系統，留設對接端口，以便施工完成之后與運營管理系統進行無縫連接，為日后運營維護階段的信息化管理提供數據支持，真正實現數據信息在設計、施工和運營維護階段的共享機制。

圖2 基于BIM技術的連續梁橋施工管理系統技術架構

3.2 基于BIM的連續梁橋施工管理系統實施流程

預應力連續梁橋設計復雜、預埋構件種類多且數量大、施工工序繁雜、各部門交叉工作現象普遍，基于BIM技術的連續梁橋施工管理系統實施流程以施工進度為主線、以項目各部門工作領域為界限、以具體實施內容為主體，建立連續梁橋施工管理系統實施流程如圖3所示。

圖3 基于BIM技術的連續梁橋施工管理系統實施流程

BIM建模部門根據設計單位交付的設計成果進行連續梁橋三維模型的建立和BIM數據的創建，施工單位配合部門提供完整的施工方案、組織信息、過程信息和管理信息，系統開發部門依據集成的數據信息開發管理系統，BIM應用部門對管理系統進行技術方面的應用，將應用結果反饋給設計單位和施工單位，分別供其進行深化設計和優化施工方案，系統開發部門將管理系統交付給施工單位，并進行系統的調試和人員的培訓，在實際施工過程中，施工單位依據該系統進行施工動態管理，并將施工過程中的數據信息儲存于系統，待項目移交后，運營維護單位可對線路運行進行數據化管理。

4 基于BIM技術的連續梁橋施工管理系統應用

連續梁橋施工管理系統是基于計算機技術、BIM技術以及多媒體技術，對連續梁橋施工進行多方位管理的工作平臺。整個系統由管理后臺和技術交底前臺兩部分組成，其中后臺供系統管理人員使用，通過對施工過程的分層次管理，對施工過程涉及到的模型、視頻、文件和資料進行整合，然后供前臺使用；而技術交底前臺則是供項目管理人員使用，可對施工過程進行多方位的展示和管理。

(1)系統管理

通過分配不同的權限，為系統管理人員提供一系列管理功能，包括部門管理、人員管理等。系統管理平臺如圖4所示。

圖4 連續梁橋施工技術交底平臺

(2)連續梁橋復雜部位碰撞檢測

施工前，軟件開發部門協助BIM應用部門進行模型碰撞檢測和施工過程模擬，旨在事前對施工風險進行預估、對設計漏洞進行優化、對施工方案進行檢測。通過施工管理系統應用端，可以將模型的碰撞檢測報告反饋給設計單位，供其優化設計圖紙。同時，可以將施工過程模擬中發現的問題反饋給施工單位，供其完善施工方案。以A1#段配筋為例，通過碰撞檢測共發現9處配筋碰撞問題，檢測結果及優化前后的鋼筋模型如圖5所示。

圖5 A1#段鋼筋碰撞檢測結果

(3)連續梁橋施工技術動態交底

通過施工技術動態交底平臺，將設計圖紙、BIM模型、施工動畫和動態管理相關聯，施工人員可以通過PC端或手機端對施工流程、結構屬性和管理信息進行查看對比，可以使用“飛行漫游”指令多視角全方位查看施工模型，同時可以使用“模型剖切”指令深層次寬領域了解模型構造；系統將施工交底視頻分為兩級目錄，并與施工進度相匹配，施工管理人員可以通過管理系統實時查看施工進度，合理安排施工計劃；系統將施工的時間節點和成本計劃相關聯。技術交底平臺如圖6所示。

圖6 技術交底平臺

(4)連續梁橋施工質量管理

利用BIM模型，對施工過程中對應的構件(錨具、波紋管、電氣設備等)生成可識別的二維碼，通過該二維碼可將構件的生產廠家、生產批次、合格證號、進場時間、檢測報告等信息錄入施工管理系統，待施工完成后，可再次掃描二維碼，將施工方法、施工記錄、施工人員信息、施工監理報告等信息添加到BIM模型，實現施工質量可追溯性管理。

(5)連續梁橋施工信息儲備

為了將BIM應用于連續梁橋全生命周期，在施工過程中需要將產生的數據信息錄入施工管理系統，以便與運營管理系統對接。基于施工階段的數據信息，運營維護單位可以對橋梁進行設備管理、能耗監測和安全管理(預應力損失監控和結構損傷監測)。

5 結語

本文基于BIM技術研究了連續梁橋施工管理系統，并將其應用于連鎮鐵路寶應特大橋跨寶射河連續梁橋，得出以下結論。

(1)依據中國鐵路BIM聯盟制定的BIM系列標準，結合預應力連續梁橋實際施工特點，建立了基于BIM技術的預應力連續梁橋施工管理系統技術架構，并形成了標準化的實施流程。

(2)結合網絡技術，開發了基于BIM技術的預應力連續梁橋施工管理系統，通過模型展示輕量化、碰撞檢測、動態施工模擬、可視化技術交底、聯動管理(質量管理、進度管理和成本管理)等應用，可為項目的執行層、管理層和決策層提供技術支持和決策依據。

(3)以連鎮鐵路寶應特大橋跨寶射河三跨預應力連續梁橋(54+88+48) m為實際工程案例，驗證了研究成果的可行性和實用性。該研究成果為BIM技術在我國鐵路行業的推廣具有重要價值。

(4)基于BIM技術的施工管理系統立足鐵路建設項目的實際需求，在BIM平臺研究及應用上積累了寶貴經驗，為后續鐵路建設培養了BIM技術應用人才。