4D-BIM技術在千米跨度公鐵兩用懸索橋施工中的綜合應用

李 冰 中國鐵路上海局集團有限公司南京鐵路樞紐工程建設指揮部

1 概況

1.1 工程簡介

五峰山長江大橋是新建連云港至鎮江鐵路的跨長江通道，是世界上首座千米級高速、重載公鐵兩用懸索橋。大橋總長6 409 m，其中主橋長1 432 m，采用（84+84+1092+84+84）m雙塔連續鋼桁梁懸索橋方案；南、北單建鐵路引橋長3532.1 m。連鎮鐵路設計行車速度250 km/h，預留兩線鐵路設計行車速度200 km/h；高速公路等級分為雙向八車道，設計行車速度100 km/h，橋面寬度40.5 m。

1.2 BIM項目特點

五峰山長江大橋項目規模大，施工技術難度高，對項目管理要求高。然而，傳統施工管控模式效率低下，信息化程度低，難以滿足大橋的施工管理需求。為提高大橋施工管理水平和效率，本項目將BIM技術、4D-CAD技術和云技術引入到大型橋梁施工領域，針對大橋構件多、場地復雜、安全質量突出等需求，以4D-BIM云平臺為依托，實現了實時動態進度管理和施工模擬、跨平臺質量與安全精細化管理、三維技術交底、鋼梁信息化管理等核心應用。

2 BIM組織與應用環境

2.1 應用目標

基于大橋項目管理組織結構，制定了BIM應用模式與面向BIM應用的人員架構。在此基礎上，應用4D-BIM云平臺，實現了實時動態進度管理和施工模擬、跨平臺質量與安全精細化管理、三維技術交底和鋼梁信息化管理。尤其通過充分利用云平臺的跨平臺優勢，以應用廣泛的微信小程序克服了現場環境復雜、網絡條件差等問題，實現了實際進度填報、質安問題填報和鋼梁物料狀態填報等內容，推動了BIM技術的實際落地，為提升橋梁施工管理水平與效率提供了信息化支持，為橋梁建設的BIM技術應用提供了新的方法和應用示范。

2.2 實施方案

項目應用Autodesk Revit系列軟件創建了大橋BIM模型并劃分了施工段，應用Autodesk Civil 3D處理了地形測繪數據，形成了地形三維模型。在此基礎上，應用4D-BIM平臺實現了基于BIM的施工管理。

4D-BIM云平臺的應用架構如圖1所示。該平臺從下至上分為存儲層、服務層、接口層和應用層4層。其中存儲層建立了云端數據服務；服務層建立了包括圖形引擎、數據引擎和檔案管理在內的統一BIM服務；接口層建立了BIM數據接口與交換引擎，負責從存儲層拉取數據，針對不同應用建立對應的子信息模型，并在模型信息修改后向云端推送更新數據；應用層實現了跨平臺多終端的4D-BIM應用。

圖1 4D-BIM云平臺應用架構

2.3 團隊組織

BIM團隊覆蓋大橋參建單位，領導單位為工程建設指揮部，應用實施單位包括施工單位、監理單位以及主要分包單位鋼梁廠等，配合單位包括設計單位中鐵大橋設計院，技術支持方清華大學BIM團隊北京云建信科技有限公司。BIM團隊組織結構如圖2所示。

圖2 BIM應用組織結構

2.4 軟硬件環境

項目采用Autodesk Revit和Tekla軟件進行BIM建模，采用清華大學BIM團隊自主研發的4D-BIM云平臺為應用平臺。項目部署了服務器1臺，客戶端若干臺。

3 BIM綜合應用

3.1 4D-BIM云平臺

4D-BIM云平臺屬于定制開發，它將BIM與4D、云存儲、物聯網等技術有機結合，建立了基于IFC標準的4D-BIM模型，打通信息與BIM的雙向鏈接，實現了基于云技術的BIM數據分步式存儲。該平臺提供了桌面端、網頁端、移動端三個平臺的應用，各應用間無縫集成，輔助多參與方協同工作。在此基礎上，平臺針對施工階段的實際需求，提供基于BIM的施工進度、資源與成本、安全與質量、場地與設施的跨平臺4D集成管理、實時控制和動態模擬等技術和功能。

3.2 4D-BIM綜合應用

3.2.1 4D-BIM模型創建

設計單位建立大橋BIM模型，包括各模型構件的三維幾何信息與工程屬性信息，以IFC格式導入4D-BIM云平臺。在此基礎上，通過MS-Project數據接口，導入進度信息。將構件與進度相關聯，建立大橋4D-BIM模型，并在此基礎繼續集成安全、質量、物料等信息，開展綜合BIM應用。

3.2.2 4D進度管理與施工模擬

4D-BIM平臺提供了進度緊前緊后分析、任務完成情況報表與數據可視化、任務滯后分析與模型三維可視化等功能，通過充分利用4D-BIM模型的信息集成優勢，為施工應用人員提供便捷的進度信息查詢、分析與模擬工具。

4D-BIM客戶端支持MS-Project與平臺內進度計劃的雙向數據集成。工程的計劃和實際進度可以通過MS-Project導入至平臺中；平臺中的進度數據也可以導出至MS-Project中，利用MS-Project的成熟進度管理功能實現進度管控。另外，由于現場存在硬件與網絡環境差等問題，PC客戶端不便于現場施工人員第一時間填報實際進度數據。本項目實現了通過微信小程序填報實際進度信息。現場實施人員掃描粘貼在大橋鋼梁、橋墩等構件上的二維碼并填報實際施工時間，4D-BIM云端自動綁定構件和填報的實際進度信息，向其他各類客戶端推送新的進度數據，實現跨平臺4D動態實時進度管理。

4D-BIM的PC客戶端支持對一個或多個WBS分部分項、施工段及工序節點進行施工進度模擬。4D模擬過程中，圖形平臺中的三維模型會根據構件與進度的關聯關系，以顏色變化展示當前的施工狀態，如圖3所示。同時，平臺PC端還通過施工任務列表、施工完成情況餅圖等方式，將數據龐大、維度眾多的進度數據通過可視化的方式直觀呈現給進度管理人員，輔助指揮部或施工方把握關鍵和滯后的施工步驟，為進一步決策提供數據支撐。

圖3 施工進度模擬及4D形象進度顯示

3.2.3 質量與安全管理

質量與安全管理在4D-BIM云平臺通過桌面端、網頁端、移動端協同實現。其中質量安全問題的填報、整改與審核流程主要在移動端通過微信小程序完成。首先，監理工程師在移動端發起問題整改；施工方安質部審核后將問題推送給相應現場整改人；現場整改人實施整改并將整改情況反饋給安質部；安質部審核后將整改情況推送給監理工程師進行驗收；最后，發起問題的監理工程師對整改問題驗收合格后，完成質量安全問題追蹤流程。手機微信端填報如圖4所示。

圖4 質量安全問題手機微信端記錄

在手機微信端填報的質安問題會存儲在云端的服務器中，相應數據會推送到網頁端與客戶端。工程項目各參與方均可隨時隨地查詢，并可在網頁端對質安問題添加備注信息，生成整改通知單和整改通知回復單。

3.2.4 三維技術交底

千米跨度懸索橋施工工藝復雜、技術難度大、安全要求高。為指導現場人員施工，充分利用4D-BIM的信息集成和可視化優勢，平臺提供了3D作業指導書功能，以更好地在施工中進行技術交底，如圖5所示。施工人員可通過網頁端或手機端登錄查看模型，對模型的各個面可以進行剖切操作，通過文字或語音查看關鍵施工工序要領及要求，把對施工圖的一維認識轉變為多維認識，并且實現了隨時隨地的學習掌握。

圖5 3D作業指導書網頁版

3.2.5 鋼梁信息化管理

針對大橋鋼梁生產及施工的的管理需求，結合物聯網技術和二維碼技術，4D-BIM云平臺研發了大橋預制件管理功能。同時，4D-BIM云平臺還為鋼梁生產廠家提供了二維碼云打印技術，以更好地服務施工方的鋼梁制造BIM管理工作，實現鋼梁生產信息的源頭追溯。

鋼梁廠家在手機端微信小程序上對鋼梁的各大桿件及各個大節間進行掃碼和填報工序的操作（如圖6、圖7所示），在客戶端就可以按照預先設定的工序狀態通過查看模型顏色的實時變化來獲取鋼梁的實時生產狀態（如圖8所示）。另外，在客戶端還可以查看各節間和各零部件的生產統計分析情況以及兩個廠家的每月生產計劃報表，輔助項目部實時掌握鋼梁的生產進度，精準把控項目推進。

3.2.6 項目檔案管理

4D-BIM客戶端還具備項目檔案管理功能，各級管理人員可將項目需要的檔案資料及時上傳至平臺客戶端，包括標準規范、施工圖紙、技術交底文檔、生產計劃、航拍視頻等文字、圖片、影像資料。客戶端將所有檔案信息保存至云端，用戶需要時可以隨時下載。另外，客戶端用戶可以選擇在模型、WBS節點、預制件上掛接檔案資料，實現檔案的靈活管理。

圖6 微信端小程序界面

圖7 鋼梁信息化管理流程

圖8 鋼梁大節間工序狀態

4 總結

4.1 創新點

4D-BIM技術在五峰山長江大橋建設的綜合應用緊跟大橋施工管理的實際需求，充分考慮千米跨度公鐵兩用懸索橋技術復雜程度，實現了4D實時動態進度管理和施工模擬、跨平臺質量與安全精細化管理、三維技術交底和鋼梁信息化管理，發揮了BIM的信息化優勢，優化了工期，提高了管理效率與質量，使各參與方、各部門之間的溝通協作更加高效，提高了項目施工信息化水平，實現了4D-BIM應用于大橋建設施工領域的價值。具體創新點包括以下五點：

（1）動態進度管理和施工模擬：實時掌握大橋施工進度，動態分析項目完成情況，高效管理實際與計劃進度，輔助大橋施工安排和整體施工工藝。

（2）跨平臺質量與安全精細化管理：通過手機微信端實現質量安全問題的填報、整改和審核。質安問題云端存儲并推送，實現跨平臺的協同質量與安全管理，提升管理效率與信息化水平。

（3）三維技術交底：充分運用4D-BIM的信息集成和可視化優勢，提供3D作業指導書功能，現場施工人員更深入地理解施工技術交底。

（4）鋼梁信息化管理：結合物聯網技術和二維碼技術，應用預制件管理功能和二維碼云打印技術，集成鋼梁信息并實現其生產源頭追溯，實時掌握鋼梁生產進度，精準把控項目推進。

（5）云平臺的跨平臺優勢：以應用廣泛的微信小程序克服工地環境復雜、網絡條件差等問題，實現進度填報、質量安全問題填報和鋼梁物料狀態填報等內容，推動了BIM技術的實際落地。

4.2 綜合效益

4D-BIM在大橋工程建設應用的綜合效益主要體現在三個方面：

（1）實現協同管理。運用新的管理手段，突出方便、快捷、易用，實現多參與方、跨平臺的無紙化管理，節省了管理成本、時間成本。

（2）信息集成及應用。集成建設、設計、施工、監理以及監測方的海量信息，利用云端數據庫存儲，實現信息的共享、分析和應用。

（3）智慧橋梁。應用BIM技術的大跨度橋梁智能建造，把BIM與智能檢測、故障預測、結構健康管理等技術進行融合，為實現大橋智慧管養提供了數據基礎。

4.3 結論

在信息化發展的驅動下，未來BIM發展終將走向多專業、多參與方、多階段的綜合集成應用。而具有通用性、可擴展性、靈活性的BIM平臺將成為BIM發展的必然趨勢。五峰山長江大橋項目的4D-BIM云平臺技術集成應用正是對BIM發展模式的一次嘗試與探索。五峰山長江大橋是千米級公鐵兩用懸索橋，規模大，技術復雜，施工難度高，對項目管理要求高，傳統施工管控模式難以滿足大橋的施工管理需求。將BIM技術引入大橋建設，針對大橋構件多、場地復雜、安全質量突出等需求，以4D-BIM云平臺為依托，實現了實時動態進度管理和施工模擬、跨平臺質量與安全精細化管理、三維技術交底、鋼梁信息化管理等核心應用。應用結果表明，4D-BIM綜合應用切實提高了橋梁施工管理的信息化水平，提升了施工效率、安全與質量，為橋梁建設的BIM技術應用提供了新的方法和應用示范。