BIM技術在特大鋼管拱橋施工中的應用

蔣贛猷， 羅偉， 孫輝， 唐雁云

(廣西路橋工程集團有限公司， 廣西 南寧 530000)

當前，BIM技術已在國際上成為了項目管理的一種重要手段，美國等一些發達國家已相繼采用BIM技術對項目實施管理。隨著中國交通基礎設施建設的不斷發展，橋梁作為基礎設施建設中的關鍵節點，對設計、施工、管理各方面提出了更高要求，在橋梁施工過程中充分應用信息化技術也已成為發展趨勢。大跨度鋼管拱橋工程區別于一般的建筑工程，不僅造型復雜、構件精度要求高、施工難度大，且建造過程涉及到多項復雜工程，施工環境復雜多變，甚至存在安全風險。因此，應將BIM技術與橋梁工程有效結合，在傳統的橋梁工程項目上尋求新突破。該文以平南三橋為依托工程，在項目施工階段引入BIM技術，研究BIM技術在拱橋施工過程中的應用，實現橋梁建設過程中的信息傳遞，加快施工技術和項目管理模式的升級，保障橋梁施工的質量和安全。

1 工程概況

平南三橋為廣西荔浦至玉林高速公路平南北互通連接線上跨潯江的一座特大型橋梁，位于平南縣西江大橋上游6 km處。平南北互通連接線起點接平南北互通立交收費站，經沙坪頂、遙望、牛角塘、獨田、上平田、新屋后，在潭垌處跨越潯江，終點位于九座屋，與平南縣規劃西外環相銜接，地理位置如圖1所示。

平南三橋主橋跨徑575 m(凈跨徑548 m)，為中承式鋼管混凝土拱橋(圖2)，北岸引橋上部采用(40+60+2×35) m現澆預應力混凝土連續梁橋，南岸引橋采用(50+60+50)+(3×40) m現澆預應力混凝土連續梁橋，橋梁全長1 035 m，其中南岸拱座設計為擴大基礎，北岸拱座為地下連續墻基礎。

圖1 地理位置圖

圖2 橋型布置圖(單位：m)

2 建立三維模型

搭建橋梁三維立體模型，是BIM技術在橋梁施工過程中的初步應用，該項目以設計施工圖為基礎數據源，使用軟件進行參數化建模，模型精度達到LOD300級別，符合施工圖設計深度要求，為后續BIM技術應用和精細化建模提供了基礎，橋梁三維模型如圖3所示。

通過無人機傾斜攝影采集現場地理數據，對施工場地原始地貌拍照，得到帶有拍攝時經緯度、海拔高度、拍攝姿態(角度)等POS信息的照片，將照片導入Photo scan軟件中處理成可導入Civil 3D軟件的三維點云數據，用Civil 3D軟件生成施工階段測量曲面，對生成的兩種曲面進行體積計算，得到相應的挖方量、填方量和凈挖方量，將填方量和挖方量之差控制到最小值，達到土石方平衡計算量精確和降本增效的目的。再將施工圖設計階段模型導入處理好的地形模型中，形成BIM+GIS模型，真實還原現場建設情況。

圖3 橋梁三維模型

利用無人機拍攝施工現場和項目經理部，制成720全景，幫助管理人員全面了解施工現場、項目經理部場地布置和施工情況，并根據后續施工要求，建立相應級別精度的模型，方便施工管理。

3 工程量統計

BIM平臺以三維建筑信息模型為基礎，可直接計算得到建筑構件的物理量數據，為之后導出工程量清單打下基礎，讀取并計算該數據進而統計出材料用量，得到各子項的工程量清單及項目特征信息，極大地提高了各階段工程造價計算的效率與準確性。主要實施過程包括在施工作業模型基礎上，加入構件項目特征、參數化信息及相關描述信息，并完善成本信息，利用BIM軟件獲取施工作業模型中的工程量信息，并作為建筑工程招投標時編制工程量清單和招標控制價格的依據，同時也作為施工圖預算的依據。如格子梁工程量統計如圖4所示。

4 虛擬仿真漫游

(1) AR三維可視化交底

基于高精度的BIM模型，開展增強交底應用工作，利用AR技術將BIM模型與施工圖紙結合生成手機端APP-Unity，在移動端安裝并打開該APP，掃描圖紙即可在移動端看到復雜構件的三維模型，施工人員在加工過程中，可隨時掃描二維圖紙調出樣板構件的三維模型，疊加于實際施工部位，將現場加工構件與三維模型進行對比，實現精準交底。通過AR技術將傳統的施工交底從二維形式升級到三維形式，大大提高了交底效率和加工精度，減少了工程返工和施工構件的尺寸誤差。

圖4 格子梁工程量統計

(2) VR虛擬現實體驗

利用VR技術，結合BIM模型實現建筑施工可視化、模擬性、優化性，可幫助施工方預先模擬施工過程，使用建造的虛擬環境對工人進行安全教育，例如VR安全教育體驗館，根據現場實際情況布置場景內容，場景內環境真實，真實還原施工現場，從感知到交互，從學習到理解，讓一線施工人員“有意識”避開工地現場危險源，減少傷亡傷害。

(3) 720全景三維可視化交底

基于無人機航測拍攝的現場航拍圖制作出720云全景，結合720全景技術對BIM模型進行處理，管理者無需親自到施工現場，通過手機端掃描二維碼或網頁鏈接即可瀏覽項目全景，清晰傳達環境效果，帶來全新的真實現場感和交互式感受，提高了工程管理效率，實現了在不同場景三維可視交底的作用。平南三橋720云全景如圖5所示。

圖5 平南三橋720云全景

5 4D施工模擬

利用Fuzor、Navisworks等軟件，根據施工組織安排的施工計劃進行時間安排，在已經搭建好的模型基礎上加上時間維度，分專業可視化進度計劃，將傳統施工進度計劃與BIM模型進行整合，對關鍵節點、工序在BIM平臺上事先模擬施工過程，制作三維動畫視頻，加之可視化交底，以4D的形式直觀反映在視線中，讓項目管理人員清晰了解整個工程進度安排，及時發現每個環節的重點、難點，制定并完善合理可行的進度計劃，一方面可指導現場施工；另一方面為建設、管理單位提供非常直觀的可視化進度控制管理依據，保證整個項目實施過程中人力、材料、機械安排的合理性，以最佳的效果把施工工藝傳達給施工人員，降低溝通的時間成本，縮短工程工期，提高工程質量。

施工模擬的主要實施過程為：將整體工作按照分部分項、工序依次分解，關聯到施工過程模型，將進度管理相關資源附加到模型上，并關聯進度計劃，進行對比分析，最后將分析結果與前期的項目管理目標進行比對，若有偏差逆向修改資源配置直至滿足要求，最終形成施工計劃模擬演示文件和施工進度控制報告。

6 BIM平臺應用

BIM平臺作為項目協同管理平臺，在BIM模型的基礎上，通過手機端、web端使用平臺進度管理、質量管理、安全管理、文明施工、文檔管理、監控監測等模塊進行項目管理，可直觀、快速地了解各分部分項的施工進度、施工事件以及施工資料，實現項目運轉高效管理。

6.1 進度管理

通過平臺web端錄入進度計劃，并與BIM模型相關聯，將施工資源和場地布置信息集成一體，對施工階段中的工程進度、人力、材料、設備和場地布置進行動態集成管理，按現場填報的實際工程進度通過不同顏色在電子沙盤上顯示對應的分項BIM模型，并在系統后臺自動生成整個項目的實際進度，現場管理人員可通過移動端實時填報構件生產、施工狀態，在平臺上直觀了解項目進展情況，把控項目進度，實施進度管理，同時在進度計劃的基礎上，關聯產值信息，管理者利用平臺可了解到本季度或下一季度的產值情況，幫助其制定實施月或季度投資計劃。圖6為BIM平臺施工進度管理界面。

圖6 施工進度管理

6.2 文檔管理

項目管理人員將文件、圖紙、施工資料上傳至項目管理平臺歸檔，與BIM模型進行關聯，通過模型快速查找到與構件相關的施工資料，實現多人同時查看同一文件和構件信息、施工資料一體式管理(圖7)。

該項目管理平臺采用最新的國家規范版本，并按照最新規范制作表格，內置劃分模板，根據單位、分部、分項工程進行劃分，填表階段可顯示流程流轉狀態(啟動、待辦、審批、歸檔)，支持資料網上填報、線上審批和快速搜索查找，擁有清晰的結構樹劃分工序，并精細至工序級，簡單明了，可與BIM模型的信息接口對接，自動提示不合格數據及缺少的表單，定時或退出系統時自動保存。

通過內置劃分模板、與規范數據自動對比、數據引用智能高效、填寫范例等大大降低內業資料編制工作量與難度，建立統一的表格體系、工序用表、簽轉流程、填寫要求、工程結構分解等標準化管理體系，從工序檢驗資料中自動抽取評定所需的數據，大大減少評定工作量，由原來的事后管控模式變為過程控制，隨時能監管文檔進度與質量情況，確保滿足“三同步”管理要求。

6.3 監測管理

由于現場監測數據體量龐大，對于數據的采集、整理歸檔存在一定的滯后性，可通過將放置于地連墻、拱座等特殊部位的監測設備與BIM平臺進行對接，實現監測數據實時更新、管理，即時報警，快速反應，及時掌握施工現場情況，并對進度計劃和施工現場問題及時討論，制定解決方案，掌控施工進度和質量。圖8為梁橋南岸拱座基礎溫度監測。

圖7 文檔管理

圖8 南岸拱座基礎溫測結果

6.4 監控管理

為實現對工程問題的實時跟蹤，杜絕安全隱患，將建設項目南岸、北岸以及拱肋加工廠的監控視頻對接上BIM云平臺，通過平臺實時查看現場施工情況，了解施工進度，進行安全事件追蹤，如對項目某處蓋板涵安全圍欄、安全標識牌缺失的安全事件，安全員拍照上傳到平臺并文字說明詳情，推送至相應經辦人進行解決，再推送至督辦人檢查是否按要求整改，最后由驗收人驗收整個事件，從而實現現場安全問題的處理閉合，同時也可預防質量安全事故發生，達到規避風險的目的。

6.5 移動端應用

通過移動端或web端查看相應構件的開工時間、混凝土澆筑時間等關聯信息，采集現場數據，項目現場管理人員通過創建質量、安全事件，將照片、視頻、整改通知單等內容上傳至管理平臺，結合相應的附加說明，可快捷高效地對施工質量、施工安全進行管理，使管理者對問題的位置及詳情精準掌控，及時統計分析，確定糾正措施，既保證施工順利進行，也利于業主對整個施工過程的質量問題進行透明化、痕跡化、可追溯和閉合型協同管理，并通過BIM施工管理平臺將質量事件生成施工日志，避免了手寫施工日志或回憶錄的情況，采用手機電腦同步處理，對關鍵節點進行可移動化操作管理，使工作更高效。同時通過基于平臺實時量化反映勞務班組的履約及信用情況，大幅度提高勞務隊伍工作的積極性及主動性，如圖9所示。

圖9 移動端管理

6.6 電子沙盤

通過國家地理三維坐標導入谷歌三維地形+無人機采集地形+BIM模型，基于BIM+GIS的建設信息集成平臺，項目各方均可在平臺內傳遞和共享信息，各參與方協同作業，通過分析模型信息和地理環境要素，定位橋梁位置，展示無人機航拍的工地現場施工現狀，實現項目全線三維效果展示和施工工程分標段、分工區監控，展示窗內的所有工程均可三維拖動展示。在項目工程中，歸集分析包含項目周邊水文、地質、環境、交通等的設計和施工信息，完善了傳統電子沙盤信息易遺失和失真的漏洞。

利用電子沙盤，將投資計劃、工程管理、進度管理、勞務管理、試驗檢測、遠程監控、視頻會議、任務管理以及運維管理集成一體，實時更新工程信息，支持在線查看，可視化監控項目安全、進度、質量，實時把控施工過程各個節點，對建設項目施工階段的進度、人力、材料、設備和場地等進行統一管理，幫助項目部管理者指導作業隊伍建造出高水平、高質量的公路橋隧，同時通過電子沙盤與BIM結合，實時掌握工程實體進展程度。

7 結語

研究了BIM技術在特大鋼管拱橋施工管理中的應用，通過建立精細化的橋梁三維立體模型，保障了BIM可視化施工的正常進行。在項目施工階段，采用了工程量統計、虛擬仿真漫游、4D施工模擬等BIM技術，使項目管理人員能夠直觀了解整個施工流程，實現項目各參與方之間的信息共享，提升了橋梁工程項目管理的信息化水平，保障了拱橋施工質量及效率。使用BIM平臺進度管理、質量管理、安全管理、文明施工、文檔管理、監控監測等模塊進行項目管理，可直觀、快速地了解到各分部分項工程的施工進度、施工事件以及施工資料，實現項目運轉高效管理。