優化設計筑基礎 降本增效譜新篇

文｜王鑫 解莎莎

圖1 巴更大橋橋型布置圖

隨著人類社會科學技術的不斷發展及信息化程度的不斷加深，信息技術在制造業、金融業等行業的有效應用，極大地提升了這些行業的生產率，而作為國民經濟支柱產業的建筑行業，其信息技術的使用仍處于較低水平。在建筑業生產效率沒有得到本質改善的同時，建筑項目卻變得更加復雜。建筑行業內形成一致共識認為必須采取有效的信息化手段提高建筑業的生產效率，擺脫以往粗放無序的生產模式。

近年來，BIM 技術作為一種領先的信息化手段，不論在國內還是在國際上都得到了飛速的發展，其影響也越來越廣泛，特別是在 “十二五”期間，國家明確提出要加快建筑信息模型(BIM)、基于網絡的協同工作等新技術在工程中的應用，推動信息化標準建設，建筑施工行業迎來了信息化建設的新高潮。目前，BIM 技術在國內大中型房屋建筑項目中成功應用的案例越來越多，取得了巨大的經濟效益和社會效益，但在橋梁工程施工組織與管理中的應用尚處于探索階段。

橋梁工程作為交通土建工程的重要分支，它是構成公共交通系統的重要結構物，橋梁承受行車動荷載、受力復雜，結構上異形構件多，而且在施工過程中往往易受復雜環境條件制約，施工工藝特殊、施工裝備眾多、施工質量要求高、施工難度大。傳統橋梁工程施工組織模式往往采用“人海戰術”“定人定點”的管理方式，質量管控的好壞完全依賴于現場管理人員個人的經驗及能力；橋梁工程屬于線性工程，施工戰線長，如果各類施工信息、管理指令傳遞不及時，將導致各類機械設備及物料資源調動不靈活。橋梁工程施工場地狹窄，垂直運輸高度大，往往需要進行二次設計，布置大量施工輔助設施來滿足施工要求，故而發掘BIM 技術在橋梁施工領域的深入應用，建立基于BIM技術的項目管理信息整合與發布平臺，推行基于網絡的施工生產協同組織新模式，對于改善傳統橋梁施工管理粗放無序，施工隨意性大的現狀非常有利。

工程概況

廣西百靖高速公路的修建響應了國家西部大開發戰略，大力發展西南縱深山區基礎設施建設，是廣西地區“四縱六橫三支線”高速公路網的重要組成部分，對改善革命老區交通條件，增進區域經濟合作往來具有重要戰略意義。

巴更大橋是廣西百靖高速公路全線唯一一座跨越既有鐵路線的橋梁，橋址處屬碎屑巖區，沿線多維峰叢洼地，地質條件復雜，綜合施工難度極大。橋梁主跨跨越德田鐵路線，鐵路通行對懸澆段施工造成干擾；施工場地狹窄，橋梁預制場地布置困難，T 梁預制及架設施工無法依常規方法實施（如圖1）。

巴更大橋計算行車速度為100Km/h，荷載公路Ⅰ級，橋寬整體式 12.75m。橋孔布置為：6×30+5×30+5×30+(35+60+35)+ 30m， 全 橋共分5 聯，跨鐵路段采用（35+60+35）m 單箱單室截面預應力混凝土連續箱梁鋼構體系，掛籃懸臂澆筑施工；其余采用30m 裝配式預應力混凝土連續T 梁，先簡支后結構連續體系。

巴更大橋全橋混凝土總圬工約2.2 萬方；鋼筋約為3500 噸，土石方開挖約6200 方。橋梁施工過程結構體系轉換多、橋梁施工步驟多、質量控制因素多、控制難度大。

在巴更大橋建設施工管理過程中引進BIM技術，并推行以BIM 技術為核心的綜合項目管理方法，依托協同管理平臺，系統管理員根據各專業分工建立庫文件，項目BIM 人員在施工前完成巴更大橋信息模型的搭建，并且在施工過程中不斷錄入施工過程追溯性信息。業主、監理、設計院、施工單位可在PW 平臺隨時查看處理權限內允許查看的項目進度、施工情況、信息反饋等內容，

中冶天工集團采用BIM 解決方案，以MicroStation 作 為 基 礎 設 計 平 臺， 應 用AECOsim Building Designer、BridgeMaster、GEOPAK 等專業模塊建立三維模型，采用ProjectWise 作為數據管理平臺，托管項目工作環境并實現數據協同共享；采用Navigator 軟件進行模型發布及碰撞校驗，對大型項目模型輕量化處理。通過各軟件的功能實現巴更大橋工程的BIM 建模、工程應用等工作。

BIM 團隊建設及BIM 技術應用

圖2 巴更大橋BIM 團隊組織架構

圖3 通過BIM 模型協同施工各參與方

圖4 巴更大橋施工段三維地面模型

巴更大橋建設過程中，對傳統項目部人員組織架構形式及工作流程進行了較大程度的變革，除設置工程管理項目經理負責對工程施工管理實施之外，另設置BIM 技術應用經理一名，負責BIM 技術在本項目施工管理過程中的開展及應用，同時增設BIM 小組作為“四部一室”的連接紐帶。傳統“四部一室”為執行層，提出施工管理及BIM 技術應用需求，BIM 小組為“四部一室”進行施工管理提供必要數據信息支持（如圖2、3）。

建立三維地面模型及施工場地布置。施工現場采用GPS 測量施工線路的地形坐標信息，根據現場勘測結果，利用GEOPAK 軟件提取測繪數據信息，如DWG、DGN 格式的高程、等高線、坐標等數據；模型涵蓋了坐標、高程、洼地、地面起伏等施工難以控制的地理特征。GEOPAK 提供了方便的數據讀取功能，通過生成的數字地面模型（DTM）可以進行土方開挖的設計、算量等。本工程地處峰叢洼地，高邊坡開挖、高填方施工段比較多，在GEOPAK 軟件中，通過開挖前后的測量數據生成地模，通過地模相對地模的方法能精確計算出土方開挖量、回填量、平衡量，極大地方便了施工規劃及路基開挖、回填施工算量（如圖4）。

由于巴更大橋所處的地理特征原因，施工現場各類設施布置十分困難，本項目利用三維數字地面模型進行施工總平面布置，設計多套布置方案，根據現場地形情況及方案比選結果確定在橋梁1#墩～7#墩左側設置預制梁場，在橋梁10#墩～14#墩右側設置項目部辦公大臨區、鋼筋加工場及木工棚，此種布置方案最為方便經濟，并且可以減少耕地占用面積。（如圖5）

我國城鎮化建設速度不斷加快，在一定程度上推動了農村房地產市場的改革。《不動產登記條例》已經得到了有效實施，但在登記集體土地不動產的過程中，依然存在著一些問題[1]。

圖5 施工場地布置

圖6 T 梁模板設計模型

深化設計

T 梁模板設計。該項目主橋采用預應力鋼筋混凝土T 型梁，由于制作要求精度高，且橫截面形式多變，綜合多方面考慮，T 梁制作采用定型鋼模版。鋼模板的拼接采用多段式，為了便于橫坡調整，采用可調整的支撐螺桿來實現翼緣板的坡度。項目考慮到T 梁制作工藝的關鍵性，為保證施工質量，采用MicroStation軟件對T 梁定型鋼模板進行深化設計，模板構件采用定型化，對面板、背筋槽鋼、模板支架、橫坡調整支撐螺桿、橫隔板等建立構建模型，模型精準，且結構合理。模板制作加工準確，且符合規范要求模板平整度，減少制作誤差。（如圖6）

圖7 提升站模型設計

山嶺地區的T 梁運輸是本項目的施工難點之一，由于地形復雜，常規運輸車輛無法運梁，因此采用AECOsim Building Designer 軟件進行方案設計，在梁場與橋梁墩柱之間采用一種垂直運梁的提升站方式進行施工。成功解決了預制梁場場地狹小、周邊地形情況復雜情況下的T 梁運輸問題。提升站的架體采用鋼結構拼裝而成，通過AECOsim 軟件的結構設計模塊，可以方便快捷的調取鋼結構材料構件，如工字鋼、槽鋼、角鋼等型材，另外可以自定義添加特殊的節點構件。

根據現場實際情況，通過BIM 方案模擬，在方案設計階段發現提升架的寬度寬于梁板吊裝孔的寬度，為解決此施工問題，BIM 人員利用AECOsim 軟件設計添加在T 梁兩端用于垂直起吊的提梁扁擔。通過精細化建模，并動畫模擬鋼絲繩穿過吊裝孔、牢牢套住T 梁的兩端并將鋼絲繩兩端與鋼扁擔連接、插銷子固定的施工過程，確保T 梁平穩提升，解決了提升站提升架梁的技術難題。

安全防護設計。本工程跨鐵路線施工段采用懸澆施工法，懸澆段0#塊施工時，由于施工高度距離地面30 多米，安全施工是確保工程順利進行的前提條件，本項目利用BIM 技術對0#塊采用三維建模手段，合理設計了施工平臺及防護欄桿、臨時施工樓梯的空間布置，并驗算符合安全要求。

跨越鐵路線橋梁施工段為避免對列車行駛造成干擾，同時避免鐵路接觸網高壓電壓（2.75萬伏）對掛籃施工的影響，確保通車及施工安全。本項目通過BIM 技術設計在跨線區域設置沿鐵路線的安全防護棚，對鐵路線路實現封閉式防護。防護棚采用混凝土基礎、鋼管支撐柱，頂棚設置絕緣材料，充分保障了施工及通行安全。

施工模擬主要體現在工序及工藝兩方面，為保證工程質量，本工程以BIM 技術為依托，采用工序、工藝模擬施工進行三維技術交底，利用MicroStation 軟件的三維可視化功能進行三維動畫模擬。由于T 梁制作工藝復雜，而且T 梁的質量好壞直接影響橋梁結構穩定性、安全性和美觀性，故T 梁制作質量控制需做到精細化；架橋機架梁施工是本工程質量控制的重點，提高T 梁架設精度、架橋機行走移動的安全控制等，通過BIM 技術將工程施工中可預見的和不可預見的問題進行三維施工模擬，為項目提供了極大的技術支持。

動畫模擬是通過模型元素得以實現，模型建立采用AECOsim 軟件。首先通過三維精確定位來確定模型相對位置關系，再建立預制梁場、龍門吊、天車、T 梁、模板、橋臺、墩柱、架橋機等三維模型。T 梁鋼筋模型采用ProStructures 軟件完成鋼筋的布置，當各素材文件建立完成后進行動畫編輯；MicroStation提供了一套完整的動畫編輯器，通過簡單的操作可以實現動畫制作效果。本工程根據施工工藝及工序定義素材角色，利用關鍵幀編輯角色動畫時長，動畫編輯完成后，可通過軟件的輸出功能直接輸出視頻，也可渲染輸出圖片序列，通過第三方軟件生成視頻效果。

工程量統計

本項目橋梁采用BridgeMaster 軟件建立模型，通過信息模型，巴更大橋施工實現了材料量精確控制、材料預提、過程控制、結算等方面全部在BIM 信息模型基礎上進行。模型搭建完成后，即可實現工程量輸出。

在施工管理過程中可以通過模型信息處理，對鋼筋進行編號，鋼筋報表控制材料進場量，減少浪費及材料過載堆放，鋼筋下料、制作可以根據數據庫實現精確施工。混凝土材料量統計精準高效，施工前輸出即將澆筑部位混凝土量，合理計劃每次澆筑方量，避免不必要的材料損耗。

圖8 跨鐵路線懸澆段安全防護棚設計

圖9 T 梁預制施工模擬

在經營算量方面實現了快速提取、快速輸出工程量清單，包含工程量、供貨方、施工方、進場日期、施工日期、型號等，清單內容詳細且與工程聯系緊密，形成了系統化的數據庫，有助于項目風險管理、外包采購管理、溝通協調管理等多方面。

基于BIM 模型的施工過程質量驗收管理

圖10 架橋機架梁施工模擬

在巴更大橋施工中，中冶天工集團有限公司發揮BIM 技術優勢全過程采用信息化管理模式。以BIM 模型為數據信息載體，三維模型整合集成施工管理必要信息，最終發布在ProjectWise 服務器，項目參建方依據各自權限，實時調用信息模型、提取信息。通過PW 平臺，保證“一個模型，各方通用”，從而確保施工信息傳遞的一致性，實現高效協同作業。

在每一部位施工之前，先由BIM 小組利用BIM 建模軟件根據施工圖紙建立BIM 模型，建模過程中施工圖數據信息就集成于三維模型中，并且還可以根據施工需要，方便的為橋梁施工部位定制添加各類施工信息。施工員可以利用模型生成構件信息表，甚至可以很方便的利用手機、IPAD 等便攜設備現場調用模型，查閱施工信息，從而提高工作效率，避免誤查、漏查等情況的發生。

圖11 利用IPAD 等手持設備現場調用模型

構件施工完成后，利用模型超鏈接功能，對施工過程中如鋼筋、混凝土批次、施工時間、工序驗收等追溯性信息進行二次錄入，對每一個施工部位進行標簽化管理，建立構件施工過程管理檔案，實現了施工過程動態管理，每個施工環節都可以追溯，當施工出現質量問題時，可以隨時分析查找問題原因，切實提高施工質量。

本項目通過BIM 技術的應用，對構件進行了優化設計，項目實施全過程通過模型屬性信息進行管理，改變了傳統的管理模式，從而提高了項目施工效率，節約了大量施工成本。并對構件采用cell 單元庫管理模式，形成了系統的數據庫文件，方便模型調取。

同時，BIM 技術為項目提出最佳的優化設計解決方案，通過模擬施工、精確算量，為項目決策層提供可靠的技術依據，本項目僅在巴更大橋T 梁垂直提升架設一項上，節省經濟效益15 萬元，工期縮短56 天。本項目以BIM 技術為依托，其中蓋梁施工、一種山區橋梁梁體模板、養護噴淋系統、掛籃移位裝置、跨鐵路防電棚等獲得了六項專利授權；“山嶺地區復雜地質高速公路工程綜合技術研究與應用”榮獲2013年度中國施工企業管理協會科學技術獎科技創新成果二等獎；“大型橋梁蓋梁抱箍法施工”獲得了冶金行業部級工法。