基于BIM技術的市政工程智慧建造技術研究

羅利 袁弘毅 李巖松 劉欽佩 王偉

文章研究了BIM 技術在大型市政工程施工中的應用方法，探索BIM 技術在市政橋梁、城市綜合管廊工程智慧建造中的應用與實踐。采用 Revit軟件建立了橋梁及綜合管廊模型，應用Midas Civil進行結構分析，利用TEKLA軟件進行橋梁鋼結構深化設計，并采用Navisworks軟件進行了施工模擬及軟硬空間碰撞檢測等。創新開發了聯動鋼構件精加工技術，模擬全橋現場拼裝過程，保證施工安全可靠。采用BIM+高精全站儀的空間測量模式，提高了測量精度及測量效率。通過BIM技術在市政橋梁與管廊施工中的成功應用，積累了市政工程智慧建造成功經驗，為類似工程提供參考。

BIM; 市政工程; 綜合管廊; 景觀橋梁; 智慧建造

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[定稿日期]2021-03-12

[作者簡介]羅利（1978～），男，本科，高級工程師，從事市政道路、橋梁方面的技術管理工作。

大型市政工程具有點多面廣、專業分項多、工程總占地面積大、施工分散、工程量大、工期緊等特點，同時需與城市景觀相協調，營造美好環境，為此對市政構筑物的施工建造提出了更高要求。BIM（Building Information Model，三維建筑信息模型）是以三維數字技術為基礎，集成了建設工程項目各種相關信息的工程數據模型[1]。通過三維建筑模型，可實現工程監理、物業管理、設備管理、數字化加工、工程化管理等功能，被業界視為繼CAD 之后建筑行業的第二次革命[2]。BIM 技術在建筑領域起步較早，且已取得了一定的成效，但在市政工程領域的應用和研究卻相對較少。本文結合天府新區創意路等五個項目中蠟梓路跨貓貓溝橋、科智路跨貓貓溝橋、科學城北路東段跨鹿溪河大橋及大型多艙綜合管廊工程探索BIM技術在市政工程智慧建造的應用實踐。

1 工程概況

天府新區創意路等五個項目，位于成都市天府新區，工程包括市政道路、景觀橋梁、綜合管廊等，道路全長4 871 m，景觀橋梁共三座。其中上承式空腹鋼筋混凝土五跨連續拱橋位于興隆湖東側貓貓溝濕地公園，橋梁長315 m，寬40 m，采用鋼筋混凝土擴大基礎。橋梁與貓貓溝河道景觀融為一體，與公園城市、人文情懷和融統一盛景（圖1）。

科智路跨貓貓溝橋為水滴形拱梁分離系桿拱橋，橋梁全長160 m。橋梁主橋為拱圈凈跨2×65.666 m的水滴狀異型鋼箱系桿拱橋，主拱肋為異型變截面拱圈，兩側拱圈在拱頂交匯后繼續往下彎至橋面處交匯，形成水滴狀（圖2）。

魚腹式雙曲面鋼結構智慧生態大橋大橋位于鹿溪智谷濕地公園內，跨越現狀鹿溪河景觀帶，大橋長390 m，寬43～49 m，橋梁采用變高變寬魚腹式雙曲面鋼結構，平面為弧線布置，橋墩采用Y型圓弧橋墩，共分為9跨。橋面設置休憩觀景空間，流線型的設計如行云流水一般，簡潔輕盈，與鹿溪智谷景觀形成完美和諧的統一（圖3）。

科學城北路東段綜合管廊總長3 913 m，最大截面為15.2 m×4.35 m，目前為全國最大斷面單層多艙綜合管廊。分別有單艙、兩艙、三艙、四艙和五艙5種斷面，包括天然氣艙、綜合艙、高壓電力艙和雨污水艙等4種艙體。

2 項目重難點

（1）管廊施工場地范圍廣，土方挖填量大，預埋件數量多、預埋件安裝精度高。

（2）水滴形拱梁分離系桿拱橋結構形式全國首創，鋼箱梁體量大加工制作精度要求高，水滴拱多點定位同步合龍安裝難度大。

（3）五連拱拱橋原設計施工順序不合理，拱肋在懸臂狀態下澆筑上部掛梁，豎向荷載、水平推力大，對支架力學要求高。

（4）現場施工障礙多，地塊交叉施工多，進度管理難度大。

3 BIM技術在大型市政工程智慧建造中的應用

3.1 BIM工作組織與策劃

（1）BIM實施范圍：以三座景觀橋梁、科學城北路東段管廊管廊模型為載體開展項目的BIM綜合應用與實踐。

（2）應用目標：通過發現圖紙問題、工程量分析、碰撞檢測、工藝模擬、場地模擬等BIM技術的應用，以數字化、信息化和可視化的方式提升項目建設水平，做到精細化管理。同時，以項目為試點，培養企業BIM人才，組建優秀BIM團隊。通過BIM系統的部署，建立配套的管理體系，包括BIM標準、流程、制度、架構、競爭體系等。

（3）組織結構：項目設1名BIM負責人，負責管理BIM土建組、BIM機電組、BIM造價組、協同平臺組四個小組。

（4）軟硬件配置：配備BIM臺式電腦2臺，筆記本電腦2臺;軟件主要分為BIM建模軟件、BIM應用軟件、協同應用平臺三大類，具體配置如表1。

3.2 BIM應用實踐

BIM技術的應用主要體現在兩個方面：其一，模型搭建展示。其二，施工流程優化管理。橋梁工程及綜合管廊施工中的應用的主要內容包括三點，分別是三維建模、場地布置以及施工模擬[3]。

3.2.1 模型創建

在三維建模中，BIM人員以工程設計圖紙為依據，搭建三維立體模型[3]。通過創建三座景觀橋梁、科學城北路東段管廊管廊模型及相應的項目場地布置模型，依據模型對橋梁工程及管廊工程的整體結構以及工程占地情況進行充分掌握。其中水滴形拱梁分離系桿拱橋上部結構建模精度須達到LOD400，其余二座景觀橋梁、管廊與場地模型精度須達到LOD300。項目模型劃分為土建模型、機電模型、鋼結構模型（圖4）。

3.2.2 BIM基礎應用

3.2.2.1 圖紙審查

對于復雜橋梁、大型綜合管廊等結構物，在設計時往往由于各分項工程設計師之間溝通不夠及時充分，導致出現相互之間的碰撞問題。因此，圖紙審核是復雜結構施工中的重點內容。采用BIM技術可以大大提高施工圖審核的效率和效果，通過BIM模型在建造前對各分項工程的碰撞問題進行協調分析，生成碰撞數據，使得設計與施工緊密結合。通過科學城北路東段跨鹿溪河大橋BIM模型，發現圖紙重大問題3項，與設計及時溝通并得到支撐，減少施工損失27萬元，如圖5所示。

3.2.2.2 模型深化

根據模型的使用范圍采取建立不同精度的模型，確定各類別構件拆分要求和精細度要求，避免過度建模。通過管廊全專業模型的建立，提前發現土建、機電碰撞問題;針對管廊預埋件安裝精度高，深化預埋件安裝圖紙，確定每一個機電支架位置，保證其安裝精度。五連拱Y型墩柱至下而上每根環形箍筋尺寸都在變化，利用BIM模型對箍筋逐根放樣，確保箍筋尺寸精確。魚腹式鋼結構橋異型墩柱采用定型鋼模板，鋼模板在加工過程中采用BIM模型進行了輔助放樣，有效提高了模板尺寸的精確性（圖6）。

3.2.2.3 BIM+無人機應用

管廊施工存在區域線路長，周邊既有道路少，工期緊張，多點同時開工等難題。在管廊施工前，使用高精度無人機采用傾斜攝影技術，對地形、地貌進行勘測，測定原始高程數據，進行實景建模，對模型進行抓取，明確場地平整挖填方量，選取最優施工便道，提高測量工作效率。采用無人機傾斜攝影技術，結合BIM模型，突破時空限制，實現未來產品與現狀地形的無縫對接，優化臨設布置和設計方案（圖7）。

3.2.2.4 三維場地布置

管廊區域現場施工障礙多，拆遷工作量大，地塊交叉施工多，施工場地狹窄，利用三維模擬周邊環境與項目部的空間關系，綜合考慮場地布置的制約因素。合理規劃項目部、鋼筋加工棚、安全體驗區、1∶1地下綜合管廊模型區等區域，最大限度地滿足文明施工安全生產要求（圖8）。

3.2.2.5 三維可視化交底

綜合管廊進行1∶1三維建模，通過BIM模型對各預埋件、各部位進行詳細展示，現場工人可按此施工;對科智路跨貓貓溝拱梁分離系桿拱橋，橋面吊裝進行動畫演示，工人對橋面拼接順序進行掌握，提供施工時的溝通效率。通過BIM模型對各預埋件、各部位進行詳細展示，對現場管理人員進行技術交底。

3.2.2.6 協同平臺

將橋梁工程、綜合管廊工程等BIM模型集成于該平臺，由技術、工程、質量、安全等多系統在施工全過程實施BIM協同管理[4]（圖9）。

3.3 基于BIM技術的創新與實踐

3.3.1 聯動鋼構件精加工

科智路跨貓貓溝拱梁分離系桿拱橋，其結構形式為全國首創，空間異形節點結構復雜，對其施工圖進行深化，依據深化圖紙進行鋼構件精確加工下料，使構件加工和安裝精度滿足要求。

（1）基于建立的LOD400Revit模型導入3DS Max進行可視化模擬，后場加工和現場安裝人員進行充分討論和規劃精加工技術路線，發現錯漏并避免材料浪費（圖10）。

（2）利用BIM模型導入Midas和Ansys進行有限元分析，完成成橋階段內力和應力驗算，以及重要節點受力分析，保證鋼構件拼裝方案的合理性和實施過程安全（圖11）。

（3）有限元軟件分析過程結果反饋回BIM模型進行深化設計，采用學思自動套料軟件實現加工精準提料，結合SigmaNEST軟件數控技術對鋼構件進行精加工。

（4）模擬全橋現場拼裝過程，保證施工順序安全可靠（圖12）。

3.3.2 基于BIM技術的漸變截面斜鋼拱精準測量

水滴型拱屬于漸變截面，且多肋交會合攏到中間水滴結構，測量精度要求高，采用傳統的坐標系-投影測量方式無法滿足精度要求，且效率低下。為保證測量精度及提高測量效率，在測量過程中采用BIM+高精全站儀的空間測量模式[5]。主拱結構利用CAD 3D3S將曲線方程控制的斜拱軸線擬合，再根據設計提供的數據參數化建立漸變截面雙曲五邊形斜拱弧形輪廓，模型與設計建筑模型合模修正。并根據施工過程的荷載參數增加預拱值，得到主拱結構施工控制模型。

3.3.3 五連拱拱橋施工方案模擬

原設計施工順序為從墩頂向兩側對稱施工三分之一拱肋的“Y”型澆筑方式，然后在拱肋懸臂狀態下直接施工掛梁，最后再合攏拱圈。該設計方案要求拱肋支架必須一次性搭設完畢。而拱肋及掛梁荷載對支架要求極高，任何變形及沉降均會使拱肋提前受力導致開裂，影響結構安全。通過Revit模型接入MidasCivil進行方案比選分析[6]，決定采用先合龍完整拱，再施工頂部掛梁的施工順序（圖13）。

反復施工模擬后確定如下施工順序：

（1）下部結構澆筑，增加橋墩回填土高度以提高橋墩側向抗推能力防止拱腳在施工中因非對稱力而破壞。

（2）回填土表層硬化，逐層搭建盤扣式腳手架，搭設模板，沿兩側橋墩向中間分段澆筑混凝土，合攏成拱。

（3）拱圈上縱向間距預埋鋼筋，然后澆筑“臺階狀混凝土”，為掛梁支架的施工提供可靠水平支撐面，以保證施工安全”。

（4）搭建掛梁支架，依次鋪設工字鋼、圓鋼管、方木和模板，并澆筑掛梁混凝土，直至完成全橋。

優化工序后拱肋先合攏形成穩定的拱圈結構，有效規避結構安全風險。原方案所需的支架體系需一次性投入約5 000 t，工序優化后先形成拱圈，可單跨組織施工，支架體系多次重復周轉使用，減少支架投入約1 700 t，效果顯著。

4 結束語

該項目包含了典型市政項目的所有特征，施工范圍內障礙物多、施工區域狹窄、工期緊、文明施工要求高等。利用無人機技術與三維場布模型對施工便道、施工場地合理規劃解決了施工區域狹窄等問題。利用仿真分析與數控加工等手段解決了系桿拱橋拱肋吊裝分段劃分以及異形鋼構件精加工難題，節約了鋼材并保障施工安全;利用仿真分析驗證五連拱拱橋調整的施工方案，以此作為支撐確保了方案可行性。通過BIM技術的應用，大量減少了綜合管廊機電安裝管道、設備之間的碰撞，提高了橋梁鋼結構加工制作精度。項目實施中全過程質量安全在線管理，極大地提高了施工效率，通過BIM管理節約成本237萬元，節約工期60 d。

參考文獻

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[2] 張建平，李丁，林佳瑞，顏鋼文.BIM在工程施工中的應用[J].鐵道標準設計，2012，41（371）：10-11.

[3] 藺文峰.基于BIM技術的橋梁可視化施工應用探討[J].人民交通.2018（14）：55-56.

[4] 趙洋帆.BIM技術在城市綜合管廊建設中的應用探討[J].建材發展導向，2019（5）：188.

[5] 謝興定，王振宇.高速鐵路系桿拱橋BIM技術研究[J].價值工程，2018，37（18）：163-165.

[6] 陳家勇，賴亞平，肖奎等.景觀橋梁BIM設計及應用實踐—以合川渠江景觀大橋為例[J].公路工程2018，43（6）：102-107.

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