基于BIM 的鐵路轉體橋梁施工精細化管理

豐逍野，朱俊波，馬耀舉，董俊

（1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.中交投資有限公司，北京 100020；3.中國地質大學（武漢），湖北 武漢 430074）

0 引言

數字化信息時代下，在橋梁工程中進行數字化方案擬定與結構設計、信息化施工模擬與變更協調，精細化施工與文明管控，已成為當前橋梁工程施工大環境下的熱點問題。而BIM（Building Information Modeling，簡稱BIM）技術的高速發展，從早期的建筑領域深入到公路領域之中，為橋梁工程施工注入了新的活力。BIM 技術在方案規劃、施工、設計、管理維護等多領域都涌現了許多優秀的應用案例[1-5]，如京張、京雄鐵路轉體橋等工程BIM 應用，其內容主要圍繞于施工交底、進度模擬及工程量統計。隨著BIM 技術的深層推進，開始出現BIM 與其他技術手段的交叉應用[6-10]，如基于BIM+GIS 技術進行工程管理，實現數據集成，還可結合物聯網、云計算、計算機視覺分析等手段，解決橋梁工程中的后期運維問題。

但目前BIM 技術在橋梁工程中的應用，也表現出了一些問題。BIM 技術以其三維可視、單體模型精細為特點，多被應用于橋梁工程出圖統量及可視化交底。而橋梁工程以跨越能力為功能需求，尤其是鐵路橋梁，其施工與周邊場地環境息息相關，兩者之間是否存在侵入干擾問題目前研究甚少，導致常出現前期拆改方案模糊擬定，數據支撐較少等問題。此外，對于施工單位而言，更為注重BIM 技術在施工階段的生產管控能力，達到有條不紊的全局管理。橋梁工程推進過程中涉及工種多，導致基于各種BIM 格式文件下的多方人員之間的信息傳輸很不友好，往往出現單位之間信息變更與交互不及時，文件查看困難等問題，協同效率低，缺乏系統的平臺管理與信息數據規整。如何在橋梁工程施工管理中進行數據集成、協同管理，也是需要研究的問題。

對此，本文進行BIM 技術下的鐵路轉體橋梁施工精細化應用研究，基于BIM 技術進行橋梁與場地環境智能分析，將BIM 模型與實際施工深入結合，并通過BIM 協同平臺進行集成管理。

1 BIM 精細化施工應用集成

BIM 技術通過一個三維模型數據庫，以其可視化、協調性、優化性、模擬性、可出圖性5 個特點，能實現所有工程信息的集成。信息庫不僅能包含幾何信息，同時能集成空間狀態信息。而且即使BIM 軟件層出不窮，種類繁多，對應產生的文件就有RVT、NWC、NWF、DWG、CHE 等多種格式，但在基于統一的IFC（Industry Foundation Class）數據模型標準下，不同軟件可以共享同一數據源，從而達到數據的共享及交互。

汪軍等[11]構建基于雙“核心結構樹”構建管理平臺，根據樹形結構特點及工程建設管理特點，提出結構樹在各業務系統的應用場景及方法，有效解決公路工程建設過程中數據共享與傳遞的問題。基于上述BIM 技術的特點，通過建立三維可視化的交互環境，及橋梁結構BIM 三維模型，將工程所有信息進行集成，包含工程主體結構，場地環境信息，施工組織信息等，相互映射，相互反饋。從現實場景轉變為虛擬模型，再由虛擬模型反饋到現實工程，最終實現在BIM 協同平臺上進行系統的集成管理。為避免各種數據信息混亂及流失，在BIM 協同平臺建立BIM 數據庫框架，輸入數據，進行分類管理，設置權限查看，提高管理質量。數據庫與源模型同時實時更新，項目各方可根據需要進行BIM 數據的提取，同時，若工程推進過程中發生前后環節不匹配的現象，例如發生施工變更，或者當前設計不滿足后期運維要求，也可以錄入新的數據信息進行補充修改，并直接影響到源模型的變更，實現信息的動態化變更與儲存。圖1 為BIM 應用集成框架。

圖1 BIM 應用集成框架Fig.1 Integration framework of BIM application

2 應用實例

2.1 工程概況

本文依托京秦高速ZQ-SG-10 標段的上跨京哈鐵路大橋，位于秦皇島市山海關區古城村東側，橋下鐵路等級為國鐵Ⅰ級。其中（61+119+61）m預應力混凝土轉體連續箱梁、2×66 m 轉體T 構均為涉鐵轉體。預應力混凝土轉體連續箱梁設3 號、4 號2 座轉體主墩，轉體T 構設7 號1 座轉體主墩，其中3 號、4 號兩主墩雙向轉體85?和81?，7號墩逆時針轉體87?。轉體橋與津山鐵路下行線交角95?，與龍山鐵路下行線交角79?，與龍山鐵路上行線交角83?，與津山鐵路上行線交角89?。橋梁平曲線半徑1 600 m，其工程概況總覽見圖2。現對（61+119+61）m 連續箱梁，2×66 m 轉體T 構2座轉體橋梁，擬采用BIM 技術進行鐵路轉體橋梁施工精細化管理應用研究。

圖2 京哈鐵路大橋效果圖Fig.2 Effect drawing of railway bridge on Beijing-Harbin Railway Line

2.2 施工場地交互分析

由于轉體橋橋址位置禁止無人機飛行進行航測作業，無法使用GIS 技術進行場地地理信息采集與模擬，使該工程前期相關拆改方案擬定變得困難許多。在此情況下，僅依靠原始CAD 平面地形圖的高程信息，基于BIM 技術，結合場地環境信息，進行可視化分析研究橋梁轉體的碰撞情況，為工程的安全提供有力保障，提高施工精細化程度。

2.2.1 轉體碰撞模擬

采用BIM 設計建模軟件Sketch Up 進行橋梁上部結構建模，基于三維空間可視化定量分析梁體間的碰撞情況，對各梁體之間轉體過程中的最小間距進行三維測量，精準監控轉體過程安全情況，如圖3 所示。

圖3 轉體碰撞方案模擬Fig.3 Simulation of swivel collision

根據工程要求安排，先后對7 號、4 號、3 號轉體主墩進行轉體仿真模擬。經動態模擬分析，轉體橋梁各梁體在轉體過程中均無結構碰撞，確保實際施工橋梁轉體安全可靠，并得到對轉體橋梁（61+119+61）m 預應力混凝土轉體連續箱梁轉體角度與梁端最小間距關系曲線如圖4 所示，最小間距均大于0 無碰撞發生。

圖4 連續箱梁轉體角度與梁端最小間距關系曲線Fig.4 Relationship between rotation angle of continuous box girder and minimum spacing of box girder

由圖4 可知，3 號、4 號梁體在轉體進行至68?左右時，梁端距離達到最小值。由于工程實際施工不確定因素較多，因此轉體達到該位置時為最高風險狀態，需在實際施工時進行精準控制。基于此BIM 分析結果，建議施工3 號主墩轉體達到50?時降低轉體速度，同時相關單位嚴格監控梁端距離，保證精細施工，嚴防安全事故發生。

2.2.2 凈空分析及接觸網碰撞模擬

項目工程中橋梁上跨4 條國鐵I 級鐵路線，對橋下凈空及轉體過程的鐵路接觸網碰撞與否有著嚴格要求。傳統的基于二維平面圖紙的碰撞分析，已不能滿足工程人員的工作需求，其可視性差，計算繁瑣，嚴重降低了拆改方案擬定的工作效率。基于BIM 技術，進行接觸網碰撞三維可視化模擬，通過Sketch Up 進行鐵路運營線搭建，使用ENE Rail Road 模擬鐵路插件，將平面線條轉變為鐵軌，并添加JPod support Structure 結構支柱調整至指定高程，按間距要求進行路徑陣列，模擬鐵路沿線接觸網，將橋梁與場地互相結合進行三維分析。

由于工程航測受限，無法得到精準的三維實體地形模型，僅依靠CAD 平面圖中的高程點進行模型分析，導致Sketch Up 中每條運營線的接觸網信息均基于同一高程。缺少高程z 軸變化下的數據信息問題屬于二維平面問題，不能真實模擬現實情況。

針對此問題，選定任一高程點作為基準高程平面進行接觸網建模，然后依據CAD 中其他高程點與基準平面的高程差對Sketch Up 中z 軸高程進行校正。Sketch Up 中的橋下凈空數據只需要在模型數據基礎上加上校正值，便能貼近真實情況數據。以橋下津山下行線接觸網模型為例，其部分關鍵臨近節點計算結果見表1。

表1 凈空校正值計算Table 1 Calculation of clearance correction value

校正值計算如下：

式中：Δ 為校正值結果；z0為選定基準平面高程；zn為其他任意點的真實高程。

以津山下行線接觸網凈空分析為例，對橋下4 條鐵路接觸網進行三維凈空分析模擬。基于以上校正計算，得到橋下最小真實凈空，均大于鐵路所要求7.96 m，滿足橋下凈空要求，確保接觸網無碰撞發生。但考慮日后橋下接觸網更新維護作業困難，施工前還需對橋下支柱改移處理。根據三維模型的可視化分析，可直觀發現橋下既有支柱編號，并提出相應拆改方案，見圖5。

圖5 接觸網拆改方案模擬Fig.5 Simulation of catenary dismantling

基于BIM 的施工場地三維可視化交互分析，能更直觀準確地對鐵路轉體橋梁及周邊場地環境進行位置分析，在施工前得到更為精細化的轉體控制數據及準確合理的拆改方案。

2.3 橋梁精細化建模

橋梁工程涉及到多種復雜結構的組合，相比于其它類型的橋梁，轉體橋的結構更為繁雜。就其轉體系統而言有球鉸、撐腳、反力座、滑道等結構，形式各異，傳統的二維圖紙不便于施工人員理解相關結構，同時也會對預算人員進行工程量統計造成困難。

本項目采用Revit 對橋梁進行三維實體建模繪制，組建完整的工程項目。使施工方能對任意橋梁結構進行三維查看，優化交底流程。而預算人員可以選擇對應的工程結構，通過Revit 中的數量明細表進行工程量自動統計，更為精確地得到材料數量，進行成本分析。項目轉體橋梁Revit 模型如圖6 所示。

圖6 Revit 橋梁模型Fig.6 Revit bridge model

2.3.1 Revit 上部結構參數化建模

由于項目工程鐵路轉體橋梁位于平曲線（半徑1 600 m）上，平縱面均為曲線線形，傳統體量的拉伸式建模無法達到梁體線形的效果，因此必須通過在精準的軸網基礎上進行截面輪廓的放樣，才能實現曲線橋建模。而由于上部箱梁結構相似，僅尺寸不一，因此在Revit 的上部結構建模中，可以充分利用Revit 參數族編輯的優點，對箱梁截面各特征的尺寸定義參數，通過參數化建模，快速便捷，也能在三維模型中更加直觀精準地提取到所需要的尺寸數據。Revit 箱梁模型如圖7 所示。

2.3.2 Revit 下部結構族編輯建模

在Revit 下部結構建模中，由于各個構件形態不一，復雜多樣，需分別進行結構建模，見圖8。通過構件編輯下內建模型或族編輯建模載入項目的方法，均可實現各種復雜結構建模，并可在項目之中重復嵌套，減少重復建模，提高效率。

2.3.3 碰撞檢測及優化

橋梁BIM 精細化模型創建后，可將模型導出為NWC 格式文件，通過Navisworks 中的Clash Detective 功能進行三維碰撞模擬，直觀找到項目模型的結構沖突點，并基于此碰撞結果返回建模軟件進行結構優化，避免后續施工時產生碰撞調位問題。相較于傳統計算核圖式碰撞檢測，BIM三維碰撞更直觀且準確，保障施工精準程度。

2.4 橋梁施工管理應用

本文2 座轉體橋梁的轉體施工為項目重難點控制性工程，可通過各種BIM 管理軟件進行施工階段的技術交底應用。除了施工質量的要求外，BIM 技術可提高施工組織協調性，基于其信息集成特點，實現合理的施工流水劃分，完成施工的分包管理，為各專業施工方建立良好的工作面協調管理而提供支持和依據。通過BIM 技術對施工進行多維度下的全局管理，實現精細化施工。

2.4.1 可視化技術交底

通過Lumion Live Sync For Revit 插件將Revit三維實體模型下的各個結構圖元導出為dae 中間格式文件，在Lumion 中對施工工藝流程進行動態模擬，制作成形象的施工工藝展示動畫，加快施工效率，改善施工質量，有效避免施工人員因工藝不熟悉或操作不規范導致的構件錯裝漏裝、關鍵結構安裝失準等問題，提高橋梁施工的精細化程度。橋梁轉體施工可視化交底如圖9 所示。

圖9 轉體施工可視化交底Fig.9 Visual disclosure of rotation operation

2.4.2 進度成本管控

基于項目中京哈轉體大橋段施工特征及時間成本要求，圍繞其關鍵作業要點和節點目標編制PM（Project Manager）施工進度計劃，與BIM 模型關聯起來，對項目進行高效率的計劃、組織、指導和控制，并將數據導入項目管理軟件Fuzor 進行4D 進度及5D 成本模擬，得到施工進度成本關聯動畫。管理人員可直觀地查看進度計劃及成本投入，調配機械、人工、材料等需求計劃，提前備料，保證施工進度，調整施工成本結構。施工時可輸入實際進度數據，直觀演示實際與計劃之間差異，保證多維度下精細化施工，見圖10。

圖10 BIM 進度成本管控Fig.10 Cost control of BIM progress

由圖10 可知，在2022 年3 月和2023 年4 月開始，資金曲線出現有4 次顯著的峰值。在該部分峰值區域范圍內，有主墩樁基施工區段和上部結構混凝土澆筑區段。該施工時間區段資金投入相對較高。因此相關工程人員需提前備料，做好資金協調，防止在該工程節點時間出現備料不足，資金流動不暢的情況，更能防止少料作業帶來的質量問題。

2.5 工程協同管理

橋梁工程的施工精細化管理，不只單方面由施工方完成，還應與相關各單位的各專業人員協同。多方人員在項目推進過程中將所有的數據信息集成于BIM 源模型之中，如地理信息、結構材料信息、預埋件埋置要求、后期橋梁維護等信息，一并影響著其它各專業人員管理。即使出現變更調整，最終落腳點均在一個BIM 模型之中，極大地方便了各個部門或單位的管理，使工程推進變得協調有序。夏子立等[12]梳理了我國橋梁技術狀況評定規范體系及BIM 技術在橋梁運營管理的應用概況，設計了基于BIM 的技術狀況評定系統總體框架及業務模塊功能，解決了智能有效工程管理的問題。

基于各方單位需求及項目特征，開發并使用BIM 協同平臺進行智能管理，平臺首頁界面見圖11。

圖11 BIM 協同管理平臺界面Fig.11 Interface of BIM collaborative management platform

在BIM 協同平臺上構建項目橋梁信息庫，提供模型可視化展示，工程進度、重要通知、實時視頻監控等功能，且基于子功能模塊完成工程信息分類集成，實現多專業、多單位人員下的協同管理，并可在手機端進行操作，極大方便工程管理。對于施工文明中最重要的安全管控問題，可在項目中建立BIM 三維模型讓各分包管理人員提前對危險源進行判斷，在危險源附近快速地進行防護設施模型的布置。通過實時監控反饋現場畫面于平臺之上，工程人員可以隨時進行現場安全管控并及時下達通知管理，代替傳統人工巡檢，使辦公更高效合理。

3 BIM 施工精細化管理價值分析

該工程采用BIM 技術進行施工精細化管理，確保施工精度的同時，完成了BIM 數據的集成與規范管理，使工程推進更為系統有序。對該BIM應用解決的工程問題、應用效益及考慮的適用領域進行分析，其BIM 施工精細化管理效益見表2。

表2 BIM 施工精細化管理效益表Table 2 Benefits of BIM-based refined management of construction

4 結語

本文以京哈鐵路大橋項目為依托對鐵路施工精細化問題應用BIM 技術，完成了橋梁與場地信息的交互分析，精細化橋梁模型構建，施工技術交底及組織協調，以及工程所涉及的多方人員協同工程管理，多方面提高了橋梁的施工精細化程度。

1）將場地環境信息與結構主體進行BIM 交互應用是橋梁工程BIM 技術應用的必要一環，依此才能做出更準確而合理有效的方案設計及施工。

2）依托BIM 技術強大的三維可視性及生產管控能力，作出準確的碰撞優化、細致的施工動畫交底及多維度的工程全局管理，保證施工精細化程度。

3）基于BIM 協同平臺的工程信息集成管理，分類更為科學，管理更為系統與協調，保障工程施工的有序推進。