BIM在公路桥施工准备阶段的研究与应用

董宇路

上海城投航道建设有限公司 上海 200092

目前，建筑信息模型（BIM）技术在建筑行业得到越来越广泛的应用。对BIM技术的研究大部分集中在建筑行业，市政行业的有关BIM研究较少，相关案例也较少。一方面市政桥梁工程本身属于复杂的建筑工程项目，组成桥梁的构件繁多，结构部分体积巨大，因此结构在设计和施工过程中，都存在比较高的难度，尤其是针对部分传统建筑形式的桥梁来说，需要全面计算稳定性、安全性，才能进行后期施工，从而保证工程的质量满足日常的需要，同时有效避免存在较大的偏差[1]。另一方面，市政桥梁工程涉及专业多，周期长，对周边环境影响较大，事关国计民生，导致项目在施工时极易受外界环境的干涉，影响工程建设的进度与安全，从而加大了施工的难度[2]。

1 工程概况

1.1 项目概况

上海浦星公路桥全长1.207 km，工程内容主要包括大芦线航道整治二期工程（闵行浦江段）3标的道路、桥梁、排水（雨、污水）、照明、绿化、交通标志标线、老桥拆除等。其中桥梁工程包括拆除现状老桥及新建跨航道主桥、两岸引桥、跨老阀港地面辅道桥、两岸人行梯道等内容，临时翻交包括钢便桥1座（6幅）。

1.2 施工准备阶段需要考虑的重点

1.2.1 施工内容多，传统平面数据分析存在盲点

项目施工内容包含临时翻交道路、钢便桥工程，新建浦星公路桥桥梁工程、道路工程、排水工程以及航道疏浚工程，施工内容较多，涉及的范围较广。为了更有效地开展施工组织工作，施工准备阶段需要充分掌握周边环境、建筑物的空间位置关系，获取地形地貌、桥梁、钢便桥等信息，避免周边环境信息不全，导致施工方案出现考虑不全面的情况，为后续施工方案模拟做好技术准备[3]。另外，传统信息获取的大多是平面数据，空间关系分析存在盲点，不便利。

1.2.2 现场管线复杂，搬迁难度大

施工现场有燃气管、自来水管、国防军缆、信息杆线、高压杆线等多种现状管线，影响钢便桥及道路桥梁施工。管线涉及众多产权单位，协调工作量大，而搬迁空间狭小。前期需要将管线一次搬迁到位，避免发生二次搬迁，否则将对施工进度、成本造成较大的影响。

1.2.3 道路翻交压力大

本项目首先需要在老浦星公路桥边新建钢便桥，然后拆去老浦星公路桥，再新建浦星公路桥桥梁工程。项目实施之前必须先完成交通临时翻交，目前老浦星公路桥承担了大量的道路交通任务，来往车辆密集，并且新建了BRT快速化公交系统，临时翻交压力大。

2 施工准备阶段的BIM应用分析

结合项目特点，施工准备阶段重点在以下4个方面采用BIM技术：

1）采用倾斜摄影技术，建立本项目的现状场地实景模型。本项目施工环境复杂，通过传统方法构建项目场地模型成本高，生成的模型不够精细，无法满足项目实际需要。无人机作业飞行高度低，空域限制少，受天气影响小，成本低廉。因而以无人机作为航空倾斜摄影平台能够高效地获得高质量、高分辨率的地形模型，并能提供丰富的纹理信息，辅助生成高精度、高分辨率的场地三维模型[4]。

2）创建BIM模型。传统施工图由点、线、面构成，几何元素单一，并不能反映工程项目的空间构造和配置情况。创建本项目BIM模型，包括道路模型、老桥模型、新建便桥便道模型以及新建道路桥梁模型、市政管线等，并在此基础上整合现状场地和项目BIM模型。对模型进行各种分析，进而实现BIM应用。

3）管线搬迁模拟。针对管线搬迁方案，模拟自来水、燃气、电力、信息等现有管线的位置及影响范围，并展示搬迁后的管线位置及与主体模型的位置关系，修正管线搬迁方案，保证后续施工的质量安全。

4）交通组织方案模拟。按照施工进度要求，对老桥拆除、钢便道建立时的交通组织方案进行三维模拟，保证施工阶段道路畅通。

3 项目BIM应用实施

3.1 采用倾斜摄影技术，建立现状场地实景模型

浦星公路桥施工内容较多，涉及的范围较广，为了更有效地了解现场真实情况，在项目建设的初期需要对施工阶段难点与问题进行预判和研究，为后续施工质量安全控制打下良好的基础。传统方法只能通过规划图纸与现场测绘资料结合项目设计图纸研究项目对现场环境的影响，并不直观。与传统方法相比，通过倾斜摄影获取的现场模型，工作效率高，半天就可以完成桥梁两端几平方千米的摄影任务，后期数据处理通常几个工作日即可完成。模型包含了施工区域既有路网和其他交通方式组成的交通网信息，沿线人口、民族、经济发展、整治等影响项目的社会信息，以及自然特征的地理信息。

本次航拍选用了大疆无人机，采用了5个镜头拍摄。航拍范围为沿桥方向2 km，沿河道方向500 m范围内的场地环境。航拍成果有正射影像和场地三维模型。

通过无人机正射影像获取待建场地的现状情况，叠合场地图纸，能够清晰地辨识场地的变化，帮助掌握更真实更全面的现场数据，评估方案的可行性。

倾斜摄影可获取信息生成三维模型，相比正射影像，通过倾斜摄影生成的场地模型可反映场地的起伏、高程、建筑物细节、周边环境数据等，并且对所涉及的对象进行单体化处理（图1）。

图1 浦星公路桥倾斜摄影成果

倾斜摄影的建模流程为：倾斜影像→几何纠正→区域网联合平差→倾斜影像匹配→DSM点云生成→TIN构建→纹理映射→三维实景模型。通过倾斜摄影获取场地模型的方法效率快、精度高，并主要有以下用途：

1）快速量测地物空间位置关系：通过场地现状模型，获取现有地物（房屋、公路、河流、植被等）的平面与高程信息。

2）房屋拆迁工程量估算：目前市政桥梁工程房屋拆迁一般采用实地测量方法，虽实测数据准确，但工作量大，受场地环境和社会环境的影响较大。通过倾斜摄影技术能对房屋的面积、层数、结构及材质进行准确统计。

3）整合桥梁BIM模型，为建筑物和周边环境关系评估提供数据支持：处理后的场地模型可以通过格式转换，与已建立的桥梁、道路等BIM模型进行合模，可以清晰反映建筑物和周边环境的关系，若存在冲突，需及时调整施工方案。

3.2 创建BIM模型

3.2.1 模型创建前的准备工作

1）建模标准化：为规范建模成果，确保模型支持后续的应用工作，建模开始前需制订建模标准，如按照图纸及相关信息名称、体量、材料等数据，在属性赋予时按照统一命名规则，如“构件名称-几何尺寸-楼层位置”等。分别将道路、桥梁、管线、建筑等相关信息导入到相应构件。不同的管线、结构、构件可分颜色分别标出，方便各条线参考。

2）分割建模：由于体量较大，本工程建模采用分割建模的方式，最后通过一体化模型统一展示，加快工作效率，降低建模成本。

3）LOD设置：由于体量巨大，故本工程对硬件要求很高。为保障模型运用流畅，需要先建立LOD精度体系，将建模精度分为高、中、低3档。在具体施工中根据应用需要，灵活调节精度。例如，总体鸟瞰模型时调低精度，在需要深化个别节点族时增加精度。灵活运用LOD设置可以大幅提高效率，降低建模成本。

3.2.2 创建工作范围内的BIM模型

根据工程范围，创建包含主桥、钢便桥、道路、管线等模型，并进行模型整合（图2）。

3.2.3 建立BIM模型的用途

按照建模标准创建BIM模型，包含了施工过程中可能涉及的钢便桥、老浦星公路桥、新浦星公路桥、道路工程、管线工程等，作为施工阶段应用的基础模型，为后续开展施工方案模拟、管线搬迁、交通组织模拟等奠定基础，更可作为项目各参与方在施工准备阶段协调的载体，充分发挥BIM模型直观可视化的优点，提高沟通效率。

图2 模型整合

3.3 管线搬迁

浦星公路（丰南路—跃进河）西侧分别有架空及地埋光缆若干（包含电信、国防、有线、海军通信及共建管缆）、高压架空线一路、DN500 mm上水管一路和DN300 mm燃气管一路。其中高压架空线与信息杆线严重影响钢便桥及便道施工，同时钢便桥和便道的施工与管线搬迁的位置及进度又相互关联，现场情况较为复杂。传统方法的管线搬迁难点在于现状管线的资料繁多且不明确，同时施工单位与各管线公司不便于沟通，导致在管线搬迁施工甚至后续主体施工阶段，反复修改、浪费人力、延误工期。

本项目管线模型分为现状管线与设计管线。通过现有管线资料与勘察资料建立现状管线模型。同时，由于部分地下管线资料缺失，只能采用开样洞方法采集现场管线数据，将资料反馈于管线模型，对现状模型进行深化，保证管线精度满足施工要求。设计管线模型则根据施工图建立，保证模型与图纸相一致。

完成现状管线模型与设计管线模型的建立后，整合钢便桥与主桥结构BIM模型，以便于直观地展现管线与主体结构的空间位置关系。

通过整合管线、钢便桥和主桥的BIM模型，能够清晰地反映现状管线与拟建桥梁工程的关系、设计管线和拟建桥梁工程的关系（图3、图4），并开展管线搬迁方案模拟，评价管线搬迁的顺序和位置是否合理。通过管线方案模拟，分析空间位置关系后，与设计商议确定调整钢便桥与便道位置，同时将高压架空线及信息管线搬迁至钢便桥与新建桥梁之间，确保管线搬迁不影响后续项目施工，避免二次搬迁，造成浪费。

图3 现状管线与待建钢便桥位置关系

图4 设计管线与主桥结构位置关系

3.4 交通组织模拟

浦星公路现状交通流量巨大，尤其是上下班客车、卡车、货车通行基本满负荷运作，未来还将引入BRT快速公交，这对原本紧张的交通又增添了拥挤。而大治河桥施工又将涉及钢便桥搭设、老桥拆除、新建桥梁管线等重要工序，需要封闭原有浦星公路，将交通翻至新建的社会交通便道与便桥上，这一过程将对丰南路、恒南路、鲁南路等周边道路带来交通影响，同时对于工程参与各方以及监管各方都是巨大的挑战。

本项目通过已建立的BIM模型，结合交通流程、车辆行驶轨迹变化、所需的交通设施等，模拟施工过程中所要开展的道路翻交过程，评估施工翻交道路的宽度、次数和交通影响程度等，尽量把项目建设对交通带来的影响降到最低，同时也便于提前与交警等监管部门协调，帮助社会各方及时做好交通疏导，减少出行拥挤的情况（图5）。

图5 交通组织模拟示意

4 结语

本工程项目在施工准备阶段引入BIM技术，通过无人机倾斜摄影建立现场模型，对管线搬迁方案、交通组织模拟进行了可视化分析、碰撞分析等，从而达到优化施工方案、保证施工质量的目的，效果显著。但BIM在市政桥梁施工领域的应用还处于发展阶段[5-6]，从现状场地模型的快速建立、桥梁模型的构建到施工准备阶段的协助评价管线搬迁方案等，都有待工程人员在同类型项目中的进一步研究与实践。