基于BIM的桥梁三维可视化模型建立及优化

李长江 张飞军 张羽彤 袁铁权

(1:吉林省高等级公路建设局,长春 130033; 2:吉林建筑大学 交通科学与工程学院,长春 130118)

1 概述

随着技术的进步,我国在公路工程设计及施工中从手工绘制二维图纸向二维+三维+全寿命周期理念过渡,主要运用Building Information Modeling(简称BIM)即“建筑信息模型”进行工程设计、建造和管理,从而加快施工管理中信息化进程,实现可视化程度高、可模拟和优化特性、数据信息髙度整合、协同性好的目标,以达到指导施工,缩短工期,节约成本等目的.

而在公路工程的设计和施工中,由于桥梁结构复杂,对于受力分析等要求较高,在整体和结构设计中采用二维设计无法对设计中存在的问题进行复核检测和查缺补漏,导致施工中出现问题,影响施工成本、质量、进度和安全性[1].因此,在桥梁质量控制管理中,整合项目信息,共享和传递工程项目的计划、进度管理信息方面,更利于工程管理及技术人员对各种工程施工信息作出正确理解和高效应对,达到为高速公路建设、监理及施工单位提供协同工作的同时,实现减少能源消耗,提高生产效率,降低建设成本和缩短工期的目的.

可见,基于BIM桥梁建立模型的研究,有助于促进桥梁施工质量管理协同性,加深管理深度,提高施工质量管理水平,解决公路建设中复杂工程设计与施工协同管理问题和实现道路桥梁工程管理标准化、规范化、优质化及智能化的目标[2].

2 基于BIM技术的桥梁模型建立

基于BIM的桥梁质量控制研究采用BIM技术实现桥梁质量控制管理,其核心软件主要采用Revit，Midas/Civil，Dynamo等系统构建[3].

2.1 建立模型的工作流程

探究如何从规划、勘测、设计及施工角度实现基于BIM的桥梁建模及优化,绘制基于BIM的桥梁三维模型,并进行施工过程仿真和数字化施工进度分析,完成桥梁工程施工计划进度的编制,从而通过直观的过程模拟,有效分析施工进度安排是否冲突,预制构件吊装程序是否合理等,从而实现对桥梁工程施工质量控制及进度的管理,具体建立模型的工作流程如图1所示.

图1 基于BIM的桥梁施工质量及进度管理流程Fig.1 Bridge construction quality and process management flow chart based on BIM

2.2 构建族库

族是指参数化构建即表征参数数据,使用具有开放入口的Autodesk Revit建立族库,并应用其中的参数化模板,从CAD设计中导入数据,基于BIM技术建立桥梁上部结构、下部结构、支座及附属设施的三维数字模型,构建相应的族库(桥梁部分构件如图2所示)[4],实现基于BIM的反向设计,从而减少重复性劳动.

在建立桥梁构件族库时,须遵循CBIMS分类编码体系原则,按照相应的构建方法,参考交通行业桥梁设计参数,从而构成主梁、桥墩等相应构件的分类及编码族库.

2.3 优化设计

优化设计为BIM的功能性开发,是研究BIM的桥梁模型的第一层级(如图3所示).随着开发不断的深入,施工和运维阶段的深度和精度不断提高,基于BIM建立的族库逐步形成完整的信息化模型,减少工作量和错漏现象,并通过力学模拟,检查桥梁设计缺陷,节省大量的时间和材料,降低设计成本[5].

图2 基于BIM的桥梁三维数字模型构件图Fig.2 Bridge 3D digital model component diagram based on BIM

图3 基于BIM的桥梁开发层级示意图Fig.3 Bridge development level diagram based on BIM

优化设计过程中,较重要的部分是对桥梁配筋受力分析.首先,采用Midas Civil软件进行桥梁结构力学分析计算,然后通过Civil 3D，Revit，Dynamo等建模软件对桥梁进行参数化设计,包括构造模型以及钢筋模型(如图4所示),以确保桥梁结构安全稳定.基于BIM的整个设计全过程软件协同度高,效率高,实现了简单高效建立BIM模型的目标.

图4 基于BIM的桥梁施工仿真设计Fig.4 Stress analysis of bridge steel bar based on BIM

2.4 三维可视化模型构建

施工阶段的BIM开发是从设计的功能性开发转向项目级的应用.目前,在国内的研究中,一类侧重工艺管理,一类侧重过程管理,集两者为一体的较少,因此,本项目通过对桥梁施工重点或难点部分进行可视化模型构建,共享施工空间,调配施工机械,优化材料供应计划,合理安排工序等,实现避免交叉施工,有效保障质量与进度,优化资源配置,集施工工艺管理和过程管理于一体的目的[6].

2.5 VR仿真模拟

BIM技术为体现数据信息模型,VR技术则为了沉浸式体验,两者的有效结合可更好地实现施工过程实时演示[7].基于桥梁三维可视化进行VR仿真,通过多种传感器采集数据,并与多维数据信息交互作用,令使用者能够沉浸到计算机系统仿真模拟的环境中(如图5所示),增加感知和理性认识,从而深化对虚拟现实的定性感受和定量的评价集成体验.

图5 基于BIM的桥梁施工仿真设计Fig.5 Bridge construction simulation diagram based on BIM

3 桥梁BIM施工质量控制研究

基于BIM建立桥梁质量控制系统,将质量控制数据、施工现场实际检测数据通过基于BIM建立的桥梁模型接口,实现对桥梁施工质量控制过程的可视化,利用互联网、大数据技术实现远程监控和信息化管理,保障建设期的数据存储和运用,并通过分析计算、现场监测达到控制施工质量的目的(如图6所示),使现场质量控制工作更直观,为今后的运维管理提供技术支撑.

图6 基于BIM的桥梁施工质量监控系统Fig.6 Monitoring system of bridge construction quality based on BIM

3.1 质量控制数据采集及监测

3.1.1 收集质量控制数据,设置监测点

收集设计、施工图纸,全面了解设计和施工思想,基于BIM的质量控制研究理念设置桥梁吊装节段、变形监控测点.

3.1.2 确定质量控制参数,分段验算

根据图纸确定质量控制参数,进行前期初步测算,然后开展主桥全过程质量控制计算,即架设阶段主梁等施工过程中的内力、变形、标高及成桥阶段桥面标高等桥梁关键构件在不同施工阶段的验算,从而保证施工安全和桥梁建成后的线形、内力满足设计要求.

3.1.3 模拟施工控制质量,实时跟踪监测

在桥梁施工中,产生的误差主要有以下几个方面(如图7所示):几何设计参数误差、结构刚度误差、荷载方面误差、环境温度误差、材料时变效应误差等.

图7 基于BIM的桥梁质量与进度数字化交付标准图Fig.7 Digital construction standard for bridge construction quality and progress based on BIM

(1) 几何设计参数误差. 主要是指梁段长度误差,即两段实际制造长度已经偏离理论值,导致主梁线形标高偏离理论值.

(2) 结构刚度误差. 指桥梁结构设计参数如截面尺寸、弹性模量等取值与施工中实际构件存在不同,从而影响梁段刚度值.

(3) 荷载方面的误差. 包括采用不同骨料、不同配筋量等影响主梁的自重荷载和施工临时荷载(挂篮、材料、压浆机等).桥梁荷载随机性较大,计算中使用的数据无法准确预估,导致了这方面的误差.

(4) 环境温度误差. 季节、日照温差等影响温度,而温度会造成测量误差,在结构设计中选择的温度并不能代表施工现场的温度,因此施工控制过程中减少环境温度误差,保证实时监测,熟悉变化规律,从而避免施工过程中的温度影响是十分重要的;风载影响会因风力较大时可能导致线形测量数据不准.

(5) 材料时变效应误差. 主梁、墩柱等材料的收缩时变效应参数的计算理论上并不完善,依照不同理论计算的结果存在较大差异,容易导致误差.

可见,为减少桥梁施工中理论值与实测值间出现偏差,需要通过验算阶段提供的基础数据,尽可能按照施工方案划分实施阶段,模拟真实现场的材料和荷载参数、边界条件等实际情况和桥墩应力计算等.

因此,基于BIM的桥梁质量控制,是根据施工现场的实际情况,相关参数及反馈数据,对比理论设计值,对桥梁结构等关键数据进行偏差分析和验算.从理论模型上看,材料弹性模量、施工荷载和温度等与实际施工中存在偏差,需要调整施工误差状态,将各阶段的结构内力、线形控制在安全范围内,使其符合桥梁规范和相关标准要求.

3.2 质量控制管理平台

质量控制平台主要是在质量控制过程中,控制包括施工进场设备、材料及环境数据采集、桥梁结构整个施工过程的计算、实时监测与控制指令、施工数据完整性检测及补充,然后经过基于BIM的质量控制平台与桥梁BIM模型有效结合,在桥梁施工中跟踪获取已布设的传感器等数据采集设备获取数据,提供给相关指挥部等监管部门,以使其能够根据试验检测结果真实、准确地掌握桥梁实体工程施工的施工情况,综合评判采集的数据是否满足桥梁规范及相关标准要求,实现质量控制,避免假数据造成监管部门误判[8].

在基于BIM的桥梁施工质量控制开发过程中,首先须监测和控制整桥的结构各部应力,其监测点安装位置应通过结构施工模拟计算或参考同类桥梁的安装布设,即本着充分反映各施工阶段即主梁、桥墩等断面变形规律及应力状态确定;然后从监测点获取实时数据,经理论计算分析并修正调整相应误差,将相应结果反映到BIM桥梁模型中以及时预测或发现施工过程中存在的结构安全隐患上.

3.3 施工模拟进度管理

使用4D施工模拟软件,构建桥梁BIM模型,集成桥梁三维模型和进度计划,编制基于时间维度的工序安排和计划进度,并通过4D虚拟仿真施工模拟和数字化施工进度分析,优化原施工方案,实现对桥梁的施工进度控制自动化集成,以便指导施工[9].可见,在基于BIM的施工模拟进度管理系统开发过程中,利用Dynamo进行可视化编程,完成Excel施工控制数据录入Revit,并基于此二次开发进行程序扩展,从而达到施工模拟进度控制信息便捷管理的目的.

4 桥梁BIM质量与进度控制的优化管理

桥梁BIM质量与进度控制的优化管理一方面是设计阶段的优化设计,通过设计过程中运用BIM进行设计碰撞错漏的检查,保证设计图纸质量;另一方面在施工阶段,对施工过程的工序进行模拟,以保证交叉作业的相关工程能够较好完成系统的技术交底,从而实现优化施工工序和进度安排,减少多施工单位在同一作业面施工时的冲突.

桥梁BIM质量与进度控制优化过程中,以质量控制及进度管理BIM平台对模型的需求为依据[10],搜集桥梁施工中相关数据资料,以此为基础制定模型的构件分类及拆分标准,应用BIM核心建模软件Autodesk Revit,建立数字化信息模型,实现从桥梁设计、受力分析、施工模拟及工程量校核等工作,并将检验结果交付施工阶段的工程信息模型提供给施工建设及管理部门使用,从而为工程质量及进度的优化管理奠定基础[11].

5 结语

基于BIM的桥梁模型建立过程中,通过参数控制具体桥梁构件模型,实现对模型的实时控制,并在BIM环境下分析通用传感器的布置和远程传输获取的施工信息参数,实现施工方案中各模型在同一物理空间整合模拟,在使用中能够纠正设计图纸错误,指导复杂配筋,实现桥梁平细化全周期管理,充分集成及共享规划、设计及施工等不同阶段数字化信息,并为桥梁运营和维护提供数据支撑.