基于BIM虚拟施工技术在桥梁工程中的应用

徐旭东 李健

摘要：桥梁工程构造日渐复杂，虚拟施工技术成为解决施工难点的有效手段。结合BIM技术数模统一、动态集成的优势，，探讨基于BIM虚拟施工技术理论框架，在BIM施工可视化分析软件平台上，利用虚拟施工软件进行4D虚拟施工。桥梁结构复杂程度大，造价成本高，建筑周期长，因此传统粗放型桥梁工程管理已经不能够满足现今桥梁工程建设要求，急需借助BIM虚拟技术实现桥梁建设各个环节的施工信息共享，为项目施工工程的顺利开展奠定信息化基础。基于此，文章以文献对比法和案例分析法，以某大桥为工程案例，重点探究了BIM虚拟技术在桥梁工程中的应用，从BIM模型建立、施工项目管理等方向进行深入研究，为相关领域技术研究人员提供一定理论参考。

关键词：BIM虚拟施工技术;桥梁工程;BIM模型;施工管理

中图分类号：U445.4;TP39

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2020）07-0184-05

0引言

社会经济不断发展，推动了桥梁建设事业往更高技术应用水平进步。如今信息技术在各行业渗透，如建筑业中的公路市政行业，对BIM技术进行了深人探索，尤其在施工阶段，可利用BIM施工技术实现各阶段的的协同作业，为满足BIM技術在桥梁建设工程中的高效应用，需求一种创新形式的工程管理模式，以满足复杂施工环境条件下的桥梁施工技术的正常开展。尤其在桥梁工程施工之前，借助BIM虚拟技术，对桥梁工程项目施工技术应用进行全过程模拟，尤其针对复杂桥梁施工环境中存在的问题进行一解析，为施工方案的进一步创新优化提供直观参考依据，同时也消除施工阶段的安全隐患，节省项目施工成本及周期，对实现桥梁工程施工技术的高效开展具有重要理论和实践指导意义义。本文以BIM虚拟施工技术为研究重点，对其在桥梁施工中的应用进行探究，以实现对桥梁结构设计、工程施工组织等建设过程的控制，保障项目施工质量、进度、安全、成本管理目标的实现。

1研究理论基础

1.1虚拟施工技术

借助数字化、可视化方法，将项目施工的过程进行虚拟演练，主要实现对虚拟现实、结构仿真、施工模拟技术的有效开发与运用。虚拟施工技术以计算机协同作业为基础，构建全面施工模拟系统，对施工技术应用过程总中发现的问题进行分析，从而可实现在不消耗现场施工人力、物力资源的基础上，借助计算机技术，对风险进行一排除，并形成直观性更强的三维动态管理模型，实现建筑项目施工过程中的事前控制及动态化管理[2]。

建筑领域中，对于某些大型建筑，如桥梁项目，已经开展了施工过程中的建模模拟作业，但是只是以形成动画的模式，对整个项目施工流程进行模拟展示，但并没有对所建模型的虚拟施工结果进行分析，因此对造成的虚拟施工存在的问题，仍需要不断的改进应用。

1.2基于BIM的虚拟施工技术

BIM技术以三维数字化技术为依托，将建筑项目全过程管理中的关键信息技术进行有效结合，以实现工程项目管理领域中各实体功能性的有效集成与管理，可通过建筑项目实施的各个环节，对不同专业领域下的施工技术信息进行有效集成，并有选择的进行信息共享，最终可形成基于一定形式的实时动态管理与分析。林佳锐等研究人员，根据BIM模型的建立过程，将桥梁项目建设所形成的离散事件进行仿真分析，并详细介绍了仿真模型之间的异同，构建了离散事件仿真过程中的转换分析方法，并将离散事件中的模拟退火算法进行区分，实现进度资源管理的均衡发展”。本文将依托BIM技术与虚拟施工技术之间的关联性，构建结合施工可视化分析为主的虚拟施工技术应用平台，并将可视化的软件平台处理信息进行优化，搭建3D桥梁信息处理模型，可通过信息的集成、数据的合理、数字化信息的共享等渠道，将项目建设的现场场地资源信息、施工技术应用信息、施工验收阶段的处理信息进行集成，构建4D虚拟施工模型，优化建设项目施工流程。在以桥梁4D施工模型建设的基础上，项目施工计划的制定中，可实现5D资源的成本控制质量的提高，以施工顺序及施工流程为主，实现施工信息、施工设备及施工场地的提前布置，以形成可视化信息管理为主体，实现施工过程中劳务、物质资源、成本管理等各种项目管理信息的动态化管理目标的构建与实现[4]。

2基于BIM虚拟施工技术在桥梁建设工程中的应用

2.1桥梁工程建设的难点分析

作为基础工程之一，桥梁工程建造形式多样，主要包含有梁式桥、悬索桥、拱式桥和斜拉桥等多种类型，由于桥梁大都建设在恶劣、较为复杂环境中，因此项目设计、施工及后续验收等环节存在较多问题，再加上当前桥梁项目呈现出施工技术复杂化、结构样式多样化等特征，造成桥梁结构的构件存在较多复杂性。对于不同种类建筑结构形式的桥梁来说，在施工环境较为恶劣的条件下，桥梁项目施工技术方案的应用难度逐步增大，造成项目施工管理要求不断提升。桥梁项目施工的过程中，不仅施工技术单一化，且施工环境呈现出无重复性的特点，这造成桥梁工程施工技术方案的制定及落实应用较为困难。实际施工过程中，由于桥梁工程施工质量及各施工阶段的质量管理较为严格，容易造成施工延期、造价成本提升等现象发生。除此之外，在桥梁工程建设的过程中，往往涉及到大量的预制结构构件，预制构件生成后再运输到项目施工现场进行安装，这不仅对施工技术应用流程标准化实施造成一定困难，同时对桥梁结构构件尺寸的核对、施工造价成本也会造成一定影响。

2.2BIM虚拟施工技术应用基础

2.2.1基于BIM技术的应用平台开发

1）云平台技术支持下的远程协同办公管理

BIM在云技术的支持下可实现跨专业、跨企业应用，并通过构建系统化的BIM技术应用平台，实现基于互联网技术为支撑的多方协同管理作业体系，为实现BIM虚拟施工技术的合理使用提供理论和技术支撑。在桥梁建设现场，所有的基站都放置一定数量的中心机房，BIM模型数据及BIM相关部署管理工作都要在中心工作站中不断管理运行，其中外部电脑系统需要在网页许可的范围内进行云端数据模型的构建，实现数据的高效分析，为BIM虚拟施工技术的可操作性提供一定理论支撑！。云端结合硬件资源，将图形信息及计算机数据处理功能进行分析，不仅能够加快数据计算与分析技术的实现，同时能够对硬件处理系统的数据资源进行整合分享。最后，选择使用网络数据处理的方式，实现.BIM用户信息的共享式传递，以保证用户能够借助计算机数据的处理能力，实现BIM虚拟施工技术应用中数据资源的高效化利用，降低数据处理成本和硬件系统管理维护成本，云平台协助作业框架如下图1所示。

2）以构件为基础的实时信息的更新

大数据时代，“互联网+BIM”技术已经成为建筑行业领域的主体技术之一，以创建多维建筑结构化工厂数据模型为基础，将数据处理信息、数据共享机制等进行构件级分析，从而为项目数据收集、处理及分享进行平台化的数据承载，基于数据的共享可实现建筑管理信息的相互协调，以BIM虚拟施工技术为核心，对施工过程中遇到的相关问题进行预测，不仅能够依据问题反馈进行数据处理的优化，同时能够对施工前期制定的建筑模型进行标准化应用，其中主要包含建筑规则、拆分原则等，并结合模型及施工现场中的无缝衔接，促进和保障建筑构件结构的分项式管理。

3基于BIM技术的桥梁虚拟施工技术应用

3.1基于BIM的信息虚拟化模型构建（以风荷载为例）

3.1.1桥梁项目施工模型的建立步骤

BIM技术支持下的施工模拟系统都为可视化操作，由于物理模型引擎的建立与图像组件的分析之间是相互独立的，其为用户提供了较为丰富、可行性较高的模拟环境及使用功能模块，并在可视化环境中实现建筑信息对称的模型信息的相对运动，此类模块的分析，主要以物理计算代码的应用为主，可实现虚拟仿真系统技術的物理应用。Revit所创建的物体模型结构所包含的基础信息中，主要以物理属性为核心，不仅在Unity3D中带有强大的物理引擎功能，同时可构建刚体组合，为创建新型物体构建所包含的物理属性，如质量、重力、摩擦及摩擦系数等，在物体受力作用的基础上，实现物理应用效果的模拟，为添加物理材质，实现对物体模拟效果的可视化，具有真实有效的特征。桥梁项目施工模型的建立步骤流程图如下图2所示。

3.1.2风场模拟

1）基本风速计算

本研究中以6级风为研究对象进行计算，其中6级风的基本风速中数值为12m/s，此风速值为距离水平面10处的风速取值范围。

从局部风的竖直变化情况看，变化程度复杂程度越大，风的变化方向及变化时间也越大，当前在桥梁工程中，常用的风随高度变化的计算公式主要包含对数律公式、指数律公式，其中，指数律公式主要以描述风速度剖面为主，应用更加便利化[7]。

其中，V，为基准高度Zm处的风速值，单位为m/s;Z为桥梁主跨桥面结构距离水面高度值，单位为Im;指地表面粗糙程度系数，其具体取值见下表1;Vz为基准高度Zm处的风速值，单位为m/s。

2）静阵风荷载计算分析

依据《公路桥梁抗风设计规范》的相关规定，对风静力荷载进行有效计算，其中静阵风的风速要按照公式（2）计算分析。

其中，式（2）中的各项系数的具体含义如下：

V.为静阵风风速，单位为m/s;Gv为指静力风系数;V，为在基准风高度Z处的风速值，单位为m/s。

在桥梁的横向上，主要考虑桥梁结构的桁架体系，如遮挡系数，在横向风荷载的作用上，单位长度上的横向静阵风荷载计算应用如（3）公式所示：

其中，FH为以作用在单位梁长度上的静阵风荷载，单位N/m;p为空气密度，单位Kg/m'，值为1.25;Ca为主梁结构的阻力系数;H为主梁高度，单位为m。

3.2基于BIM虚拟施工技术的施工组织优化分析

3.2.1基于BIM技术的施工方案设计

桥梁工程建设流程及施工技术方案制定的流程较为复杂，如果施工方案设计不合理、不科学，会对后续桥梁工程的实施效率、工程质量及工期造成一定程序的限制，例如项目施工过程中，部分施工方法、施工机械设备等无法满足施工具体要求，则需要更换相关设计方案，不仅会造成设计进步的延误，同时也会导致施工造价成本的增加。因此，在桥梁工程施工技术方案验证分析的过程中，需可续利用BIM软件，对施工方案进行可行性分析，以备后期施工现场中进行验证。在施工机械设备的选择过程中，需要根据合适.的机械设备，对施工方案设计的内容进行分析，以软件平台搭建的动态模拟系统为主，将施工工序进行科学合理的设定，并对施工技术方案进行反复模拟优化。

3.2.2基于BIM的施工进度优化

针对桥梁工程项目管理中的质量和进度两者实施的目标来看，按照进度优化的模式，不仅能够实现工程实施进度的顺利，同时也能够保证施工工期能够在合理的预定范围内得到保证，因此控制工程质量和工程成本的优化。桥梁工程施工进度计划的控制，需要以施工进度为主要依据，同时要依据编制的分阶段施工计划和各项资源配置管理计划为依据，构建可行性的施工进度优化方案。

3.3桥梁施工质量管理

基于BIM虚拟施工技术的桥梁项目来说，在施工质量管理的过程中，可通过建立数据参数化模型的方式，针对施工技术方案，制定合理有效的施工过程模拟方案，并对施工现场信息进行高效收录，以此保证施工技术质量及其施工管理的内容具有“可视化”[8]基于BIM虚拟施工技术的桥梁施工质量管理整体应用基本框架如图3所示。

4工程案例

某大桥项目为当地重点工程项目之一，桥跨全长1.02km，主桥结构尺寸：100m+160m+100m，主桥结构形式为预应力变截面连续箱梁。此大桥建成后对于连接和贯通城市东西部交通具有重要战略意义，大桥建成后整体效果图如图4所示。

4.1某大桥BIM虚拟施工应用平台搭建

基于BIM3D、4D模型平台，将桥梁工程建设过程中的模型平台通过系统接口、平台数据管理接口进行双接口双向连接，从而可实现基于BIM虚拟施工技术的施工全过程信息数据的共享。

例如，构件标准化建模，将大桥的几何模型进行拆分为主桥、引桥、现场施工场地等重点部分，可依据项目合同编号、分部及分项工程进行构件编码的定义与命名。这样可保证桥梁工程施工中，对应单体构件能够通过唯一对应编码及时找到。

主桥和引桥模型的构建。针对主桥整体模型、主桥的现浇段、钢腹板模型结构等需要借助BIM模型，如利用Revit和Civil3D软件，构建基于地理为主为基础的大桥周边建设环境，如道路绿化、河流等主元素。主桥整体模型如图5所示，主桥，上部结构模型如图6所示。

4.2基于BIM虚拟施工技术的大桥预制构件模型应用4.2.1钢筋模型深化应用

针对大桥主桥0#块钢筋混凝土结构，建立如图7所示的钢筋BIM深化模型。

4.2.2保护层厚度的控制

以revit软件为主，对选定的0#块钢筋构件的外部尺寸中钢筋保护层的厚度进行设计，在对选定的钢筋进行碰撞试验，以确保达到保护层厚度的有效控制。

4.2.3钢腹板BIM模型建立的深化应用

大橋钢腹板施工具有施工复杂、施工技术难等问题，因此创建每一块的钢腹板三维模型都需要对每一块钢腹板进行精确化的编码，如二维码的识别，并将钢腹板尺寸及材料需求信息发送给预制厂商，实现设计、制造、安装的一体化作业。

5结语

基于BIM虚拟施工技术在桥梁项目建设项目中的应用，不仅可实现施工安全风险的预估、可控，同时能够对施工技术方案进行优化，减少施工造价成本，提升项目施工的效率，为开辟新的桥梁施工技术方案奠定坚实基础。文章针对BIM虚拟施工技术理论内容，分别从施工技术方案的应用，数字化虚拟平台的搭建及工程案例应用等方面深入探究，为构建可行性度高的BIM虚拟施工技术方案在桥梁工程中的应用提供理论和实践参考。

参考文献

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[7]秦宏磊.基于BIM技术的桥梁工程信息化技术应用[D].太原：太原理工大学，2019.

[8]沙名钦.基于BIM技术的桥梁工程参数化建模及二次开发应用研究[D].南昌：华东交通大学，2019.

[9]张晶鑫.基于BIM的虚拟施工技术及其在桥梁工程中的应用J].智能建筑与智慧城市，2018（06）：79-80.