礼嘉嘉陵江特大桥BIM技术研究与应用

李亚勇 周学勇 陈胜凯 杨培诚 王 蓬 廖小烽 杨 强

(1.中建隧道建设有限公司，重庆 401320； 2.重庆市筑云科技有限责任公司，重庆 401121)

引言

近年来，伴随工程信息化程度的不断提高，BIM技术在建筑领域中普遍推广实施[1-2]。国内学者们围绕BIM技术在桥梁工程中的应用进行了不同桥型和不同阶段的研究和工程应用，但是就现阶段而言，BIM技术在桥梁工程中的应用研究相对于房建类项目推进稍显落后，BIM落地应用偏少。具体体现在实施工程中， BIM模型通常与现场情况脱节，其模型建立往往缺乏适用性与有效性。现行数据采集、整理与分析往往手段单一，效率低下，难以为工程建设提供必要的现场数据信息，导致施工阶段BIM实施浮于表面。

以礼嘉嘉陵江特大桥项目在实施过程中，重点考虑大跨径梁拱组合刚构桥技术难点和关键点，充分发挥BIM技术可视化、可模拟的优点，提前考虑实施过程中可能面临的困难，提前调整施工方案或应用准备，为项目的顺利实施提供有力支撑。同时，重点从BIM组织架构创新、现场驱动型的BIM技术应用创新、基于BIM+智慧工地的项目管理模式创新等三个方面进行重点突破，为进一步推动BIM技术在大跨径桥梁建造过程中的应用提供参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

礼嘉嘉陵江特大桥为重庆市快速路二横线西段项目的控制性工程，主桥全长785m，采用5跨非对称连续布置(140+245+190+130+80m)，最大跨径245m(矢跨比为1/7.7)(如图1、图2所示)； 主桥下部基础形式均采用承台接群桩基础，桥墩为独柱式六边形变截面空心墩，主墩墩高72m； 上部结构采用梁拱组合刚构形式，梁拱组合区域长约60m。大桥按双向8车道设计，分左右两幅设置，单幅标准段桥宽18m，设计时速80km/h[3]。

图1 礼嘉嘉陵江大桥立面图

图2 礼嘉嘉陵江大桥整体BIM模型

礼嘉大桥为国内首座上承式梁拱组合刚构桥，采用对下部结构无推力、自平衡的梁—拱组合受力体系，充分融合拱桥、梁桥优点，克服连续刚构桥的开裂下挠问题。桥梁既有连续梁桥的简洁，又具有拱弧线的美感，充分展现桥梁结构的“跨越之美”、“力量之美”、“造型之美”。

1.2 工程难点及BIM技术应用的必要性

经分析，在大桥实施过程中主要存在以下难点：

(1)大桥建设过程中需经历梁桥、悬浇拱桥、矮塔斜拉桥多次体系转换； 该工艺为行业内首次采用，无成功经验可以借鉴； 如何保障设计建造流程在施工现场落实，需要深入研究。

(2)大桥上弦箱梁与下弦拱梁需采用同步斜拉扣挂法进行施工，在施工过程中如何保证上下弦梁协同作业，如何保证上下弦梁挂篮在梁拱组合段重组拼装，是能否顺利实施的核心。

(3)大桥建设过程中需投入20副挂篮，挂篮选型、设计是否合理，是否与既有设计存在冲突； 以及下弦拱梁所采用的倒三角挂篮如何安拆、走行是施工过程中的关键。

(4)桥梁墩柱采用六边形变截面空心墩，下弦拱梁采用2.2次抛物线，线形精度过程控制为施工过程中难题。

针对以上难点，应用BIM技术预先仿真模拟，将施工全过程信息化、可视化，有效提升施工管理效率与水平。

2 BIM组织与应用环境

2.1 BIM应用目标及策划

国内一些专家通过建立高精度BIM模型，开展全桥工序模拟，提高图纸二次深化设计的质量和效率，减少图纸中的错漏碰缺，提高桥梁的可建造性[4-6]。礼嘉嘉陵江大桥施工为行业内首次采用上下弦梁同步斜拉扣挂法进行施工，需创新性地利用倒三角斜爬挂篮，无成功经验可以借鉴。针对以上特点，基于BIM模型开展碰撞整合分析、结构分析、节点深化、工程量统计、航拍倾斜摄影建模、三维扫描、坐标测量等功能提高建造效率及施工质量。同时，依托自主研发BIM+GIS的项目管理云平台，实现BIM+智慧工地的一体化集成，实现基于制度化、数据化、自动化、智能化的全过程项目管控(如图3所示)。

2.2 BIM实施软硬件部署

以Revit为主开展桥梁主体建模，以Dynamo等插件为辅进行复杂异形参数设计，解决桥梁异形构件模型创建问题，保证创建出达到施工BIM应用及后期竣工交付精度的参数化模型。采用Infraworks、Fuzor、Twinmotion进行场地及模型整合、施工工序模拟、漫游及可视化展示等工作，配备工作站、平板电脑、无人机、VR、法如S350三维扫描仪等专用硬件设备辅助开展BIM技术应用。同时自主开发并部署BIM+管理平台对施工现场开展进度、技术、质量、安全过程管控(如图4所示)。

图3 各实施阶段BIM应用点

图4 BIM实施软件配置

3 BIM技术应用

3.1 BIM模型创建

本项目参照重庆市市政工程信息模型交付标准的相关规定[7-8]，本工程基于五个阶段：建模策划—模型拆解与分工—原始数据收集—模型建立—模型整合与检查进行大桥模型建立。针对BIM模型创建中存在的变截面六边形独柱式空心墩、2.2次抛物线下弦拱梁、临时斜拉扣索、倒三角斜爬挂篮等异形构件，使用Revit与Dynamo相结合的方式进行参数化建模。

基于项目特点编制的BIM实施标准，在模型设计过程中使用标准文件架构、标准化族库命名、标准化构件分类与命名，实施过程中严格管控模型质量。建立施工阶段礼嘉大桥BIM模型，包含：基础、桥墩、桥台、上弦箱梁、下弦拱梁、桥面系、景观、机电及导向标示等所有大桥模型，并根据相关资料整合调整优化，模型深度达到LOD400。通过Infraworks将场地环境等GIS信息数据与BIM模型进行整合，辅助施工场地便捷规划。本工程部分BIM模型如图5、图6所示。

图5 BIM+GIS模型

3.2 整合冲突分析

大桥工程难度高，在设计阶段难免出现纰漏，如果不能及时发现将引起严重后果[9-10]。在施工图深化设计阶段，建立桥梁施工中预应力管道与钢筋模型，进行碰撞检查，有效规避前期设计错误122处。建立上弦菱形挂篮与下弦倒三角挂篮高精度模型，复核挂篮设计的准确度，发现各类问题46处，有效规避图纸合同及加工风险，累计节约工期11天，节约加工成本约11.2万元。

项目礼白立交墩柱采用花瓶式异形墩柱，经统计分析共设计有21种墩柱形。基于BIM模型将不同墩柱进行整合分析(如图7所示)，发现墩柱细部尺寸偏差部分偏差在10cm以内。针对上述情况，BIM小组对墩柱细部尺寸进行优化，将原需求的21套定型钢模缩减为6套，节省模板投入成本约76万元，减轻工人施工操作复杂程度。

图6 细部构造模型

图7 墩柱优化路径

图8 工序模拟及综合评审

表1 综合评审要点

3.3 全方位BIM综合评审及交底

针对上下弦挂篮、泵管布置、合拢段施工等复杂的施工技术环节，共进行7项工艺模拟(如图8所示)。同时，将所建立可视化交底用于施工方案综合评审，即在BIM数据支撑下，由技术、合约、物资部门进行全方位综合评审(各部门评审要点如表1所示)，确保BIM技术融入到方案评审、技术交底、工作部署等全项目管理过程。

礼嘉大桥采用左、右分幅布置，在两幅桥中间有限的空间内需布设上下行梯道、塔吊基础、操作平台、混凝土泵管等临建设施。为合理布置各临建设施，基于实际尺寸建立细致的临建设施三维模型； 基于BIM模型进行方案评审及专家论证； 利用BIM技术进行沟通协调，对方案反复进行推敲改进，最终形成较为成熟的布置方案(如图9所示)。实践证明，BIM技术在临建施工的应用取得了良好效果，满足了现场施工需求。

3.4 基于BIM测量辅助及质量复核

礼嘉大桥主墩内外沿高度方向进行收敛，下弦拱梁采用2.2次抛物线，设计仅给出底部控制点坐标，现场分节段浇筑需计算对应阶段的控制点座标。基于BIM模型将大桥整体定位坐标体系转换为重庆市独立坐标体系，从而实现任意提取模型各个位置、节点的三维座标[11]； 并将其与传统坐标计算方式进行测量坐标复核，提升测量工作精准度，大幅度减轻计算复核负担，提升测量工作效率。

在墩柱施工完成后，采用法如S350扫描仪进行施工质量复核，基于扫描模型与设计模型自动对比，提前进行弧形线性的偏差分析及偏差控制，轴线最大偏差及平整度均在5mm内，实现成桥线形精确控制。

图9 基于BIM泵管布置方案及现场实施

3.5 基于BIM+智慧工地项目管控

3.5.1 建立协同管理平台

图10 基于BIM模型三维座标提取及三维扫描

项目信息化管理的任务是信息的收集、处理、分析，并形成项目目标信息的报告，但信息来自于工程参与各方，导致常常会出现“信息孤岛”现象[12]。为了实施基于BIM的项目总控管理模式，需搭建一个基于BIM技术的项目总控管理，对项目建设过程中参与方产生的信息识应用BIM 技术进行集中管理[13]。

通过自主研发Webgl轻量化平台，建立起BIM技术+项目管理(PM)+物联网集成应用的协同管理平台(如图11所示)，利用移动终端和物联网技术实时采集数据的功能，同时基于PC端和移动端协同应用，实现BIM平台与物联网技术、GIS系统相结合，接入劳务管理、塔机监控、视频监控、环境监测、危大专项管理等系统的关联，通过数据自动收集、分析，预测发展，实现超前控制、实时控制，最终达到BIM智慧工地集成管控。

图11 BIM+PM+物联网协同管理平台

3.5.2 基于管理平台的过程控制

礼嘉大桥存在较多的交叉施工作业，基于BIM模型模拟全桥动态建造工程，实现形象进度与产值计划双控； 确保施工计划的合理性，并完成各阶段动态施工场布协调； 识别大型临时设施、物资设备、人力资源需求制约进度关键因素。实施过程中利用无人机采用无人机采集现场施工全景实景数据，提交BIM形象进度报告。基于BIM平台建立进度预警体系(黄、橙、红、黑)，实现对计划进度与预计进度的对比分析及自动预警。

基于BIM平台实现图模一体化集成查看，辅助施工现场方案审批、技术档案管理、验收管理等工作。利用移动端质量巡检及整改功能，对现场技术质量问题进行检查、整改、验收、统计分析，提高管理效率。

图12 远程智慧中心及现场作战室

采用实体+BIM+VR技术进行安全教育培训和交底，提升安全教育交底效果。项目PDCA安全隐患整改追溯机制与基于BIM模型的平台安全巡检整改模块深度融合，实现对项目安全隐患类型的时空分析和对安全管理人员的绩效考核。

图13 施工进度模拟

3.5.3 基于视频流(AI)识别系统

将BIM与AI方法结合有着良好的可行性与广阔的前景[14]，本项目基于视频流研发智能图像自动学习(AI)识别系统(如图14所示)，对接现场视频监控，实现智能监控。利用最新的深度学习及大数据技术，通过系统自动识别人员安全帽佩戴、安全背心佩戴等行为，对现场监督(安全行为)提供有力保障。

图14 AI安全识别系统在现场的应用

3.5.4 基于BIM模型的桥梁监控

传统桥梁施工监控进行现场监测并进行内业处理后，通过监测周报/月报等形式反馈到管理团队，常常存在监测数据反馈不及时、不直观等问题。基于BIM+智慧工地的施工过程监测，通过对监测数据的分析、预警、报警等，实现箱梁、墩柱等关键部位应力及变形的可视化监控，有效提高桥梁监控工作成效：

(1)提高数据传输效率：可以通过移动端填写，或者通过传感器自动上传数据；

(2)提高监控信息传递效率：通过后端内置计算程序判断相关监测数据是否超标，变化速率是否超过预警阀值，第一时间将监测结果上传到管理团队，实现“实时监测、超限预警、危险报警、预防事故、减少损失”的功能；

(3)实现监测数据可视化：将监测数据与三维BIM模型进行挂接，方便管理团队及时了解预警位置，并做出相关预案。

图15 监测数据与BIM模型一体化

4 实施效益

图16 重庆市领导现场指导

基于BIM模型应用优化了施工工艺，提前解决各类图纸错漏碰缺问题，提高了与桥梁主体、临时措施等设计单位的沟通协调效率，大大减少了施工过程中由于设计变更而带来的工期延误。通过BIM+项目管理在施工阶段的全方位应用，实现信息化与标准化融合，在工期、成本、质量方面均取得了良好的效果。

表2 BIM实施经济效益统计

项目于2018年仅历时6个月实现主墩出水重大节点，创造了大幅领先于同类桥梁施工的“礼嘉速度”。项目开工以来组织各类观摩20余次，累计为项目创效100余万元(详见表2，仅列出部分可量化费用)，推广BIM技术及智慧工地应用。

5 总结与展望

本工程通过BIM技术与项目管理的深度融合，从设计、建造、运维三个阶段解决BIM实施落地的壁垒，实践中解决了大桥建设过程中施工工序选择、挂篮设计与选型、结构尺寸优化、线形控制、实时监控以及智慧工地平台动态管控方面存在的难题，有效助推礼嘉嘉陵江特大桥建设； 形成BIM桥梁建造技术集成，所形成的BIM实施组织管理方式、与现场的结合方式、管理制度均可实现类似项目的推广应用。然而类似项目在BIM应用实施中也应做好以下几项工作：

(1)针对落地性：BIM实施应做到贴近项目特点，从实际需求出发，在桥梁施工中应以项目重难点出发作为BIM实施核心。

(2)普遍落地性：BIM实施不是几个人的或小范围的事情，而是需要做到以BIM技术为核心、为引导，与管理流程相匹配，实现项目乃至企业的信息化升级，定期优化BIM管理流程，根据项目部需求动态调整BIM技术应用点。

(3)注重人才培养：以人才培养为主线，积累BIM技术应用经验，建立相应人才培养鼓励机制，鼓励各部门专业人员在本线条思考与使用BIM技术解决实际问题，以点到面，稳步推进行业BIM技术的发展。