BIM技术在屯溪镇海桥修缮工程中的应用

程忠平 （安徽省徽州古典园林建设有限公司，安徽 黄山 245200）

1 引言

我国是桥的故乡，历史悠久，发展于隋，兴于宋，自古就有“桥的国度”之称。我国古代桥梁蕴含着古人的建筑艺术，有不少是世界桥梁史上璀璨的创举，充分展现了我国古代劳动人民非凡的智慧与创造力。古桥蕴含着丰富的历史、文化、科技，是当代社会的无价之宝。但由于近年来的洪灾增长，不少古桥因洪水毁于一旦，古桥修缮工作显得尤为重要。

为使传统工艺尽可能地保留与传承，修缮多以传统砌筑方式进行。由文物保护修缮者，提出修缮方法与技术，工匠及相关工艺人员，按照祖先遗留的技术打凿、修复。此过程中经常会出现数据衔接不连贯，信息表达不准确，不同专业协同不及时的问题，导致修缮工作进展缓慢，逐渐被现代化、便捷化的方式方法所替代。

如何将先人的智慧进行保存流传，如何将古与今进行对话及碰撞，如何提高传统工艺的施工效率，是修缮工程需重点解决的问题。

在屯溪镇海桥的修缮工程之初，提出将现代BIM技术（三维激光扫描、多基线近景三维建模、三维BIM技术、实时监测平台等）融入古桥的修缮过程之中，用现代的方法将古人的技艺进行记录，用三维可视化、数字化、信息化、虚拟化、精细化、参数化辅助古桥的设计与施工，提高施工效率、创建新的古建修缮思路。

2 项目概况

2.1 项目简介

镇海桥又名“老大桥”，位于黄山市屯溪区，三江口即新安江、率水、横江三江交汇处，始建于明嘉靖十五年（公元1536年），数百年来，横卧在江面，跨立在横江口，贯穿着黎阳与屯溪老街，历经了数百年的风风雨雨，方便了世世代代的黄山人民出行，承载了徽州人深厚的感情，蕴藏了一段段难以忘却的记忆。

该桥全长131.2m，宽 2.53m，高13m，拱洞跨度13m～15m不等，为六墩七孔联拱（石质拱桥），桥面和桥栏用茶园青石铺建。上部为等截面实腹式石拱，下部为浆砌条石重力式墩台。桥墩呈等腰三角形，上水头的分水头石尖翘起，造成船头状，石墩背部为龟背形，仿佛六只石龟驮着桥梁。

图1 镇海桥手绘图

图2 镇海桥实景图

图3 点云模型

镇海桥是屯溪历史重要的建筑标志，是现存的明代大型石拱桥之一，具有很高的历史、艺术、科学价值。2019年10月7日，屯溪镇海桥被列入第八批全国重点文物保护单位。

2020年7月7日因基础冲空，受暴雨洪水的持续冲刷造成一处分水尖坍塌，从而引发桥体相继倒塌，于9月7日完成镇海桥石构件打捞，自2020年11月12日开工修缮。

2.2 BIM实施分析

镇海桥的重新修缮的原则是在保护文物的前提下最大限度保护文物历史信息，按原形制、原材料、原工艺、原做法，在满足相关规范的要求，对原桥体的构件进行充分的利用，采用适当的新工艺对桥体进加固。此次修缮方案中，亦采用部分现代桥梁工艺，于桥墩底部加设桩基础、桥墩墩身内部加入构造柱、拱券中增加预应力钢板带等。

据统计，共在江底抢救性打捞石材构件共计4596方，不同规格石料构件多达几万块，由此可见石块构件的数量十分庞大。黄山地处亚热带季风气候区，雨季雨水量较大，此项目实施过程中存在较多难点。

①对古桥中的文物构件如何进行信息保存、修缮及传承。

②如此庞大的打捞石料如何快速、归类整理与统计，整理好的老石料，如何最大程度合理利用。

③如何采用BIM技术辅助修缮施工，对不同构件的使用部位、排布方式进行编排，提高工作效率。

本项目采用BIM技术辅助解决上述问题，提高石块构件利用率，多角度、多元素展示古桥文化遗产，达到文物修缮过程中的真实性、完整性。

3 BIM技术应用

3.1 BIM技术辅助记录古文物

BIM三维数据信息模型,增强文物桥梁保护的可视化，借助航拍和实景合成技术将BIM模型融入真实环境，便于古桥修复方案的优化，并作为文物桥梁数字化保护的基准信息模型，用于文物桥梁的全寿命周期保护。

3.1.1 冲毁原貌记录

镇海桥修缮原则之一：最大限度保护文物历史信息，因此对水毁后的古迹现状数据留存成为古桥修缮的数据来源之一。由于三江口地理位置特殊性，处于禁飞区，常规无人机三维倾斜摄影技术无法实施。与安徽省BIM工程中心合作，结合BIM技术，通过V-RTK高精度设备，采用多基线近景三维建模技术，基于任意表面布尔运算，对水毁现场进行三维数据信息采集。作为BIM三维数据信息模型建立的真实环境，便于古桥修复方案的优化，并作为文物桥梁数字化保护的基准信息模型，用于文物桥梁的全寿命周期保护。

图4 桥墩一

图5 桥墩二

图6 桥墩三

图7 桥墩四、五

图8 桥墩六

图9 桥台

图10 断口处

图11 大放脚

图12 铁锭

打捞石块量预估 表1

图13 点云实景模型下的设计模型

基于已采集的数据信息，对石料打捞量进行预估算。

3.1.2 文物数字信息记录

2020年11 月，工人在黄山市中心城区屯溪老大桥残余桥墩处搭设脚手架，将对桥墩逐一拆除，拆除中会进行影像记录，并注重寻找有价值的历史构件物等。同时，在已经打捞的石料构件中，专家发现了古桥桥墩石料中有一只铁蜈蚣，该铁蜈蚣模样的铁器造型栩栩如生，被紧紧地嵌在石块内，印证了民间传说。

图14 铁蜈蚣1石块模型

图15 铁蜈蚣2石块模型

为更好保存古迹古物，我们采用三维拍摄技术，对此进行三维建模，从而对古桥进行数字传递。

3.1.3 三维数字修缮

镇海桥中间桥墩均刻“禁止取鱼”字样（见图16)，充分体现了古代人对自然环境的保护意识。

图16 桥墩勘测原图

这些刻有字迹的石块在古桥被冲毁后散落在河底，从河底打捞上来的石块构件中仅打捞起35块带有字样构件，为了将历史遗迹尽可能利用起来，采用BIM技术，对石块进行三维数字建模，按照前期采集的影像资料，进行拼装，尽最大可能还原古迹。

首先用高清相机全方位多角度拍摄场带有字迹的石块素材，再把素材导入到RealityCapture软件构建出整体模型并调整实际比例。

然后根据“禁止取鱼”字迹照片形成的CAD字迹，经过对比分类整理，35块石料按照“禁”“止”“取”“鱼”部首集中分类。

再根据原始勘测的影像资料进行石块拼装，经过组装，拼装成数个残缺字形。

图17 石块照片素材

图18 三维石块模型

据老石料的排布尺寸，定位所需补充新石料的大小，辅助工匠师傅下料、雕刻。

图19 打捞石块分类

图20 4#桥墩勘测图

图21 4#桥墩石块拼装图

图22 5#桥墩勘测图

3.2 BIM技术辅助数字化老石料建模

为了后续修缮工作的顺利开展，在保证安全的前提下，采用人工搜定打捞、机具设备辅助等方式实施打捞，分区域设置围堰，进行地毯式搜索，人工配合机具设备搬运构件、石料等，冲洗干净，运输上岸，归类码放。

图23 5#桥墩石块拼装图

图24 6#桥墩勘测图

图25 6#桥墩石块拼装图

构件打捞时的分类编号，并结合《建筑信息模型分类和编码标准》（GB/T51269-2017）进行构件编码，一构一码，进行文物的数字化储存管理。

并采用DYNAMO数字编程技术，对打捞构件尺寸统计，建立三维模型。将实施分析数据文件存储三维信息模型之中，更好地开展数字化保护。

对打捞材料进行理化材性与力学特征检测分析，验证文物石材在原位重建原桥后，结构承载力是否满足业主定位的使用需求，经梳理发现打捞石料砌筑远远不够用于修缮，于是桥墩底部采用新石料进行砌筑，上部使用老石料进行修缮。基于BIM平台进行桥梁结构参数化建模，对原构件拼装后的大桥，进行缺、补、填充处建模，并将实施分析数据文件存储三维信息模型之中，输出构件信息，以统计补充材料明细，辅助重建施工。为尽可能修复原貌，采用BIM技术，以原貌为准绳，预模拟拱券石排布方案。

图26 7#桥墩勘测图

图27 7#桥墩石块拼装图

图28 Dynamo编码

图29 老石料模型数据

方案1：在拱券内外两侧采用老石料进行加工砌筑，为保证整体观感效果，每拱采用三种尺寸石料进行加工，基于左右对称原则进行排布。此方案排布数据详见图31所示。

图30 拱券石排布方案一模型（不同颜色代表不同厚度石块）

图31 拱券石排布方案一数据

拱券石排布数据一览表 表2

此方案整体石块利用率可达57.88%，但部分尺寸石块：270mm，280mm使用较多，仅剩几块，未充分考虑加工损耗，会存在后续该尺寸老石料缺失情况。与此同时，拱券内外两侧石块需要双面糙道加工，老石料加工槽道会更进一步加高损耗率、成本费用等。

方案2，采用部分拱券区域使用老石料布置，此方案在考虑损耗的情况下，亦可尽量保证老料的使用区域规整。

3.3 三维数字化技术辅助传统工艺砌筑

传统工艺，即根据石料尺寸大小情况，提前加工风水尖石块，其余标准处，工匠师傅根据现场堆料位置实时砌筑，此过程中存在现场测量配料、切割、加工的情况。该项目过程中采用手机拍摄实际现场素材，生成三维模型数据，结合现场已有石料尺寸进行石料预排布，将测量、配料、切割、加工等工序由实际现场迁至办公区域，从而避免损耗、加快项目进程。

图32 拱券石排布方案二模型（不同颜色代表不同厚度石块）

图33 三维预排布模型

3.4 运用BIM技术协同设计

3.4.1 协同碰撞检查

项目利用REVIT对桥的桩基础，承台、围护桩、墩身、桥身、桥面等按照实际施工进度，原比例建立三维模型，进行三维碰撞检查，在施工前期发现碰撞元素，从而避免施工过程中的返工、缩短工期、节约成本。

①施工前期，发现钢板带布置位置会影响到后续石块砌筑作业，反馈问题，调整变更钢板带预埋预制，解决碰撞问题。

②施工前期，发现拱架加固板与砌筑石块存在碰撞，反馈问题，调整挡水墙砌筑位置，解决碰撞问题。

③施工前期发现拱架方案中：由于大放脚处尺寸外放，木支撑厚度将达500mm，过厚的支撑将会带来较大自重荷载，对后续拱架受力及施工难易程度都存在一定影响，从而拱架方案作出一定的调整。

图34 碰撞点1

图35 碰撞点2

图36 碰撞点3

图37 2#桥墩金刚墙工程量信息复核

图38 2#桥墩质量信息管理

图39 施工进度模拟图

3.4.2 施工质量管理

伴随项目施工进展过程，结合BIM数字化信息模型进行项目施工信息录入，对修缮的大桥构件进行参数化信息存储，质量化检验，质量验收。

3.4.3 进度计划模拟

将前期三维数据模型与施工进度计划相链接，将空间信息与时间信息整合在一个可视的4D(3D+Time)模型中，然后直观、精确地反映整个项目的施工过程，也可对三维检修设备、施工临时措施等进行预模拟。以动态的形式精确掌握施工进度，优化使用施工资源以及科学地进行场地布置，对整个工程的施工进度、资源和质量进行统一管理和控制，达到缩短工期、降低成本、提高质量的目的。以提高文物建筑体系维修的可行性、安全性、高效性。

3.4.4 BIM平台的建立及运行

基于文物桥梁的施工BIM模型,建立智慧工地平台，施工现场开展文物桥梁重建的在线实名制管理、现场施工环境监测、涉水施工安全监测、起重设备安全预警、现场视频监控、施工进度与质量管理等无缝融合，并将文物桥梁重建现场数据推送到云平台，工程状况一目了然。

在运维阶段，基于BIM平台对文物桥梁实施安全监测，对实时水位、环境温差、桥基与拱圈结构应力应变位移进行监测,实现文物桥梁复杂环境下的多维感知监测，可及时采取措施抵御桥梁面临辅以环境中自然灾害威胁。

4 总结

利用BIM技术，结合镇海桥修缮项目中实际存在的难点问题，构建三维可视化的虚拟模型，项目中历史遗迹的数字保存、石块构件的砌筑、“禁止取鱼”字迹石块构件拼接、砌筑石块预排布等难点问题得到很好的解决。问题的解决不仅提高现场的施工效率，提高石块构件的利用率，而且帮助技术人员和施工人员通过三维思考方式精准施工，在一定程度还原了古桥原始面貌，提高了古桥修缮质量。

BIM技术的应用为古桥修缮工作带来了全新的方式。古桥的时空、属性信息在BIM中被关联在一起，用数据信息还原了古桥的结构形式及工艺做法，对于提高文物建筑保护的科学技术水平，促进文物建筑保护的信息化，具有巨大的应用价值和广阔应用前景。