基于BIM的高铁连续梁桥施工过程可视化管理技术研究

王飞球，何祥平，郜 辉，赵亚宁，谢以顺，茅建校，王 浩

(1. 中铁二十四局集团有限公司,上海 200433；2. 东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，江苏南京 211189)

0 引 言

21世纪以来，中国高速铁路产业飞速发展，并取得了举世瞩目的成就，高速里程世界第一[1]。高速铁路中常采用“以桥代路”的方式修建，如京沪高铁全线中桥梁长度约占总里程的80%，其中连续梁桥整体性好，抗震性能优异，是高速铁路跨越河流、既有线路的主要结构形式[2]。然而，高铁连续梁桥量大面广、施工要求高、工期紧张，传统施工管理模式多依赖于管理者的经验，实际施工易出现工期拖延、合龙精度低、成桥线形误差大等问题，迫切需要利用信息化手段改善上述问题[3-7]。

建筑信息模型(Building Information Model,BIM)可实现施工过程的可视化和项目文件的高效管理，是提升桥梁施工管理信息化水平的重要手段之一[8-10]。不少研究者已将BIM技术应用于桥梁施工管理中。Jung等[11]以Cheongpoong斜拉桥为工程背景，基于BIM技术完成了该桥梁施工过程的可视化设计、进度成本分析、碰撞检查、施工工序模拟等，验证了BIM技术在桥梁施工过程应用的可行性；Golparvar-Fard等[12]结合摄像技术与BIM技术，实现了3D施工模拟；Salama等[13]基于IFC标准，提出了施工进度计划理念，开展了4D(3D+时间)施工可视化模拟；张建平等[14-15]在建筑施工管理领域实现了施工管理的4D动态可视化，并结合IFC标准与4D信息模型，研发了新型4D项目管理系统。BIM技术在高铁连续梁桥中的研究和应用仍鲜见报道。综合现有研究发现，基于BIM开展的研究和应用目前主要侧重于结构设计、施工管理等单一目标，尚未在工程中实现桥梁设计、施工与管理的系统化应用。

为此，本文以新沂特大桥为工程背景，开展了桥梁参数化建模、碰撞检查及进度管理的BIM技术应用研究。采用参数化策略建立了各类构件族库，实现了桥梁场地模型、结构模型、钢筋模型和施工设施模型的快速搭建。建立了4D施工进度管理模型，实现了材料、设备、场地的动态管理和施工进度的可视化监控，研究成果可为高铁连续梁桥施工提供有效参考。

1 工程背景及BIM技术平台

跨新沂河连续梁桥(48 m+80 m+48 m)为单箱单室混凝土箱梁桥，箱梁为直腹板、变截面、变高度的结构形式，采用特制三角挂篮悬臂对称施工，施工过程中连续梁块段的划分布置如图1所示。连续梁共分47段，包括2个0号块、40个悬浇段(1～10号段)、2个边跨现浇段、2个边跨合龙段。中支点0号块长度为12 m，悬浇段纵向分段长度为2×2.7 m+1×3.1 m+7×3.5 m，合龙段长度为2 m，边跨现浇段长度为7 m。

图1 连续梁块段划分布置(单位:m)Fig.1 Division Layout of Continuous Girder Blocks (Unit:m)

Autodesk公司的REVIT软件具有强大建模功能，建模自由度高，可创建精细的三维立体可视化结构模型，同时能够实现视图关联更新，保持模型各图纸的一致性。Autodesk公司的NAVISWORKS软件在可视化施工模拟、整体结构分析以及信息交互方面具有很强的实用性，具有平滑地实施漫游、兼容多种模型格式、操作界面友好等特点[16]。NAVISWORKS与施工进度计划编制软件PROJECT具有交互性，可实现施工进度计划数据的共享、4D施工进度的模拟与管理。因此，选用REVIT和NAVISWORKS开展研究。

2 高铁连续梁桥BIM建模

2.1 REVIT参数化族库

依据施工图纸、施工专项方案等资料，采用参数化建模策略，做忽略齿块、附属设施等简化处理，创建了多元化的桥梁族库，如图2所示。

图2 桥梁结构族库与常用施工临时构件族库Fig.2 Libraries of Bridge Structure and Common Construction Temporary Components

2.2 核心模型

(1)场地模型。基于现场考察情况及勘察报告等资料，建立了新沂河、两岸、桥墩等模型，综合组成场地模型，如图3所示。该模型可作为后期进行施工场地部署模拟和交通组织规划的基础。

图3 场地模型Fig.3 Site Model

(2)结构模型。基于桥梁结构族库，建立了桥梁结构模型，如图4(a)所示。在参数化建模过程中对结构模型进行了如下简化处理：创建箱梁节段模型时，梁高和腹板宽视为线性变化，建立了一个通用族，通过更改底板厚度、腹板厚度、截面高度、节段长度等参数，实现箱梁节段的快速、精确建模，提高建模效率。将场地模型与桥梁结构模型关联，创建了高铁连续梁桥整体模型，如图4(b)所示。

图4 连续梁桥整体模型Fig.4 Overall Model of Continuous Girder Bridge

(3)上部钢筋模型。建立了该桥箱梁钢筋模型，如图5所示。钢筋模型可用于统计用钢量，并指导实际施工过程中的钢筋下料，确保钢筋型号与位置准确。基于钢筋模型，还可通过碰撞检查，实现对设计图纸的校对及设计漏洞的补正。此外，建模过程中，针对按空间曲线布设的预应力筋建模时难度大、过程繁琐问题，提出了创建特定新族的方法，通过更改位置坐标控制参数，可直接建模，无需反复使用剖面，较一般建模提高了建模效率。

图5 连续梁桥上部结构钢筋模型Fig.5 Reinforcement Models of Continuous Girder Bridge Superstructure

(4)三角挂篮模型。变截面箱梁施工难度大，为保证施工安全及成桥线形，须严格控制挂篮各项性能满足要求，并做好相应的施工监控工作。因此，除了常规的临时构件，还建立了三角挂篮BIM模型用于后期进行施工模拟和施工过程碰撞分析，如图6所示。

图6 三角挂篮模型Fig.6 Model of Triangle Hanging Basket

3 高铁连续梁桥施工方案分析

3.1 碰撞分析

3.1.1 钢筋碰撞检查

依赖传统的二维图纸进行施工存在返工率较高、材料浪费率高、施工效率低等问题。为在实际施工中准确地指导钢筋下料，对建立的钢筋模型进行了碰撞检查，以找出钢筋及预应力管道排布中的碰撞交叉点，图7为N6a号箍筋与N10a号纵筋发生碰撞效果图。

图7 钢筋碰撞分析结果Fig.7 Collision Analysis Results of Reinforcement

根据碰撞报告对BIM模型进行调整，优化钢筋排布方案，进而形成碰撞分析表，具体示例见表1，跟踪排查实际施工中钢筋的碰撞情况。

表1 钢筋碰撞分析表Table 1 Collision Analysis Report of Reinforcement

3.1.2 施工过程碰撞分析

将桥梁结构与施工设施的模型导入NAVIS-WORKS软件中，进行了施工方案模拟预演。对可能发生碰撞的潜在冲突对象进行碰撞分析并生成分析报告，发现施工过程的潜在问题，进而调整施工方案，减少甚至消除项目返工所带来的时间浪费与材料损失。例如，支架与围堰的碰撞分析结果如图8所示，其中椭圆标记为支架与围堰发生碰撞的位置。

图8 施工过程支架与围堰碰撞分析结果Fig.8 Collision Analysis Results Between Support and Cofferdam During Construction Process

为解决工程项目中的碰撞冲突问题，本文总结了如下方法：

(1)预测工程中可能发生碰撞的部位，确定各构件的位置并建立三维模型。

(2)对各构件可能产生碰撞的原因及造成的后果进行预分析，制定检验方法。

(3)将潜在的碰撞冲突对象分别添加至碰撞检查集合中。

(4)涉及动态对象如机械运行、吊装路径时，在NAVISWORKS软件中先创建施工动画，以实现在特定工序的碰撞检测。

(5)通过运行NAVISWORKS的“Clash Detective”功能，为碰撞检查设置检测规则和检测类型。

(6)输出碰撞检测报告，分析碰撞原因，并联系相关负责人确定解决方法。

3.2 场地布置模拟

为充分合理利用施工场地，对施工现场布置方案进行了模拟，如图9(a)所示。通过三维立体化布设施工临时设施，获得了施工场地布置方案的合理功能分区，规划了场地临时道路，安排了车辆进出场路线，如图9(b)所示。利用BIM对工程施工现场布置方案进行模拟，将现场情况可视化，提前合理划分功能区，可提高材料、设备等在施工期间的运转效率及利用率。

图9 施工场地布置模拟Fig.9 Simulation of Construction Site Layout

3.3 3D施工文档

针对传统二维图纸施工交底过程中的不足，生成了该桥挂篮施工、吊架施工方案的3D施工文档，用于可视化交底。以边跨现浇段支架施工为例，生成的3D施工文档如表2所示，文档中以图形形式可视化展示了具体步骤，并添加了相应的施工说明。基于BIM形成的3D施工文档，便于施工人员了解施工过程，尤其是降低复杂工序的理解难度，提高施工效率，减少因理解错误导致的返工时间。

表2 边跨现浇段支架施工3D文档Table 2 3D Documents for Bracket Construction of Side-span

3.4 施工监测可视化展示

基于BIM信息集成特点，根据桥梁监测的测点布设方案，可以将梁体控制截面的测点应变计与温度计的位置进行可视化展示，关联模型上的测点与采集到的监测数据，不仅便于施工人员理解布设方案，而且相比传统方式更利于数据的准确记录，在工程技术人员对监测数据进行后续调用时也更加方便。图10给出了基于BIM的箱梁监测布置模型，可视化展示了箱梁上的应变片、温度传感器等测点的布设。表3进一步对比了基于BIM技术的桥梁安全监测与传统监测方式。

表3 基于BIM的桥梁施工安全监测与传统监测对比Table 3 Comparison Between Construction Monitoring Based on BIM and Traditional Way

图10 施工监测布置可视化Fig.10 Visualization of Construction Monitoring Layout

4 高铁连续梁桥4D施工进度管理

传统的施工进度管理方法因缺乏一定的灵活性与协调性，易形成信息孤岛。当一方或多方出现进度滞后时，若沟通决策不及时，将导致工程进度延误，使项目进度、成本与质量间难以平衡[17]。实际施工中，易出现为抢进度而造成成本增加、质量不达标、多次返工、进度滞后的恶性循环，导致项目进度不断滞后、成本突增[18-20]。BIM模型具有多维性与信息交互性，能够将数据动态展示给各相关方，实现对施工进度的实时监控和动态化管理[21]。

4.1 4D施工进度模拟

将BIM与施工进度计划相链接，在三维模型的基础上增加时间维度，对连续梁桥进行了4D施工进度模拟，其主要流程如表4所示。

由表4和图11可知，基于BIM技术的4D施工进度建模过程虽步骤较多，但过程清晰简单又具有较强适用性，一定程度上体现了人性化设计的特点。

图11 4D施工进度建模Fig.11 4D Construction Schedule Modeling

表4 4D施工进度模拟流程Table 4 4D Simulation Process of Construction Schedule

4.2 4D施工进度管理

通过创建不同视点，以动画手段直观展示全桥施工流程及关键工序，可使相关工程人员看到不同时间的现场施工作业情况。同时对比施工实际进度与计划进度，有利于管理人员查看施工滞后或超前情况。图12给出了该桥4D施工进度管理部分界面。从图12可以看出，将BIM和施工管理相结合，可实现3个方面的现场管控：①施工现场三维漫游，通过三维模型布设施工现场，解决传统平面布设画面杂乱、难以区分大量信息和线条的问题，结合三维漫游技术，使施工现场层次分明，降低施工风险发生几率，如图12(a)所示；②施工设备及物料安排，通过模拟现场物料运输与设备进场，明确材料进场情况、场地占用情况、车辆安排情况等，以便管理人员及时作出安排，实现资源合理供应，如图12(b)所示；③施工进度实时监控，对BIM模型赋予时间信息(计划进度和实际进度)，直观展示任务进度状态，以便及时调整施工方案，实现施工进度的有效控制，节省工期，如图12(c)所示。

图12 高铁连续梁桥4D施工进度管理Fig.12 Management of 4D Construction Progress of High-speed Railway Continuous Girder Bridge

5 结语

(1)基于BIM的高铁连续梁桥参数化建模方法提高了模型的建模效率，降低了建模复杂程度。

(2)通过BIM进行碰撞检查分析，可修正设计错误与漏洞，调整优化获得最优施工方案，在高铁桥梁实际施工时减少返工次数，降低材料浪费，提高施工效率与工程质量。

(3)利用BIM进行4D施工进度管理，可直观展示施工进度滞后或超前情况，相对传统手段，可更为明确、直接地指导现场施工。

(4)本文主要采用REVIT软件和NAVISWORKS软件开展了基于BIM的高铁连续梁桥施工过程可视化管理技术研究，未来将致力于开发更为完整的应用平台，为提升高铁连续梁桥施工信息化程度提供可行的方法和途径。