BIM技术在市政高架桥施工中的研究与应用

刘松梅　任维超

【摘要】我国桥梁历史悠久，赵州桥、安平桥等历经千年屹立至今，显示了古人杰出的工艺水平，近现代由于桥梁科学理论的发展以及预应力混凝土和高强度钢材相继出现，在解决跨度和材料问题上出现了突破和变革，钢架桥、悬索桥、斜拉桥等组合体系桥梁相继成为主流桥梁类型，真正意义上实现了天堑变通途。

【关键词】BIM技术;市政高架桥;施工应用                                  【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.11.009

引言：

虽然BIM技术在解决桥梁工程施工阶段的问题上具有诸多优势，但是研究过程中也发现了BIM技术在现阶段的一些局限性。BIM技术对软硬件的要求较高，现阶段无论是高校还是施工单位，对从业和执业资格方面并不做具体要求，导致了技术水平上的参差不齐，因此在建模和应用时存在差异性。

1、BIM技术的理论概述

BIM技术即工程信息模型，是当前工程行业中应用广泛的一种新型技术，贯穿应用在工程投资、设计、实施及竣工验收等环节，还可以融入高架桥施工运营管理中，简化以往施工及管理流程，全面掌握施工情况，切实维护高架桥施工的整体效益价值。BIM技术主要建立在信息化技术基础之上，将工程相关的数据信息进行整理，由专业人员将其输入系统内部进行集中管理与分析，最后把数据整理到同一数据模型中，利用技术本身的模拟特性对施工全过程进行虚拟化模拟，以直观的三维建筑模型来展现所有施工环节。设计者及管理者通过分析模型相关的数据信息，明确施工重难点，制订最佳的施工方案及对应的管理方案，从而达到控制施工过程资金风险等目的，推动项目建设目标的实现。

BIM技術在高架桥施工中的实践应用具有以下重要作用。（1）将以往的设计图纸从二维信息模型转换为三维可视化模型，提供给设计者便利的工作条件，让他们在短时间内找出设计缺陷，然后采取有效措施进行完善。（2）实现工程各项数据的专业化、系统化管理。在后续施工及管理工作的开展中，相关人员直接查询数据信息即可调取施工所需数据并进行合理的管理，使工程设计的精准性更高。（3）利用BIM技术自身的数据分析性能和直观的三维效果图，可高效、快捷地完成施工前期的准备工作，有效防止因数据遗失等问题造成的返工或重建等。

2、BIM技术应用意义

（1）促进工程建设信息化

进入二十一世纪以来，随着经济全球化发展和信息技术的突飞猛进，建筑市场的形势面临巨大的变化，首先，改革开放以来，国外建筑企业纷纷进入中国市场，对中国本土的设计施工企业的发展带来了压力，同时，中国设计施工单位走出国门，在非洲及东南亚国家开拓了新的市场，市场化及全球化的发展为我国设计施工企业带来了机遇也带来了挑战，面对日益激烈的竞争，建筑业的信息化升级日益紧迫。国的建筑业总产值十分巨大，在2016年底达到193567亿元，虽然近年增长有所放缓，但是极高的总产值和目前建筑业相对不完善的信息水平使得建筑业信息化发展的空间巨大。建筑业信息化是建筑业发展的趋势和导向，也是提升建筑业施工水准和利润空间的有效动力，对改善建筑业发展道路，提升核心竞争力有重要意义。

（2）促进工程精细化管理

应用BIM技术意义在于减少无效工作量，BIM技术在一定程度上通过加快数据共享减少了过程环节的无效工作量，在施工企业的粗放型管理中，可优化的施工动作和不必要的资源浪费导致了工程进度和造价的双重上涨，根据美国相关部门的研究，建筑业的无效工作量达到了57%，而制造业的无效工作量才26%，在我国这个值估计更高。2016年，全国完成铁路公路水路固定资产投资27902.63亿元，如果无效工作量能降低达制造业水平，那么每年将会为我国省下大约8600亿元的支出。

（3）提升施工水平

桥梁作为一种特殊的结构形式，施工风险大，工期长，工艺特殊，施工质量要求高，在新技术的采用进度上一直落后于其他工程。针对桥梁施工存在的如精细化管理、工程造价、质量控制和设计施工协调等问题，利用BIM技术在虚拟施工、工艺优化和应用分析等方面具备的强大能力，协调处理施工阶段出现的问题。

BIM技术的优势在于以其强大的理论支撑和技术基础，为解决这些问题提供了行之有效的方法，对提升项目生产效率、提高桥梁工程质量、提升施工水平、降低建造成本意义重大。

3、BIM技术在市政高架桥施工中的应用

3.1 BIM技术施工准备阶段的应用

BIM技术具有很多应用优势，在高架桥施工前期准备阶段，都可利用BIM技术的程序化特性，依托于BIM技术的指导，对施工流程进行梳理和分析，确保将工程各施工环节的具体工作明确地划分出来，同时加强对高架桥施工风险的预测，制定有效的风险规避措施，减少施工过程中各种影响因素对建筑施工进度、质量、效益等方面的影响。施工准备阶段BIM的应用主要有这几个方面：施工深化设计，施工方案模拟示，施工现场临时设施规划以及大型预（构）制件加工及运输。与传统CAD图纸相比，BIM技术具备了更加直观的视觉体验，在施工准备阶段，BIM技术人员的主要任务是结合自身经验以及施工现场情况，听取施工人员意见，应用BIM技术对施工图纸进行深化，其主要目的是检验施工图纸的准确度，对建筑信息模型的施工科学性、可行性进行合理分析，减少冲突碰撞，并在此基础上进行优化。在桥梁工程结构模型的基础上编排施工工艺进程，施工进度安排等内容，可实现施工工艺的视频化仿真演示，提升施工方案的可操作程度，提高施工效率。通过施工场地的合理化布置可以提高施工效率，避免由于布置不科学出现的交通堵塞和安全问题。此外，桥梁工程中，大型预（构）制件较多，尤其是预制箱梁和大型钢筋笼和钢模板等，在准备阶段，利用BIM技术及早沟通准备，确保了构件质量和施工开展。

3.2基于BIM技术的施工现场临建规划

施工场地标准化建设一直以来都是优秀施工企业施工安全文明建设的重点，通过施工现场规划和整理，能够减少施工作业范围内空间上的冲突，优化空间结构，提升安全程度和利用效益。通过虚拟施工现场环境，布置和优化各种施工材料设备的堆放位置和场地临时道路，提高施工效率，应用BIM技术，我们可以将施工场地内的大型设备机械，如塔吊、龙门吊施工作业半径内的建筑物、高压线等，在虚拟环境下展现出来，将影响吊装的各种障碍物及时处理，避免出现安全事故。同时可将将现场规划模型与物联网集成，可实时监测施工区域内的人流分布和车辆进出入情况，查看施工动态，保障人员和物资安全。

其具体应用流程如下：

（1）数据准备

1）施工作业模型;

2）现场道路、材料、设备机械，安全设施位置;

3）施工车辆进出数量、时间段;

4）施工現场周围情况。

（2）操作流程

1）整理数据、确保数据真实可靠。

2）根据现场实际情况在施工作业模型中绘制固定物体模型，将模型在Naviswoks软件中载入塔吊，计算旋转半径，检查施工部位是否在旋转半径内，及施工红线位置，避免出现碰撞和障碍物。

3）规划各种材料机械堆放位置，尤其以变电箱、安全灭火器材等位置应着重标准，确保位置合理性。

4）与物联网集成，在模型中链接门禁系统、监视系统等情况，查看施工现场内施工车辆、施工人员流动情况。

5）确定疏散通道、施工车辆停靠等位置。

6）生成每日监测报告。

3.3基于BIM技术的预制构件加工与运输

桥梁工程中大型预制构件数量较多，一般施工项目由于经济性原因和场地原因，一般不在施工区域内建立大型预制场地，尤其是在一些高架桥项目中，预制箱梁、大型钢模板、钢围堰等重量轻则几十吨，重则上百吨，预制构件的运输极其困难，故基本上施工单位选择向预制构件厂商定制或者采用已生成的构件。但是目前设计单位与预制构件厂商联系不够紧密，构件厂商在生成过程中出现的疑惑在由施工单位传递给设计单位的过程中出现延误、还有施工单位调整等问题，都影响了预制构件的使用性能。将BIM技术应用到预制构件的加工与运输过程，主要是利用BIM技术的以下几个功能：

（1）数据共享，通过框架协议，设计单位和施工单位可以随时将需求情况和参数调整通过端口发送给厂商;

（2）可视化，BIM模型可从三维角度反映构件的详细资料，厂商的施工人员在预制构件时可清楚的理解设计意图，避免预制时出现误差;

（3）材料统计，构件厂商通过BIM模型提取材料工程量，便于造价核算和成本预算。

3.4 BIM技术在施工实施阶段的应用

在桥梁工程中，施工实施阶段是指工程开工至工程竣工的整个工程实施过程，是把整个桥梁图纸的各种线条在指定位置转换为实体的过程。这个阶段的主要工作任务是协调各方在指定时间内通过科学合理的管理手段履行合同约定的全部施工作业内容，确保工程质量和相关指标要满足到交付要求。

精细化管理和信息化管理是国内施工行业的发展趋势，在桥梁施工实施阶段，利用施工准备阶段完成的施工作业模型，结合相应的BIM管理软件，进行施工过程的资源优化和进度控制，合理规划施工进程，有利于发现和解决工程中存在的协调问题，降低施工风险，同时，按照前期优化后的施工方案比对现场施工情况，实现人、机、料、法、环的统筹配置，控制施工进度和造价，在BIM技术的帮助下，施工管理人员能更加及时注意到质量和安全问题，实现工程精细化管理。

3.4.1基于BIM技术的施工进度对比

BIM技术以数据信息处理技术为基础，主要应用在工程数据系统中，负责对工程数据进行加工处理、分析及储备。如果仅仅依靠人工方式收集、分析和处理工程数据，根本无法保证数据信息的全面性和准确性，而BIM技术的应用使数据处理工作效率更高、更简便。而在此基础上与实际施工进度进行对比，可以明显的反映施工过程中的相对不足的地方，进而研究和解决存在的问题，实现工期的缩减。其具体应用流程如下：

（1）数据准备

1）编制施工进度计划的资料及依据;

2）施工作业模型;

3）施工进度相关资料。

（2）操作流程

1）收集数据，整理。

2）根据WBS（工作分解结构），将施工任务分解为可单独匹配某项进度的单项活动，然后根据施工方案确定的施工组织安排和逻辑关系，计算单项工程的工期，制定初步施工进度序列。

3）通过BIM进度管理软件将进度计划与工程施工作业模型链接。

4）检查施工进度是否满足工期、劳动力、材料、环境等要求，对不满足约束条件的单项进行优化和调整，以达到满足实际情况下的最优化为目的。

5）通过比较施工进度现状与计划目标，针对存在进度偏差的施工问题，先分析其进度缓慢的原因，再制定改进对策，防止对项目整体进度产生影响。在质量管理方面，管理人员也可采取相同的方式，将施工现状与计划目标进行比对，快速查找问题原因，为后续施工的顺利实施提供改进对策，从而促进项目质量及进度目标的实现。

6）生成施工进度控制报告。

施工企业的进度计划控制一般以Project软件生成的甘特图为核心，其主要内容包含了施工内容、施工起止时间、持续时间和搭接时间，甘特图能有效反映项目管理时间和进度之间的双重约束，但是如果内在搭接联系过多，图形必将纷繁复杂而增加读图时间，故在房建项目中比较适用，在桥梁工程中由于多个工作面开展及先后施工内容的重复搭接，其运用深度有限，此外纯文本的施工进度计划直观性差，无法实时跟踪，只能抽象表达进度过程，编制及优化进度计划时计算复杂，难以发现计划不合理处，也不能直观地对实际进度进行跟踪和分析。

3.4.2基于BIM技术的安全控制

针对不同的项目，安全控制的重点都不一样，尤其是在桥梁工程中，水上作业和平台作业较多，应用BIM技术在进行安全管理的时候，随时要注意管控重大危险源。此外，针对桥梁施工质量，可利用BIM技术建立事先预警机制，在该工序施工前，利用BIM施工工艺模拟视频进行交底，对重点部位施工加强现场管理。基于BIM技术的安全控制流程如下：

（1）数据准备

1）施工作业模型;

2）质量保证措施、计划;

3）安全专项施工方案。

（2）操作流程

1）收集數据资料;

2）根据施工方案里的质量保证措施和安全专项施工方案结合专业管理人员建议，布置安全防护实施，尤其以变配电箱、逃生通道、预留管井口等应着重标注，完善施工作业模型。

3）利用施工作业模型的可视化功能，向现场施工作业人员强调质量管理重点，向安全管理人员传递安全保证的重点问题。同时，利用精细化施工作业模拟视频帮助现场劳务人员理清楚施工操作及质量控制、安全管理的重点，提前预防因施工经验不足而引起的质量安全问题。

4）对于现场出现的质量安全问题，做好记录工作，及时处理。并以各种影音资料的形式在施工作业模型中链接，记录出现问题的施工部位与节点情况，分析原因，积累相关经验，为以后类似工程的展开提供有效依据。

质量和安全的控制措施一般在施工方案中强调，但是在实际施工过程中，劳务人员并不会刻意去注意这些细节性的内容，通过BIM技术去落实质量安全管理的内容，其主要方式是通过简单易懂的方式让劳务工作人员在操作活动中注意到这些问题的存在，从而形成安全防范意思。

3.4.3基于BIM技术的信息化施工

信息化起源于机械制造业，第二次世界大战后，传统的工艺生产流程在效率和误差方面的问题严重阻碍了企业发展，恰逢其时，计算机技术的发展带动了制造业生产工艺的变革，即第一次CAD技术革命，CAD技术的发展，在本质上触发了各行各业的信息化进程。在高架桥领域，由CAD的二维时代向BIM的三维时代转变，本质上是工程走向高端集成信息化的一种反映。信息的详细程度越高，对施工质量和安全的提升就越大。桥梁施工过程中，基于BIM技术建立的建筑信息核心模型，将数字化信息与施工工艺流程结合起来，从而实现桥梁工程的信息化施工。

结语：

网络以及通信技术的发达使得越来越多的高新技术出现在人们的视野，高新技术的出现使得各个领域都开始出现了翻天覆地的变化。其中BIM技术就是众多新兴技术中的一种，目前BIM技术已经被广泛应用到了建筑领域，并且也取得了很好的效果。城市桥梁作为建筑领域的一项基本建筑工程，也将BIM技术充分的结合到了桥梁的施工过程当中，以此实现对施工方案的有效优化，在保证质量的基础上，缩短工期并降低成本。

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