基于BIM 的铁路转体桥梁施工精细化管理

丰逍野，朱俊波，马耀举，董俊

（1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040；2.中交投资有限公司，北京 100020；3.中国地质大学（武汉），湖北 武汉 430074）

0 引言

数字化信息时代下，在桥梁工程中进行数字化方案拟定与结构设计、信息化施工模拟与变更协调，精细化施工与文明管控，已成为当前桥梁工程施工大环境下的热点问题。而BIM（Building Information Modeling，简称BIM）技术的高速发展，从早期的建筑领域深入到公路领域之中，为桥梁工程施工注入了新的活力。BIM 技术在方案规划、施工、设计、管理维护等多领域都涌现了许多优秀的应用案例[1-5]，如京张、京雄铁路转体桥等工程BIM 应用，其内容主要围绕于施工交底、进度模拟及工程量统计。随着BIM 技术的深层推进，开始出现BIM 与其他技术手段的交叉应用[6-10]，如基于BIM+GIS 技术进行工程管理，实现数据集成，还可结合物联网、云计算、计算机视觉分析等手段，解决桥梁工程中的后期运维问题。

但目前BIM 技术在桥梁工程中的应用，也表现出了一些问题。BIM 技术以其三维可视、单体模型精细为特点，多被应用于桥梁工程出图统量及可视化交底。而桥梁工程以跨越能力为功能需求，尤其是铁路桥梁，其施工与周边场地环境息息相关，两者之间是否存在侵入干扰问题目前研究甚少，导致常出现前期拆改方案模糊拟定，数据支撑较少等问题。此外，对于施工单位而言，更为注重BIM 技术在施工阶段的生产管控能力，达到有条不紊的全局管理。桥梁工程推进过程中涉及工种多，导致基于各种BIM 格式文件下的多方人员之间的信息传输很不友好，往往出现单位之间信息变更与交互不及时，文件查看困难等问题，协同效率低，缺乏系统的平台管理与信息数据规整。如何在桥梁工程施工管理中进行数据集成、协同管理，也是需要研究的问题。

对此，本文进行BIM 技术下的铁路转体桥梁施工精细化应用研究，基于BIM 技术进行桥梁与场地环境智能分析，将BIM 模型与实际施工深入结合，并通过BIM 协同平台进行集成管理。

1 BIM 精细化施工应用集成

BIM 技术通过一个三维模型数据库，以其可视化、协调性、优化性、模拟性、可出图性5 个特点，能实现所有工程信息的集成。信息库不仅能包含几何信息，同时能集成空间状态信息。而且即使BIM 软件层出不穷，种类繁多，对应产生的文件就有RVT、NWC、NWF、DWG、CHE 等多种格式，但在基于统一的IFC（Industry Foundation Class）数据模型标准下，不同软件可以共享同一数据源，从而达到数据的共享及交互。

汪军等[11]构建基于双“核心结构树”构建管理平台，根据树形结构特点及工程建设管理特点，提出结构树在各业务系统的应用场景及方法，有效解决公路工程建设过程中数据共享与传递的问题。基于上述BIM 技术的特点，通过建立三维可视化的交互环境，及桥梁结构BIM 三维模型，将工程所有信息进行集成，包含工程主体结构，场地环境信息，施工组织信息等，相互映射，相互反馈。从现实场景转变为虚拟模型，再由虚拟模型反馈到现实工程，最终实现在BIM 协同平台上进行系统的集成管理。为避免各种数据信息混乱及流失，在BIM 协同平台建立BIM 数据库框架，输入数据，进行分类管理，设置权限查看，提高管理质量。数据库与源模型同时实时更新，项目各方可根据需要进行BIM 数据的提取，同时，若工程推进过程中发生前后环节不匹配的现象，例如发生施工变更，或者当前设计不满足后期运维要求，也可以录入新的数据信息进行补充修改，并直接影响到源模型的变更，实现信息的动态化变更与储存。图1 为BIM 应用集成框架。

图1 BIM 应用集成框架Fig.1 Integration framework of BIM application

2 应用实例

2.1 工程概况

本文依托京秦高速ZQ-SG-10 标段的上跨京哈铁路大桥，位于秦皇岛市山海关区古城村东侧，桥下铁路等级为国铁Ⅰ级。其中（61+119+61）m预应力混凝土转体连续箱梁、2×66 m 转体T 构均为涉铁转体。预应力混凝土转体连续箱梁设3 号、4 号2 座转体主墩，转体T 构设7 号1 座转体主墩，其中3 号、4 号两主墩双向转体85˚和81˚，7号墩逆时针转体87˚。转体桥与津山铁路下行线交角95˚，与龙山铁路下行线交角79˚，与龙山铁路上行线交角83˚，与津山铁路上行线交角89˚。桥梁平曲线半径1 600 m，其工程概况总览见图2。现对（61+119+61）m 连续箱梁，2×66 m 转体T 构2座转体桥梁，拟采用BIM 技术进行铁路转体桥梁施工精细化管理应用研究。

图2 京哈铁路大桥效果图Fig.2 Effect drawing of railway bridge on Beijing-Harbin Railway Line

2.2 施工场地交互分析

由于转体桥桥址位置禁止无人机飞行进行航测作业，无法使用GIS 技术进行场地地理信息采集与模拟，使该工程前期相关拆改方案拟定变得困难许多。在此情况下，仅依靠原始CAD 平面地形图的高程信息，基于BIM 技术，结合场地环境信息，进行可视化分析研究桥梁转体的碰撞情况，为工程的安全提供有力保障，提高施工精细化程度。

2.2.1 转体碰撞模拟

采用BIM 设计建模软件Sketch Up 进行桥梁上部结构建模，基于三维空间可视化定量分析梁体间的碰撞情况，对各梁体之间转体过程中的最小间距进行三维测量，精准监控转体过程安全情况，如图3 所示。

图3 转体碰撞方案模拟Fig.3 Simulation of swivel collision

根据工程要求安排，先后对7 号、4 号、3 号转体主墩进行转体仿真模拟。经动态模拟分析，转体桥梁各梁体在转体过程中均无结构碰撞，确保实际施工桥梁转体安全可靠，并得到对转体桥梁（61+119+61）m 预应力混凝土转体连续箱梁转体角度与梁端最小间距关系曲线如图4 所示，最小间距均大于0 无碰撞发生。

图4 连续箱梁转体角度与梁端最小间距关系曲线Fig.4 Relationship between rotation angle of continuous box girder and minimum spacing of box girder

由图4 可知，3 号、4 号梁体在转体进行至68˚左右时，梁端距离达到最小值。由于工程实际施工不确定因素较多，因此转体达到该位置时为最高风险状态，需在实际施工时进行精准控制。基于此BIM 分析结果，建议施工3 号主墩转体达到50˚时降低转体速度，同时相关单位严格监控梁端距离，保证精细施工，严防安全事故发生。

2.2.2 净空分析及接触网碰撞模拟

项目工程中桥梁上跨4 条国铁I 级铁路线，对桥下净空及转体过程的铁路接触网碰撞与否有着严格要求。传统的基于二维平面图纸的碰撞分析，已不能满足工程人员的工作需求，其可视性差，计算繁琐，严重降低了拆改方案拟定的工作效率。基于BIM 技术，进行接触网碰撞三维可视化模拟，通过Sketch Up 进行铁路运营线搭建，使用ENE Rail Road 模拟铁路插件，将平面线条转变为铁轨，并添加JPod support Structure 结构支柱调整至指定高程，按间距要求进行路径阵列，模拟铁路沿线接触网，将桥梁与场地互相结合进行三维分析。

由于工程航测受限，无法得到精准的三维实体地形模型，仅依靠CAD 平面图中的高程点进行模型分析，导致Sketch Up 中每条运营线的接触网信息均基于同一高程。缺少高程z 轴变化下的数据信息问题属于二维平面问题，不能真实模拟现实情况。

针对此问题，选定任一高程点作为基准高程平面进行接触网建模，然后依据CAD 中其他高程点与基准平面的高程差对Sketch Up 中z 轴高程进行校正。Sketch Up 中的桥下净空数据只需要在模型数据基础上加上校正值，便能贴近真实情况数据。以桥下津山下行线接触网模型为例，其部分关键临近节点计算结果见表1。

表1 净空校正值计算Table 1 Calculation of clearance correction value

校正值计算如下：

式中：Δ 为校正值结果；z0为选定基准平面高程；zn为其他任意点的真实高程。

以津山下行线接触网净空分析为例，对桥下4 条铁路接触网进行三维净空分析模拟。基于以上校正计算，得到桥下最小真实净空，均大于铁路所要求7.96 m，满足桥下净空要求，确保接触网无碰撞发生。但考虑日后桥下接触网更新维护作业困难，施工前还需对桥下支柱改移处理。根据三维模型的可视化分析，可直观发现桥下既有支柱编号，并提出相应拆改方案，见图5。

图5 接触网拆改方案模拟Fig.5 Simulation of catenary dismantling

基于BIM 的施工场地三维可视化交互分析，能更直观准确地对铁路转体桥梁及周边场地环境进行位置分析，在施工前得到更为精细化的转体控制数据及准确合理的拆改方案。

2.3 桥梁精细化建模

桥梁工程涉及到多种复杂结构的组合，相比于其它类型的桥梁，转体桥的结构更为繁杂。就其转体系统而言有球铰、撑脚、反力座、滑道等结构，形式各异，传统的二维图纸不便于施工人员理解相关结构，同时也会对预算人员进行工程量统计造成困难。

本项目采用Revit 对桥梁进行三维实体建模绘制，组建完整的工程项目。使施工方能对任意桥梁结构进行三维查看，优化交底流程。而预算人员可以选择对应的工程结构，通过Revit 中的数量明细表进行工程量自动统计，更为精确地得到材料数量，进行成本分析。项目转体桥梁Revit 模型如图6 所示。

图6 Revit 桥梁模型Fig.6 Revit bridge model

2.3.1 Revit 上部结构参数化建模

由于项目工程铁路转体桥梁位于平曲线（半径1 600 m）上，平纵面均为曲线线形，传统体量的拉伸式建模无法达到梁体线形的效果，因此必须通过在精准的轴网基础上进行截面轮廓的放样，才能实现曲线桥建模。而由于上部箱梁结构相似，仅尺寸不一，因此在Revit 的上部结构建模中，可以充分利用Revit 参数族编辑的优点，对箱梁截面各特征的尺寸定义参数，通过参数化建模，快速便捷，也能在三维模型中更加直观精准地提取到所需要的尺寸数据。Revit 箱梁模型如图7 所示。

2.3.2 Revit 下部结构族编辑建模

在Revit 下部结构建模中，由于各个构件形态不一，复杂多样，需分别进行结构建模，见图8。通过构件编辑下内建模型或族编辑建模载入项目的方法，均可实现各种复杂结构建模，并可在项目之中重复嵌套，减少重复建模，提高效率。

2.3.3 碰撞检测及优化

桥梁BIM 精细化模型创建后，可将模型导出为NWC 格式文件，通过Navisworks 中的Clash Detective 功能进行三维碰撞模拟，直观找到项目模型的结构冲突点，并基于此碰撞结果返回建模软件进行结构优化，避免后续施工时产生碰撞调位问题。相较于传统计算核图式碰撞检测，BIM三维碰撞更直观且准确，保障施工精准程度。

2.4 桥梁施工管理应用

本文2 座转体桥梁的转体施工为项目重难点控制性工程，可通过各种BIM 管理软件进行施工阶段的技术交底应用。除了施工质量的要求外，BIM 技术可提高施工组织协调性，基于其信息集成特点，实现合理的施工流水划分，完成施工的分包管理，为各专业施工方建立良好的工作面协调管理而提供支持和依据。通过BIM 技术对施工进行多维度下的全局管理，实现精细化施工。

2.4.1 可视化技术交底

通过Lumion Live Sync For Revit 插件将Revit三维实体模型下的各个结构图元导出为dae 中间格式文件，在Lumion 中对施工工艺流程进行动态模拟，制作成形象的施工工艺展示动画，加快施工效率，改善施工质量，有效避免施工人员因工艺不熟悉或操作不规范导致的构件错装漏装、关键结构安装失准等问题，提高桥梁施工的精细化程度。桥梁转体施工可视化交底如图9 所示。

图9 转体施工可视化交底Fig.9 Visual disclosure of rotation operation

2.4.2 进度成本管控

基于项目中京哈转体大桥段施工特征及时间成本要求，围绕其关键作业要点和节点目标编制PM（Project Manager）施工进度计划，与BIM 模型关联起来，对项目进行高效率的计划、组织、指导和控制，并将数据导入项目管理软件Fuzor 进行4D 进度及5D 成本模拟，得到施工进度成本关联动画。管理人员可直观地查看进度计划及成本投入，调配机械、人工、材料等需求计划，提前备料，保证施工进度，调整施工成本结构。施工时可输入实际进度数据，直观演示实际与计划之间差异，保证多维度下精细化施工，见图10。

图10 BIM 进度成本管控Fig.10 Cost control of BIM progress

由图10 可知，在2022 年3 月和2023 年4 月开始，资金曲线出现有4 次显著的峰值。在该部分峰值区域范围内，有主墩桩基施工区段和上部结构混凝土浇筑区段。该施工时间区段资金投入相对较高。因此相关工程人员需提前备料，做好资金协调，防止在该工程节点时间出现备料不足，资金流动不畅的情况，更能防止少料作业带来的质量问题。

2.5 工程协同管理

桥梁工程的施工精细化管理，不只单方面由施工方完成，还应与相关各单位的各专业人员协同。多方人员在项目推进过程中将所有的数据信息集成于BIM 源模型之中，如地理信息、结构材料信息、预埋件埋置要求、后期桥梁维护等信息，一并影响着其它各专业人员管理。即使出现变更调整，最终落脚点均在一个BIM 模型之中，极大地方便了各个部门或单位的管理，使工程推进变得协调有序。夏子立等[12]梳理了我国桥梁技术状况评定规范体系及BIM 技术在桥梁运营管理的应用概况，设计了基于BIM 的技术状况评定系统总体框架及业务模块功能，解决了智能有效工程管理的问题。

基于各方单位需求及项目特征，开发并使用BIM 协同平台进行智能管理，平台首页界面见图11。

图11 BIM 协同管理平台界面Fig.11 Interface of BIM collaborative management platform

在BIM 协同平台上构建项目桥梁信息库，提供模型可视化展示，工程进度、重要通知、实时视频监控等功能，且基于子功能模块完成工程信息分类集成，实现多专业、多单位人员下的协同管理，并可在手机端进行操作，极大方便工程管理。对于施工文明中最重要的安全管控问题，可在项目中建立BIM 三维模型让各分包管理人员提前对危险源进行判断，在危险源附近快速地进行防护设施模型的布置。通过实时监控反馈现场画面于平台之上，工程人员可以随时进行现场安全管控并及时下达通知管理，代替传统人工巡检，使办公更高效合理。

3 BIM 施工精细化管理价值分析

该工程采用BIM 技术进行施工精细化管理，确保施工精度的同时，完成了BIM 数据的集成与规范管理，使工程推进更为系统有序。对该BIM应用解决的工程问题、应用效益及考虑的适用领域进行分析，其BIM 施工精细化管理效益见表2。

表2 BIM 施工精细化管理效益表Table 2 Benefits of BIM-based refined management of construction

4 结语

本文以京哈铁路大桥项目为依托对铁路施工精细化问题应用BIM 技术，完成了桥梁与场地信息的交互分析，精细化桥梁模型构建，施工技术交底及组织协调，以及工程所涉及的多方人员协同工程管理，多方面提高了桥梁的施工精细化程度。

1）将场地环境信息与结构主体进行BIM 交互应用是桥梁工程BIM 技术应用的必要一环，依此才能做出更准确而合理有效的方案设计及施工。

2）依托BIM 技术强大的三维可视性及生产管控能力，作出准确的碰撞优化、细致的施工动画交底及多维度的工程全局管理，保证施工精细化程度。

3）基于BIM 协同平台的工程信息集成管理，分类更为科学，管理更为系统与协调，保障工程施工的有序推进。