黃少華，楊博婷

(中交隧道局第二工程有限公司，陜西 西安 710000)

0 引 言

建筑信息模型(Building Information Modeling)技術(shù)自2003年進(jìn)入中國以來，獲得政府及業(yè)界的高度青睞和推廣。目前，國內(nèi)對(duì)BIM技術(shù)的相關(guān)研究及實(shí)踐仍處于探索階段，相比建筑工程，市政工程在BIM技術(shù)運(yùn)用上明顯經(jīng)驗(yàn)不足。國內(nèi)學(xué)者對(duì)BIM技術(shù)做了相關(guān)研究，張利紅簡(jiǎn)述了BIM技術(shù)在建筑施工中的應(yīng)用程序，從碰撞檢測(cè)、進(jìn)度管理、組織協(xié)調(diào)能力分析等方面，闡述了建筑施工中BIM技術(shù)的應(yīng)用[1]；董君等根據(jù)高速公路工程建設(shè)中隧道襯砌的特點(diǎn)，通過高速公路工程建設(shè)實(shí)例，應(yīng)用BIM技術(shù)，擴(kuò)寬了BIM技術(shù)在高速公路工程建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍[2]；趙蕾等結(jié)合新疆和布克賽爾縣青少年活動(dòng)(科技)中心項(xiàng)目，利用魯班軟件對(duì)BIM技術(shù)在質(zhì)量安全管理方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究[3]。

相較而言，市政工程的建設(shè)條件差異性大，管理水平、 技術(shù)水平要求高，故運(yùn)用先進(jìn)的BIM技術(shù)來輔助設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及運(yùn)維能為項(xiàng)目部技術(shù)管理建立直觀的三維印象，可詳細(xì)獲取各施工節(jié)段的工程材料數(shù)量，進(jìn)行精確的材料成本管理，發(fā)現(xiàn)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)缺陷，進(jìn)行各專業(yè)工種之間的碰撞檢查以及安全質(zhì)量管理、施工現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)指導(dǎo)與4D進(jìn)度控制管理[4-7]。

1 概 述

1.1 工程概況

國道108 線禹門口黃河公路大橋及引線工程位于陜西省韓城市東北部及山西省河津市西北部，東岸是山西省河津市龍門村，西岸是陜西省韓城市渚北村，路線全長(zhǎng)4.45 km。大橋分東引橋、主橋及西引橋三部分，橋梁全長(zhǎng)1 660.41 m，起點(diǎn)樁號(hào)為K0+615.5，終點(diǎn)樁號(hào)為K2+275.91。 主橋?yàn)?45 m+565 m+245 m 三跨雙塔雙索面鋼-混結(jié)合梁斜拉橋，全長(zhǎng)1 055 m。斜拉橋主梁斷面為雙工字型鋼梁和混凝土橋面板，縱向?yàn)榘肫◇w系，縱橋向在索塔下橫梁和梁體間設(shè)置阻尼器，橫橋向在索塔內(nèi)側(cè)設(shè)置抗風(fēng)支座。索塔采用H型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)置上、下2道橫梁，塔柱分為上、中、下3部分。斜拉索扇形布置，梁上索距為12.0、8.0、4.5 m共3種，塔上索距為2.5～3.5 m。

全線采用雙向六車道1級(jí)公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度為80 km·h-1，路基寬度為31 m。橋梁寬度27 m(不含錨索區(qū)及檢修道)，橋涵設(shè)計(jì)荷載采用公路I 級(jí)，地震動(dòng)峰值加速度為0.161 g，設(shè)計(jì)洪水頻率為特大橋300年一遇、大橋及路基100年一遇；其余技術(shù)指標(biāo)均按《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTGB01—2014)執(zhí)行。禹門口黃河大橋位置見圖1。

圖1 禹門口黃河公路大橋位置

1.2 應(yīng)用BIM的原因

主橋索塔結(jié)構(gòu)是國道108線禹門口黃河公路大橋及引道工程項(xiàng)目控制工程之一，主塔施工難度大，質(zhì)量要求高?？紤]使用BIM技術(shù)可以提升施工管理水平，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化人、材、機(jī)管控，具體分析以下4個(gè)方面。

(1)提前解決圖紙問題，對(duì)設(shè)計(jì)構(gòu)件(鋼筋、預(yù)埋件、鋼錨梁等)進(jìn)行工程量核算、碰撞檢測(cè)。傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)圖中存在大量的錯(cuò)誤，可通過建模、碰撞檢查、虛擬建造提前發(fā)現(xiàn)，并組織變更設(shè)計(jì)，確保施工成果精確，且有效避免施工過程中因變更設(shè)計(jì)造成的窩工，可提高施工效率，節(jié)省生產(chǎn)成本。

(2)三維可視化交底，設(shè)計(jì)意圖準(zhǔn)確展現(xiàn)，規(guī)避施工錯(cuò)誤。三維可視化匯報(bào)工程節(jié)點(diǎn)成果，便于參建各方直觀剖析擬建實(shí)物各部分的專項(xiàng)施工方案和應(yīng)急對(duì)策。

(3)材料的精細(xì)化管理，快速計(jì)算所需的工程量，實(shí)行限額領(lǐng)料、減少浪費(fèi)?？梢罁?jù)計(jì)算結(jié)果及時(shí)申請(qǐng)進(jìn)度款，對(duì)分包班組快速審核，準(zhǔn)確結(jié)算工程量。

(4)建立快速反應(yīng)處理機(jī)制。質(zhì)量、安全協(xié)同管理，確保施工過程無安全質(zhì)量事故[8]。

2 BIM應(yīng)用軟硬件配置要求

2.1 主橋BIM軟件選用

合理選擇BIM軟件可以保證大橋建模效果與BIM技術(shù)在本項(xiàng)目發(fā)揮應(yīng)有的作用。

目前，常用的BIM軟件有美國Bentley公司的MicroStation、PowerCivil、Navigator、ProStructures、Lumrt系列軟件，美國Autodesk公司的3D Max系列軟件。其中，MicroStation是一款國際著名的頂尖的空間建模技術(shù)平臺(tái)程序，具備強(qiáng)大的建模和資源整合功能，能很好滿足繪制各種精度要求苛刻、形體極其復(fù)雜的BIM模型的要求，配合專業(yè)土木工程軟件PowerCivil可以建立出帶有精細(xì)化里程信息的橋梁路線模型。ProStructures系列軟件主要針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)和三維布筋的建模與應(yīng)用，主橋索塔配筋、橋面布置鋼筋等建模過程復(fù)雜，軟件學(xué)習(xí)與操作難度大，但精細(xì)化的材料統(tǒng)計(jì)為工程量結(jié)算提供了可靠的保證。主橋索塔模型、橋面系模型和橋墩樁基礎(chǔ)模型完成后經(jīng)MicroStation整合，通過Navigator精確分析模型構(gòu)建之間的硬碰撞、軟碰撞、靜態(tài)碰撞和動(dòng)態(tài)碰撞，進(jìn)度模擬，將分析結(jié)果傳輸至各級(jí)管理人員的終端設(shè)備，輔助落實(shí)好各項(xiàng)工作的指導(dǎo)。Lumrt是一款高效的動(dòng)畫仿真軟件，可渲染出圖和生成展示動(dòng)畫，功能和質(zhì)量十分震撼。3D Max用于輔助制作模擬施工中復(fù)雜工藝的展示視頻，操作復(fù)雜，對(duì)硬件配置要求苛刻。

通過比較分析，結(jié)合國道108線禹門口黃河公路大橋項(xiàng)目的客觀情況，決定以Bentley系列軟件為主要建模和整合資源平臺(tái)，配合使用Autodesk系列軟件作為動(dòng)畫制作的重要補(bǔ)充，以確保項(xiàng)目應(yīng)用BIM技術(shù)取得期望的成效。

2.2 BIM軟硬件配置要求

BIM軟件配置信息見表1。

表1 BIM軟件配置

2.3 BIM應(yīng)用實(shí)施核心理念

以國道108線禹門口黃河大橋項(xiàng)目主橋BIM模型為中心，應(yīng)用BIM技術(shù)提供的工程項(xiàng)目基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，從而達(dá)到在同一平臺(tái)中，業(yè)主單位、設(shè)計(jì)單位、施工單位、監(jiān)理單位、第三方檢測(cè)單位以及行政主管部門協(xié)同工作，提高工作效率[9-12]。應(yīng)用BIM技術(shù)的協(xié)同工作理念如圖2所示。

圖2 黃河大橋BIM模型協(xié)同工作理念

3 主橋BIM三維建模

主橋是國道108線禹門口黃河大橋重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。為了保證主塔施工質(zhì)量和進(jìn)度，為了能精準(zhǔn)快速地建立斜拉橋及索塔的BIM模型，決定采用MicroStation、PowerCivil系列軟件構(gòu)建模型。首先用PowerCivil建立主橋的路線模型，然后導(dǎo)入MicroStation軟件中進(jìn)行整合并建立索塔、斜拉索、橋面鋪裝等模型[13]。各模型完成后通過ProStructures軟件進(jìn)行布置鋼筋三維建模，并利用Navigator進(jìn)行各構(gòu)建之間的碰撞檢測(cè)，校核圖紙信息的正確性，對(duì)碰撞點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，導(dǎo)出成果。

3.1 主橋模型構(gòu)建思路與流程

以國道108線禹門口黃河大橋項(xiàng)目主橋BIM模型構(gòu)建過程為例，介紹BIM模型的整體構(gòu)建思路與具體施實(shí)步驟，如圖3～5所示。

圖3 主橋BIM模型構(gòu)建流程

圖4 主橋模型拼裝渲染

圖5 主橋索塔模型

3.2 建模特色

模型建立應(yīng)具備以下幾點(diǎn)。

(1)精確性。通過Bentley BIM系列軟件建立BIM模型，混凝土方量、鋼筋用量、構(gòu)件參數(shù)等主要材料信息可根據(jù)項(xiàng)目管理人員需要，自定義提取數(shù)據(jù)、導(dǎo)出并匯總，為施工材料的精細(xì)化管理提供有力保證[14]。

(2)統(tǒng)一性。本次運(yùn)用Bentley BIM系列軟件，在BIM模型及成果上與DGN文件格式高度統(tǒng)一，在各軟件協(xié)同作業(yè)中兼容度高，為后續(xù)豐富的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)維管理起保障作用。

(3)智能化。Bentley BIM軟件已整合國內(nèi)現(xiàn)行的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。PowerCivil在繪制橋梁路線時(shí)會(huì)遵循中國設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在建模中對(duì)繪制參數(shù)進(jìn)行反饋提示；ProStructures進(jìn)行三維布筋時(shí)，系統(tǒng)智能依據(jù)中國鋼筋類型標(biāo)準(zhǔn)尊循布置規(guī)則，使得在鋼筋建模中效率大大提高。

4 BIM技術(shù)的應(yīng)用研究

在準(zhǔn)確構(gòu)建黃河公路大橋BIM模型后，主要從以下6個(gè)方面對(duì)BIM技術(shù)進(jìn)行深入研究與實(shí)踐。

4.1 三維可視化動(dòng)態(tài)技術(shù)交底

根據(jù)工程施工階段需求的不同，三維交底遵循整體到局部、局部到節(jié)點(diǎn)，粗到細(xì)、分層次、分階段推進(jìn)的順序。開工前，針對(duì)工程結(jié)構(gòu)整體構(gòu)造進(jìn)行3D動(dòng)態(tài)漫游交底；在施工過程中，對(duì)部分具體施工細(xì)部(尤其是結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜的板、梁、柱連接處，復(fù)雜的鋼筋節(jié)點(diǎn))交底，建立形象生動(dòng)的立體畫面，加深技術(shù)人員對(duì)圖紙的理解和認(rèn)識(shí)。三維技術(shù)的應(yīng)用如圖6～9所示。

圖6 3D動(dòng)態(tài)漫游交底

圖7 主橋索塔BIM模型三維交底

圖8 主橋現(xiàn)澆梁BIM模型三維交底

圖9 主橋索塔上、下橫梁接處復(fù)雜鋼筋節(jié)點(diǎn)三維技術(shù)交底

4.2 碰撞檢查細(xì)扣圖紙錯(cuò)漏偏差

碰撞檢查的本質(zhì)就是將BIM模型中各組件模型(土建結(jié)構(gòu)、鋼筋結(jié)構(gòu)、電梯安裝等信息按照設(shè)計(jì)要求的位置、標(biāo)高)進(jìn)行集成。模型導(dǎo)入Navigator軟件設(shè)定碰撞邊界條件，進(jìn)行碰撞檢查，找出沖突點(diǎn)在構(gòu)件的精確位置及參數(shù)信息。通過碰撞檢查，可以提前找出圖紙問題，進(jìn)行施工設(shè)計(jì)綜合優(yōu)化。實(shí)現(xiàn)黃河公路大橋主塔橫梁內(nèi)鋼錨梁、預(yù)埋構(gòu)件和鋼筋的合理設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)凈空高度，避免因位置碰撞出現(xiàn)的返工、誤工現(xiàn)象[15-16]。

對(duì)于構(gòu)件設(shè)計(jì)圖紙數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、不詳、缺失和沖突問題，通過仔細(xì)比對(duì)i-modle或DGN模型可以查出空間位置的不合理性，見圖10;而對(duì)于圖11、12的具體細(xì)部結(jié)構(gòu)沖突，需要導(dǎo)入Navigator軟件進(jìn)行精確查找，確定其位置，并對(duì)照給出圖紙上具體的錯(cuò)誤信息。

圖10 鋼錨梁設(shè)計(jì)圖紙錯(cuò)誤、異常、缺失反饋

圖11 波紋管與下橫梁主筋碰撞

圖12 模型混凝土量與實(shí)際量對(duì)比分析

4.3 限額領(lǐng)料精細(xì)化材料管理

限額領(lǐng)料是指根據(jù)工程實(shí)際所需領(lǐng)取相應(yīng)數(shù)量的材料。通過精細(xì)化的管理(嚴(yán)格卡控材料進(jìn)出)，達(dá)到杜絕因非客觀因素導(dǎo)致的材料浪費(fèi)現(xiàn)象。采用BIM技術(shù)結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，對(duì)使用材料進(jìn)行精細(xì)化計(jì)量是保證限額領(lǐng)料得以實(shí)施的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)施工圖中鋼筋、混凝土等主要材料設(shè)計(jì)量是大橋整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)量，并沒有按每個(gè)施工過程列出單個(gè)施工部位的材料使用分量，也沒有考慮鋼筋因混凝土鑿除損耗、搭接長(zhǎng)度等客觀需要而導(dǎo)致的差異量。

BIM技術(shù)在施工階段的應(yīng)用體現(xiàn)在建模初期，依據(jù)施工方案與施工進(jìn)度計(jì)劃，建立整個(gè)大橋的分塊模型，使分階段施工的構(gòu)件與建模構(gòu)件完全相同，達(dá)到快速按要求分塊、分區(qū)域統(tǒng)計(jì)工程材料數(shù)量，提高實(shí)施效率。另外， ProStructures軟件在統(tǒng)計(jì)鋼筋數(shù)量時(shí)已按規(guī)范將鋼筋搭接長(zhǎng)度估算進(jìn)去了，整體模型的信息屬性均存于DGN文件中；在MicroStation中可以進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)、信息的查看管理。

限額領(lǐng)料管理可分為3個(gè)環(huán)節(jié)：采購計(jì)劃控制、領(lǐng)用控制和用料分析。采用BIM模型的構(gòu)件信息數(shù)據(jù)庫，既可控制材料上限，也可以作為現(xiàn)場(chǎng)材料過程的管控依據(jù)，為材料采購計(jì)劃的制定與審核提供參考，為限額領(lǐng)料提供及時(shí)、準(zhǔn)確、有效的數(shù)據(jù)支撐。

4.4 Navigator移動(dòng)端軟件跟蹤質(zhì)量安全問題

國道108線禹門口黃河公路大橋項(xiàng)目采用Navigator移動(dòng)端軟件，可以把項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量、安全、文明施工等問題進(jìn)行統(tǒng)一管理，與BIM模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，方便核對(duì)和管理[17-19]。

利用Navigator移動(dòng)端軟件，可以在現(xiàn)場(chǎng)拍攝有疑問的施工節(jié)點(diǎn)，將圖片上傳到ProjectWise系統(tǒng)平臺(tái)，與BIM模型中的相應(yīng)位置進(jìn)行比對(duì)，易于發(fā)現(xiàn)安全、質(zhì)量方面的問題，使工作效率、工程質(zhì)量得到提升[20]。

使用Navigator移動(dòng)端軟件具備以下特點(diǎn)。

(1)缺陷問題的可視化?，F(xiàn)場(chǎng)缺陷通過拍照來記錄，一目了然。

(2)將缺陷直接定位于BIM模型上。BIM模型的定位模式，能夠使管理者更加準(zhǔn)確地掌握缺陷位置，提出合理優(yōu)化方案。

(3)信息共享。無論何時(shí)何地，管理者都能掌握現(xiàn)場(chǎng)的質(zhì)量問題、安全風(fēng)險(xiǎn)等要素。

(4)有效的協(xié)同共享，提高各方的溝通效率。項(xiàng)目各方根據(jù)權(quán)限，查看屬于自己的管理、施工等問題。

(5)支持多種手持設(shè)備的使用。充分發(fā)揮手持設(shè)備的便捷性，實(shí)時(shí)記錄問題。

(6)簡(jiǎn)單易用，便于快速實(shí)施。手持設(shè)備端簡(jiǎn)單易操作，實(shí)施周期短，便于維護(hù)。

(7)云端管理系統(tǒng)運(yùn)行速度快，并且能夠查閱各種工程的相關(guān)數(shù)據(jù)。

利用云平臺(tái)管理賬號(hào)，可隨時(shí)隨地快速獲取信息，便于協(xié)調(diào)處理問題，也可以建立現(xiàn)場(chǎng)管理圖文數(shù)據(jù)庫[21-22]。

4.5 4D施工進(jìn)度動(dòng)態(tài)管控

影響國道108線禹門口黃河公路大橋項(xiàng)目施工進(jìn)度的因素有施工工藝復(fù)雜、施工難度大、工期緊、安全生產(chǎn)人員部署、材料配送、機(jī)械使用等。因此，在Navigator系統(tǒng)中對(duì)項(xiàng)目計(jì)劃進(jìn)度、實(shí)際進(jìn)度與三維模型互相關(guān)聯(lián)，進(jìn)行4D施工動(dòng)態(tài)模擬，有助于及時(shí)分析滯后的施工任務(wù)，有針對(duì)性地調(diào)整關(guān)鍵施工節(jié)點(diǎn)的進(jìn)度，以保證合同工期。

4.6 4D施工過程資料管理

4D施工過程資料管理是指利用Navigator移動(dòng)端軟件與ProjectWise管理云平臺(tái)，對(duì)技術(shù)交底、施工方案、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、質(zhì)量檢查與竣工驗(yàn)收等系列施工過程的資料進(jìn)行動(dòng)態(tài)云管理。其原理是根據(jù)施工過程中發(fā)生自然順序的資料與BIM模型關(guān)聯(lián)，并上傳至云平臺(tái)存儲(chǔ)管理，以便決策層調(diào)用查看。通過使用BIM技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)資料長(zhǎng)期且有效的保存與查看。同時(shí)，將大橋建設(shè)的施工過程資料以及材料使用情況，詳細(xì)地記錄下來，作為后期檢查、改進(jìn)和責(zé)任追溯的依據(jù)，相當(dāng)于建立了國道108線禹門口黃河公路大橋施工過程的歷史檔案資料。

5 結(jié) 語

BIM技術(shù)在國道108線禹門口黃河公路大橋項(xiàng)目的應(yīng)用效果良好，BIM技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值具體包括以下4個(gè)方面。

(1)針對(duì)大橋設(shè)計(jì)圖紙中鋼筋混凝土等主材總工程量的情況，可以通過BIM技術(shù)，按照實(shí)際施工節(jié)段劃分，快速準(zhǔn)確地提取部分項(xiàng)的工程量，節(jié)省人力，提高統(tǒng)計(jì)效率。

(2)通過Navigator現(xiàn)場(chǎng)采集工程安全、質(zhì)量等方面的問題，通過云平臺(tái)將現(xiàn)場(chǎng)信息及時(shí)反饋到項(xiàng)目部領(lǐng)導(dǎo)層，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)解決問題，保證黃河大橋施工的安全與質(zhì)量。

(3)運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管，對(duì)材料進(jìn)行精細(xì)化管理，實(shí)現(xiàn)限額領(lǐng)料，科學(xué)合理地編制材料采購計(jì)劃，嚴(yán)格把控材料的進(jìn)、出口程序，杜絕不必要的浪費(fèi)現(xiàn)象。

(4)施工資料動(dòng)態(tài)管理，使國道108線禹門口黃河公路大橋項(xiàng)目施工過程歷史檔案得以保存，也為后期大橋運(yùn)營、維護(hù)的資料管理提供了ProjectWise云平臺(tái)。

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