李亞勇 周學(xué)勇 陳勝凱 楊培誠 王 蓬 廖小烽 楊 強

(1.中建隧道建設(shè)有限公司，重慶 401320； 2.重慶市筑云科技有限責(zé)任公司，重慶 401121)

引言

近年來，伴隨工程信息化程度的不斷提高，BIM技術(shù)在建筑領(lǐng)域中普遍推廣實施[1-2]。國內(nèi)學(xué)者們圍繞BIM技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用進行了不同橋型和不同階段的研究和工程應(yīng)用，但是就現(xiàn)階段而言，BIM技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用研究相對于房建類項目推進稍顯落后，BIM落地應(yīng)用偏少。具體體現(xiàn)在實施工程中， BIM模型通常與現(xiàn)場情況脫節(jié)，其模型建立往往缺乏適用性與有效性?，F(xiàn)行數(shù)據(jù)采集、整理與分析往往手段單一，效率低下，難以為工程建設(shè)提供必要的現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息，導(dǎo)致施工階段BIM實施浮于表面。

以禮嘉嘉陵江特大橋項目在實施過程中，重點考慮大跨徑梁拱組合剛構(gòu)橋技術(shù)難點和關(guān)鍵點，充分發(fā)揮BIM技術(shù)可視化、可模擬的優(yōu)點，提前考慮實施過程中可能面臨的困難，提前調(diào)整施工方案或應(yīng)用準備，為項目的順利實施提供有力支撐。同時，重點從BIM組織架構(gòu)創(chuàng)新、現(xiàn)場驅(qū)動型的BIM技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新、基于BIM+智慧工地的項目管理模式創(chuàng)新等三個方面進行重點突破，為進一步推動BIM技術(shù)在大跨徑橋梁建造過程中的應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

禮嘉嘉陵江特大橋為重慶市快速路二橫線西段項目的控制性工程，主橋全長785m，采用5跨非對稱連續(xù)布置(140+245+190+130+80m)，最大跨徑245m(矢跨比為1/7.7)(如圖1、圖2所示)； 主橋下部基礎(chǔ)形式均采用承臺接群樁基礎(chǔ)，橋墩為獨柱式六邊形變截面空心墩，主墩墩高72m； 上部結(jié)構(gòu)采用梁拱組合剛構(gòu)形式，梁拱組合區(qū)域長約60m。大橋按雙向8車道設(shè)計，分左右兩幅設(shè)置，單幅標(biāo)準段橋?qū)?8m，設(shè)計時速80km/h[3]。

圖1 禮嘉嘉陵江大橋立面圖

圖2 禮嘉嘉陵江大橋整體BIM模型

禮嘉大橋為國內(nèi)首座上承式梁拱組合剛構(gòu)橋，采用對下部結(jié)構(gòu)無推力、自平衡的梁—拱組合受力體系，充分融合拱橋、梁橋優(yōu)點，克服連續(xù)剛構(gòu)橋的開裂下?lián)蠁栴}。橋梁既有連續(xù)梁橋的簡潔，又具有拱弧線的美感，充分展現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的“跨越之美”、“力量之美”、“造型之美”。

1.2 工程難點及BIM技術(shù)應(yīng)用的必要性

經(jīng)分析，在大橋?qū)嵤┻^程中主要存在以下難點：

(1)大橋建設(shè)過程中需經(jīng)歷梁橋、懸澆拱橋、矮塔斜拉橋多次體系轉(zhuǎn)換； 該工藝為行業(yè)內(nèi)首次采用，無成功經(jīng)驗可以借鑒； 如何保障設(shè)計建造流程在施工現(xiàn)場落實，需要深入研究。

(2)大橋上弦箱梁與下弦拱梁需采用同步斜拉扣掛法進行施工，在施工過程中如何保證上下弦梁協(xié)同作業(yè)，如何保證上下弦梁掛籃在梁拱組合段重組拼裝，是能否順利實施的核心。

(3)大橋建設(shè)過程中需投入20副掛籃，掛籃選型、設(shè)計是否合理，是否與既有設(shè)計存在沖突； 以及下弦拱梁所采用的倒三角掛籃如何安拆、走行是施工過程中的關(guān)鍵。

(4)橋梁墩柱采用六邊形變截面空心墩，下弦拱梁采用2.2次拋物線，線形精度過程控制為施工過程中難題。

針對以上難點，應(yīng)用BIM技術(shù)預(yù)先仿真模擬，將施工全過程信息化、可視化，有效提升施工管理效率與水平。

2 BIM組織與應(yīng)用環(huán)境

2.1 BIM應(yīng)用目標(biāo)及策劃

國內(nèi)一些專家通過建立高精度BIM模型，開展全橋工序模擬，提高圖紙二次深化設(shè)計的質(zhì)量和效率，減少圖紙中的錯漏碰缺，提高橋梁的可建造性[4-6]。禮嘉嘉陵江大橋施工為行業(yè)內(nèi)首次采用上下弦梁同步斜拉扣掛法進行施工，需創(chuàng)新性地利用倒三角斜爬掛籃，無成功經(jīng)驗可以借鑒。針對以上特點，基于BIM模型開展碰撞整合分析、結(jié)構(gòu)分析、節(jié)點深化、工程量統(tǒng)計、航拍傾斜攝影建模、三維掃描、坐標(biāo)測量等功能提高建造效率及施工質(zhì)量。同時，依托自主研發(fā)BIM+GIS的項目管理云平臺，實現(xiàn)BIM+智慧工地的一體化集成，實現(xiàn)基于制度化、數(shù)據(jù)化、自動化、智能化的全過程項目管控(如圖3所示)。

2.2 BIM實施軟硬件部署

以Revit為主開展橋梁主體建模，以Dynamo等插件為輔進行復(fù)雜異形參數(shù)設(shè)計，解決橋梁異形構(gòu)件模型創(chuàng)建問題，保證創(chuàng)建出達到施工BIM應(yīng)用及后期竣工交付精度的參數(shù)化模型。采用Infraworks、Fuzor、Twinmotion進行場地及模型整合、施工工序模擬、漫游及可視化展示等工作，配備工作站、平板電腦、無人機、VR、法如S350三維掃描儀等專用硬件設(shè)備輔助開展BIM技術(shù)應(yīng)用。同時自主開發(fā)并部署B(yǎng)IM+管理平臺對施工現(xiàn)場開展進度、技術(shù)、質(zhì)量、安全過程管控(如圖4所示)。

圖3 各實施階段BIM應(yīng)用點

圖4 BIM實施軟件配置

3 BIM技術(shù)應(yīng)用

3.1 BIM模型創(chuàng)建

本項目參照重慶市市政工程信息模型交付標(biāo)準的相關(guān)規(guī)定[7-8]，本工程基于五個階段：建模策劃—模型拆解與分工—原始數(shù)據(jù)收集—模型建立—模型整合與檢查進行大橋模型建立。針對BIM模型創(chuàng)建中存在的變截面六邊形獨柱式空心墩、2.2次拋物線下弦拱梁、臨時斜拉扣索、倒三角斜爬掛籃等異形構(gòu)件，使用Revit與Dynamo相結(jié)合的方式進行參數(shù)化建模。

基于項目特點編制的BIM實施標(biāo)準，在模型設(shè)計過程中使用標(biāo)準文件架構(gòu)、標(biāo)準化族庫命名、標(biāo)準化構(gòu)件分類與命名，實施過程中嚴格管控模型質(zhì)量。建立施工階段禮嘉大橋BIM模型，包含：基礎(chǔ)、橋墩、橋臺、上弦箱梁、下弦拱梁、橋面系、景觀、機電及導(dǎo)向標(biāo)示等所有大橋模型，并根據(jù)相關(guān)資料整合調(diào)整優(yōu)化，模型深度達到LOD400。通過Infraworks將場地環(huán)境等GIS信息數(shù)據(jù)與BIM模型進行整合，輔助施工場地便捷規(guī)劃。本工程部分BIM模型如圖5、圖6所示。

圖5 BIM+GIS模型

3.2 整合沖突分析

大橋工程難度高，在設(shè)計階段難免出現(xiàn)紕漏，如果不能及時發(fā)現(xiàn)將引起嚴重后果[9-10]。在施工圖深化設(shè)計階段，建立橋梁施工中預(yù)應(yīng)力管道與鋼筋模型，進行碰撞檢查，有效規(guī)避前期設(shè)計錯誤122處。建立上弦菱形掛籃與下弦倒三角掛籃高精度模型，復(fù)核掛籃設(shè)計的準確度，發(fā)現(xiàn)各類問題46處，有效規(guī)避圖紙合同及加工風(fēng)險，累計節(jié)約工期11天，節(jié)約加工成本約11.2萬元。

項目禮白立交墩柱采用花瓶式異形墩柱，經(jīng)統(tǒng)計分析共設(shè)計有21種墩柱形?；贐IM模型將不同墩柱進行整合分析(如圖7所示)，發(fā)現(xiàn)墩柱細部尺寸偏差部分偏差在10cm以內(nèi)。針對上述情況，BIM小組對墩柱細部尺寸進行優(yōu)化，將原需求的21套定型鋼模縮減為6套，節(jié)省模板投入成本約76萬元，減輕工人施工操作復(fù)雜程度。

圖6 細部構(gòu)造模型

圖7 墩柱優(yōu)化路徑

圖8 工序模擬及綜合評審

表1 綜合評審要點

3.3 全方位BIM綜合評審及交底

針對上下弦掛籃、泵管布置、合攏段施工等復(fù)雜的施工技術(shù)環(huán)節(jié)，共進行7項工藝模擬(如圖8所示)。同時，將所建立可視化交底用于施工方案綜合評審，即在BIM數(shù)據(jù)支撐下，由技術(shù)、合約、物資部門進行全方位綜合評審(各部門評審要點如表1所示)，確保BIM技術(shù)融入到方案評審、技術(shù)交底、工作部署等全項目管理過程。

禮嘉大橋采用左、右分幅布置，在兩幅橋中間有限的空間內(nèi)需布設(shè)上下行梯道、塔吊基礎(chǔ)、操作平臺、混凝土泵管等臨建設(shè)施。為合理布置各臨建設(shè)施，基于實際尺寸建立細致的臨建設(shè)施三維模型； 基于BIM模型進行方案評審及專家論證； 利用BIM技術(shù)進行溝通協(xié)調(diào)，對方案反復(fù)進行推敲改進，最終形成較為成熟的布置方案(如圖9所示)。實踐證明，BIM技術(shù)在臨建施工的應(yīng)用取得了良好效果，滿足了現(xiàn)場施工需求。

3.4 基于BIM測量輔助及質(zhì)量復(fù)核

禮嘉大橋主墩內(nèi)外沿高度方向進行收斂，下弦拱梁采用2.2次拋物線，設(shè)計僅給出底部控制點坐標(biāo)，現(xiàn)場分節(jié)段澆筑需計算對應(yīng)階段的控制點座標(biāo)?；贐IM模型將大橋整體定位坐標(biāo)體系轉(zhuǎn)換為重慶市獨立坐標(biāo)體系，從而實現(xiàn)任意提取模型各個位置、節(jié)點的三維座標(biāo)[11]； 并將其與傳統(tǒng)坐標(biāo)計算方式進行測量坐標(biāo)復(fù)核，提升測量工作精準度，大幅度減輕計算復(fù)核負擔(dān)，提升測量工作效率。

在墩柱施工完成后，采用法如S350掃描儀進行施工質(zhì)量復(fù)核，基于掃描模型與設(shè)計模型自動對比，提前進行弧形線性的偏差分析及偏差控制，軸線最大偏差及平整度均在5mm內(nèi)，實現(xiàn)成橋線形精確控制。

圖9 基于BIM泵管布置方案及現(xiàn)場實施

3.5 基于BIM+智慧工地項目管控

3.5.1 建立協(xié)同管理平臺

圖10 基于BIM模型三維座標(biāo)提取及三維掃描

項目信息化管理的任務(wù)是信息的收集、處理、分析，并形成項目目標(biāo)信息的報告，但信息來自于工程參與各方，導(dǎo)致常常會出現(xiàn)“信息孤島”現(xiàn)象[12]。為了實施基于BIM的項目總控管理模式，需搭建一個基于BIM技術(shù)的項目總控管理，對項目建設(shè)過程中參與方產(chǎn)生的信息識應(yīng)用BIM 技術(shù)進行集中管理[13]。

通過自主研發(fā)Webgl輕量化平臺，建立起B(yǎng)IM技術(shù)+項目管理(PM)+物聯(lián)網(wǎng)集成應(yīng)用的協(xié)同管理平臺(如圖11所示)，利用移動終端和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實時采集數(shù)據(jù)的功能，同時基于PC端和移動端協(xié)同應(yīng)用，實現(xiàn)BIM平臺與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、GIS系統(tǒng)相結(jié)合，接入勞務(wù)管理、塔機監(jiān)控、視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、危大專項管理等系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)，通過數(shù)據(jù)自動收集、分析，預(yù)測發(fā)展，實現(xiàn)超前控制、實時控制，最終達到BIM智慧工地集成管控。

圖11 BIM+PM+物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同管理平臺

3.5.2 基于管理平臺的過程控制

禮嘉大橋存在較多的交叉施工作業(yè)，基于BIM模型模擬全橋動態(tài)建造工程，實現(xiàn)形象進度與產(chǎn)值計劃雙控； 確保施工計劃的合理性，并完成各階段動態(tài)施工場布協(xié)調(diào)； 識別大型臨時設(shè)施、物資設(shè)備、人力資源需求制約進度關(guān)鍵因素。實施過程中利用無人機采用無人機采集現(xiàn)場施工全景實景數(shù)據(jù)，提交BIM形象進度報告?；贐IM平臺建立進度預(yù)警體系(黃、橙、紅、黑)，實現(xiàn)對計劃進度與預(yù)計進度的對比分析及自動預(yù)警。

基于BIM平臺實現(xiàn)圖模一體化集成查看，輔助施工現(xiàn)場方案審批、技術(shù)檔案管理、驗收管理等工作。利用移動端質(zhì)量巡檢及整改功能，對現(xiàn)場技術(shù)質(zhì)量問題進行檢查、整改、驗收、統(tǒng)計分析，提高管理效率。

圖12 遠程智慧中心及現(xiàn)場作戰(zhàn)室

采用實體+BIM+VR技術(shù)進行安全教育培訓(xùn)和交底，提升安全教育交底效果。項目PDCA安全隱患整改追溯機制與基于BIM模型的平臺安全巡檢整改模塊深度融合，實現(xiàn)對項目安全隱患類型的時空分析和對安全管理人員的績效考核。

圖13 施工進度模擬

3.5.3 基于視頻流(AI)識別系統(tǒng)

將BIM與AI方法結(jié)合有著良好的可行性與廣闊的前景[14]，本項目基于視頻流研發(fā)智能圖像自動學(xué)習(xí)(AI)識別系統(tǒng)(如圖14所示)，對接現(xiàn)場視頻監(jiān)控，實現(xiàn)智能監(jiān)控。利用最新的深度學(xué)習(xí)及大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過系統(tǒng)自動識別人員安全帽佩戴、安全背心佩戴等行為，對現(xiàn)場監(jiān)督(安全行為)提供有力保障。

圖14 AI安全識別系統(tǒng)在現(xiàn)場的應(yīng)用

3.5.4 基于BIM模型的橋梁監(jiān)控

傳統(tǒng)橋梁施工監(jiān)控進行現(xiàn)場監(jiān)測并進行內(nèi)業(yè)處理后，通過監(jiān)測周報/月報等形式反饋到管理團隊，常常存在監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋不及時、不直觀等問題?；贐IM+智慧工地的施工過程監(jiān)測，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析、預(yù)警、報警等，實現(xiàn)箱梁、墩柱等關(guān)鍵部位應(yīng)力及變形的可視化監(jiān)控，有效提高橋梁監(jiān)控工作成效：

(1)提高數(shù)據(jù)傳輸效率：可以通過移動端填寫，或者通過傳感器自動上傳數(shù)據(jù)；

(2)提高監(jiān)控信息傳遞效率：通過后端內(nèi)置計算程序判斷相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)是否超標(biāo)，變化速率是否超過預(yù)警閥值，第一時間將監(jiān)測結(jié)果上傳到管理團隊，實現(xiàn)“實時監(jiān)測、超限預(yù)警、危險報警、預(yù)防事故、減少損失”的功能；

(3)實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化：將監(jiān)測數(shù)據(jù)與三維BIM模型進行掛接，方便管理團隊及時了解預(yù)警位置，并做出相關(guān)預(yù)案。

圖15 監(jiān)測數(shù)據(jù)與BIM模型一體化

4 實施效益

圖16 重慶市領(lǐng)導(dǎo)現(xiàn)場指導(dǎo)

基于BIM模型應(yīng)用優(yōu)化了施工工藝，提前解決各類圖紙錯漏碰缺問題，提高了與橋梁主體、臨時措施等設(shè)計單位的溝通協(xié)調(diào)效率，大大減少了施工過程中由于設(shè)計變更而帶來的工期延誤。通過BIM+項目管理在施工階段的全方位應(yīng)用，實現(xiàn)信息化與標(biāo)準化融合，在工期、成本、質(zhì)量方面均取得了良好的效果。

表2 BIM實施經(jīng)濟效益統(tǒng)計

項目于2018年僅歷時6個月實現(xiàn)主墩出水重大節(jié)點，創(chuàng)造了大幅領(lǐng)先于同類橋梁施工的“禮嘉速度”。項目開工以來組織各類觀摩20余次，累計為項目創(chuàng)效100余萬元(詳見表2，僅列出部分可量化費用)，推廣BIM技術(shù)及智慧工地應(yīng)用。

5 總結(jié)與展望

本工程通過BIM技術(shù)與項目管理的深度融合，從設(shè)計、建造、運維三個階段解決BIM實施落地的壁壘，實踐中解決了大橋建設(shè)過程中施工工序選擇、掛籃設(shè)計與選型、結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化、線形控制、實時監(jiān)控以及智慧工地平臺動態(tài)管控方面存在的難題，有效助推禮嘉嘉陵江特大橋建設(shè)； 形成BIM橋梁建造技術(shù)集成，所形成的BIM實施組織管理方式、與現(xiàn)場的結(jié)合方式、管理制度均可實現(xiàn)類似項目的推廣應(yīng)用。然而類似項目在BIM應(yīng)用實施中也應(yīng)做好以下幾項工作：

(1)針對落地性：BIM實施應(yīng)做到貼近項目特點，從實際需求出發(fā)，在橋梁施工中應(yīng)以項目重難點出發(fā)作為BIM實施核心。

(2)普遍落地性：BIM實施不是幾個人的或小范圍的事情，而是需要做到以BIM技術(shù)為核心、為引導(dǎo)，與管理流程相匹配，實現(xiàn)項目乃至企業(yè)的信息化升級，定期優(yōu)化BIM管理流程，根據(jù)項目部需求動態(tài)調(diào)整BIM技術(shù)應(yīng)用點。

(3)注重人才培養(yǎng)：以人才培養(yǎng)為主線，積累BIM技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗，建立相應(yīng)人才培養(yǎng)鼓勵機制，鼓勵各部門專業(yè)人員在本線條思考與使用BIM技術(shù)解決實際問題，以點到面，穩(wěn)步推進行業(yè)BIM技術(shù)的發(fā)展。