简介： 以广西百靖巴更大桥高速公路项目为依托，详细介绍了BIM技术在桥梁工程施工中应用的工作流程及应用情况，探索以BIM模型集成建筑工程各相关信息，并推行基于BIM技术的综合项目管理方法。
广西百靖高速公路巴更大桥工程BIM技术应用
王鑫，解莎莎，王全，常浩宇
中冶天工集团有限公司 天津 300301
【摘要】以广西百靖巴更大桥高速公路项目为依托，详细介绍了BIM技术在桥梁工程施工中应用的工作流程及应用情况，探索以BIM模型集成建筑工程各相关信息，并推行基于BIM技术的综合项目管理方法。应用先进的技术手段组织施工，不仅有助于节约施工成本，还提高生产效能。
【关键词】桥梁工程；施工组织管理；BIM技术应用。
0引言
随着人类社会科学技术的不断发展及信息化程度的不断加深，信息技术在制造业、金融业等行业的有效应用，极大提升这些行业的生产率，而作为国民经济支柱产业的建筑行业信息技术的使用仍处于较低水平。在建筑业生产效率没有得到本质改善的同时，建筑项目却变得更加复杂。建筑行业内形成一致共识认为必须采取有效的信息化手段提高建筑业的生产效率，摆脱以往粗放无序的生产模式。近年来，BIM技术作为一种领先的信息化手段，近年来不论在国内还是在国际上都得到了飞速的发展，其影响也越来越广泛，特别是在 “十二五”期间，国家明确提出要加快建筑信息模型(BIM)、基于网络的协同工作等新技术在工程中的应用，推动信息化标准建设，建筑施工行业迎来了信息化建设的新高潮。目前，BIM技术在国内大中型房屋建筑项目中成功应用的案例越来越多，取得了巨大的经济效益和社会效益，但在桥梁工程上施工组织与管理中的应用尚处于探索阶段。
桥梁工程作为交通土建工程的重要分支，它是构成公共交通系统的重要结构物，而且桥梁承受行车动荷载、受力复杂，结构上异形构件多，而且在施工中往往易受复杂环境条件制约、施工工艺特殊，施工装备众多、施工质量要求高、施工难度大。传统桥梁工程施工组织模式往往采用“人海战术”、“定人定点”的管理方式，质量管控的好坏完全依赖于现场管理人员个人的经验及能力；桥梁工程属于线性工程，施工战线长，各类施工信息、管理指令传递不及时，各类机械设备及物料资源调动不灵活；桥梁工程施工场地狭窄，垂直运输高度大，往往需要进行二次设计，布置大量施工辅助设施来满足施工要求，故而发掘BIM技术在桥梁施工领域的深入应用，建立基于BIM技术的项目管理信息整合与发布平台，推行基于网络的施工生产协同组织新模式，对于改善传统桥梁施工管理粗放无序，施工随意性大的现状非常有利。
1工程概况
1.1广西百靖高速公路的修建响应了国家西部大开发战略，大力发展西南纵深山区基础设施建设，是广西地区“四纵六横三支线”高速公路网的重要组成部分，对改善革命老区交通条件，增进区域经济合作往来具有重要战略意义。
1.2巴更大桥是百靖高速公路全线唯一一座跨越既有铁路线的桥梁，桥址处属碎屑岩区，沿线多维峰丛洼地，地质条件复杂，综合施工难度极大。桥梁主跨跨越德田铁路线，铁路通行对悬浇段施工造成干扰。施工场地狭窄，桥梁预制场地布置困难呢，T梁预制及架设施工无法依常规方法实施。
1.3大桥主要技术标准如下：
（1） 计算行车速度：100Km/h。
（2） 荷载：公路Ⅰ级。
（3） 桥宽：整体式 12.75m。
整体式 0.5m（护栏）+11.75m（净桥面）+0.5m(护栏) = 12.75m。
图1 巴更大桥桥型布置图
桥孔布置为：6×30+5×30+5×30+(35+60+35)+ 30m，全桥共分5联，跨铁路段采用（35+60+35）m单箱单室截面预应力混凝土连续箱梁钢构体系，挂篮悬臂浇筑施工；其余采用30m装配式预应力混凝土连续T梁，先简支后结构连续体系。
巴更大桥全桥混凝土总圬工约2.2万方；钢筋约为3500吨，土石方开挖约6200方。桥梁施工过程结构体系转换多、桥梁施工步骤多、质量控制因素多、控制难度大。
2 BIM技术引进及软件配置
2.1在巴更大桥建设施工管理过程中引进BIM技术，并推行以BIM技术为核心的综合项目管理方法，依托ProjectWise协同管理平台，系统管理员根据各专业分工建立库文件，项目BIM人员在施工前完成巴更大桥信息模型的搭建，并且在施工过程中不断录入施工过程追溯性信息。业主、监理、设计院、施工单位可在PW平台随时查看、处理权限内允许查看的项目进度、施工情况、信息反馈等内容，
2.2公司采用Bentley公司BIM解决方案，以MicroStation作为基础设计平台，应用AECOsim Building Designer、BridgeMaster、GEOPAK等专业模块建立三维模型，采用ProjectWise作为数据管理平台，托管项目工作环境并实现数据协同共享；采用Navigator软件进行模型发布及碰撞校验，对大型项目模型轻量化处理。通过各软件的功能实现本工程的BIM建模、工程应用等工作。
2.3建模前期统一建模标准，建立项目级workspace，利用AECOsim Building Designer的Family+DataGroup数据结构定义桥梁构件对象，并为模型定制符合施工需要的必要属性信息。
图2 利用AecoSim Building Designer的Family+DataGroup数据结构定义桥梁构件对象
2.4利用AECOsim Building Designer工具集中建筑系列工具Parametric Cell Studio（PCS）工具建立参数化桥梁构件，实现桥梁下部结构参数化建模。
图3 利用PCS建立桥梁参数化构件
2.5利用ProjectWise协同平台（PW平台）固化统一建模标准，并做为协同平台整合发布数据信息。在PW平台中建立项目管理信息数据库，随施工过程推进建立施工过程管理档案，实现施工过程动态管理。
图4 利用PW平台建立项目管理档案
3 BIM团队建设
巴更 大桥建设过程中，对传统项目部人员组织架构 形式及 工作流程进行了较大程度的变革 ，除设置工程 管理项目 经理 负责对工程施工管理实施之外另设置 BIM技术 应用经理一名 ， 负责 BIM技术 在本项目施工管理过程中的 开展 及应用 ， 并增设 BIM小组 作为 “四部一室 ” 的 连接纽带 。传统“ 四部一室” 为 执行层， 提出 施工 管理 及 BIM技术 应用需求 ，BIM小组 为 “四部一室 ” 进行 施工管理 提供必要 数据 信息 支持 。
图5巴更大桥BIM团队组织架构 图6通过BIM模型协同施工各参与方
4 BIM技术应用
4.1建立三维地面模型及施工场地布置
施工现场采用GPS测量施工线路的地形坐标信息，根据现场勘测结果，利用GEOPAK软件提取测绘数据信息，如DWG、DGN格式的高程、等高线、坐标等数据。模型涵盖了坐标、高程、洼地、地面起伏等施工难以控制的地理特征。GEOPAK提供了方便的数据读取功能，通过生成的数字地面模型（DTM）可以进行土方开挖的设计、算量等。本工程地处峰丛洼地，高边坡开挖、高填方施工段比较多，在GEOPAK软件的中，通过开挖前后的测量数据生成地模，通过地模相对地模的方法能精确地计算出土方开挖量、回填量、平衡量。极大的方便了施工规划及路基开挖、回填施工算量。
图7巴更大桥施工段三维地面模型
由于巴更大桥所处的地理特征原因，施工现场各类设施布置十分困难，本项目利用三维数字地面模型进行施工总平面布置，设计多套布置方案，根据现场地形情况及方案比选结果确定在桥梁1#墩～7#墩左侧设置预制梁场，在桥梁10#～14#墩右侧设置项目部办公大临区、钢筋加工场及木工棚，此种布置方案最为方便经济，并且可以减少耕地占用面积。
图8施工场地布置
4.2深化设计
4.2.1 T梁模板设计
本工程主桥采用预应力钢筋混凝土T型梁，由于制作要求精度高，且横截面形式多变，综合多方面考虑，T梁制作采用定型钢模版，钢模板的拼接采用多段式，为了便于横坡调整，采用可调整的支撑螺杆来实现翼缘板的坡度。本工程考虑到T梁制作工艺的关键性，为保证施工质量，采用Bentley公司的MicroStation软件对T梁定型钢模板进行深化设计，模板构件采用定型化，对面板、背筋槽钢、模板支架、横坡调整支撑螺杆、横隔板等建立构建模型，模型精准，且结构合理。模板制作加工准确，且符合规范要求模板平整度，减少制作误差。
图9 T梁模板设计模型
4.2.2 T梁提升站结构设计
山岭地区的T梁运输是本工程的施工难点之一，由于地形复杂常规运输车辆无法运梁，故本工程采用AECOsim Building Designer软件进行方案设计，在梁场与桥梁墩柱之间采用一种垂直运梁的提升站方式进行施工。成功解决了预制梁场场地狭小、周边地形情况复杂情况下的T梁运输问题。提升站的架体采用钢结构拼装而成，通过AECOsim软件的结构设计模块，可以方便快捷的调取钢结构材料构件，如工字钢、槽钢、角钢等型材，另外可以自定义添加特殊的节点构件。
图10 提升站模型设计
根据现场实际情况，通过BIM方案模拟，在方案设计阶段发现提升架的宽度宽于梁板吊装孔的宽度，为解决此施工问题，BIM人员利用AECOsim软件设计添加在T梁两端用于垂直起吊的提梁扁担。通过精细化建模，并动画模拟钢丝绳穿过吊装孔、牢牢套住T梁的两端并将钢丝绳两端与钢扁担连接、插销子固定的施工过程，确保T梁平稳提升，解决了提升站提升架梁的技术难题。
图11 T梁提升前 图12 扁担梁侧视图
4.2.3 安全防护设计
本工程跨铁路线施工段采用悬浇施工法，悬浇段0#块施工时，由于施工高度距离地面30多米，安全施工是确保工程顺利进行的前提条件，本项目利用BIM技术对0#块采用三维建模手段，合理设计了施工平台及防护栏杆、临时施工楼梯的空间布置，并验算符合安全要求。
图13 0#块安全防护设计
跨越铁路线桥梁施工段为避免对列车行驶造成干扰，同时避免铁路接触网高压电压（2.75万伏）对挂篮施工的影响，确保通车及施工安全。本项目通过BIM技术设计在跨线区域设置沿铁路线的安全防护棚，对铁路线路实现封闭式防护。防护棚采用混凝土基础、钢管支撑柱，顶棚设置绝缘材料，充分保障了施工及通行安全。
图14 跨铁路线悬浇段安全防护棚设计
4.3 施工工序模拟
施工模拟主要表现工序及工艺两方面，为保证工程质量，本工程以BIM技术为依托，采用工序、工艺模拟施工进行三维技术交底，利用MicroStation软件的三维可视化功能进行三维动画模拟。由于T梁制作工艺复杂，而且T梁的质量好坏直接影响桥梁结构稳定性、安全性和美观性，故T梁制作质量控制需做到精细化；架桥机架梁施工是本工程质量控制的重点，提高T梁架设精度、架桥机行走移动的安全控制等，通过BIM技术将工程施工中可预见的和不可预见的进行三维施工模拟，为项目提供了极大的技术支持。
图15 T梁预制施工模拟
动画模拟是通过模型元素得以实现的，模型建立采用AECOsim软件，首先通过三维精确定位来确定模型相对位置关系，再建立预制梁场、龙门吊、天车、T梁、模板、桥台、墩柱、架桥机等三维模型。T梁钢筋模型采用ProStructures软件完成钢筋的布置。当各素材文件建立完成后进行动画编辑。MicroStation提供了一套完整的动画编辑器，通过简单的操作可以实现动画制作效果。本工程根据施工工艺及工序定义素材角色，利用关键帧编辑角色动画时长。动画编辑完成后，可通过软件的输出功能，直接输出视频，也可渲染输出图片序列，通过第三方软件生成视频效果。
图16 架桥机架梁施工模拟
通过三维施工模拟，颠覆了施工现场传统的纸面交底，交底内容更丰富且形象直观，并且不同作业层都可以明确质量控制要点及工序安排。从项目管理角度来讲，施工工序模拟能提前预演施工方案的可行性，并以三维模型指导施工作业，检查分析现场质量偏差，合理控制施工进度，提出改进措施。
4.4 工程量统计
本项目桥梁采用BridgeMaster软件建立模型，通过信息模型，巴更大桥施工实现了材料量精确控制、材料预提、过程控制、结算等方面全部在BIM信息模型基础上进行。模型搭建完成后，即可实现工程量输出。
在施工管理过程中可以通过模型信息处理，对钢筋进行编号，钢筋报表控制材料进场量，减少浪费及材料过载堆放，钢筋下料、制作可以根据数据库实现精确施工。混凝土材料量统计精准高效，施工前输出即将浇筑部位混凝土量，合理计划每次浇筑方量，避免不必要的材料损耗。
图17 生成钢筋下料表
在经营算量方面实现了快速提取、快速输出工程量清单，包含工程量、供货方、施工方、进场日期、施工日期、型号等，清单内容详细且与工程联系紧密，形成了系统化的数据库，有助于项目风险管理、外包采购管理、沟通协调管理等多方面。
4.5基于BIM模型的施工过程质量验收管理
在巴更大桥施工中，我公司发挥BIM技术优势全过程采用信息化管理模式。以BIM模型为数据信息载体，三维模型整合集成施工管理必要信息，最终发布在ProjectWise服务器，项目参建方依据各自权限，实时调用信息模型，提取信息。通过PW平台，保证“一个模型，各方通用”，从而确保施工信息传递的一致性，实现高效协同作业。
在每一部位施工之前，先由BIM小组利用BIM建模软件根据施工图纸建立BIM模型，建模过程中施工图数据信息就集成于三维模型中，并且还可以根据施工需要，很方便的为桥梁施工部位定制添加各类施工信息。施工员可以利用模型生成构件信息表，甚至可以很方便的利用手机、IPAD等便携设备现场调用模型，便可查阅施工信息，不用翻阅繁琐的施工图纸，从而提高工作效率，避免误查、漏查等情况的发生。
图18施工图数据集成于三维模型中
图19利用IPAD等手持设备现场调用模型
构件施工完成后，利用模型超链接功能，对施工过程中如钢筋、混凝土批次、施工时间、工序验收信息追溯性信息进行二次录入，对每一个施工部位进行标签化管理，建立构件施工过程管理档案，实现了施工过程动态管理，每个施工环节都可以追溯，当施工出现质量问题时，极大的方便了分析查找问题原因，切实提高施工质量。
5 BIM应用效果和经济效益分析
本项目通过BIM技术的应用，对构件进行了优化设计，项目实施全过程通过模型属性信息进行管理，改变了传统的管理模式，从而提高了项目施工效率，节约了大量施工成本。并对构件采用cell单元库管理模式，形成了系统的数据库文件,方便模型调取。
BIM技术可以为项目提出最佳的优化设计解决方案，通过模拟施工、精确算量，为项目决策层提供可靠地技术依据，本项目仅在巴更大桥T梁垂直提升架设一项上，节省经济效益15万元，工期缩短56天。
本项目以BIM技术为依托，其中盖梁施工、一种山区桥梁梁体模板、养护喷淋系统、挂篮移位装置、跨铁路防电棚等获得了六项专利授权；“山岭地区复杂地质高速公路工程综合技术研究与应用”荣获2013年度中国施工企业管理协会科学技术奖科技创新成果二等奖；“大型桥梁盖梁抱箍法施工”获得了冶金行业部级工法。
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