宁波中兴大桥及接线工程BIM设计与应用

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

图1 工程概况

1 工程概况

1.1 项目简介

中兴大桥及接线工程起于宁波市中兴路—江南路口，沿中兴北路跨越甬江，止于青云路，全长约2.62km，是通途路与世纪大道间跨甬江重要的交通主干道。工程总投资22.6亿元，主桥采用上层机动车、下层非机动车的双层布置，主跨400m，V型桥塔桥面以上高度37m，为当今全球最大跨径的单索面矮塔斜拉桥，如图1所示。

1.2 工程特点和难点

中兴大桥位于宁波庄桥机场60m航空限高范围内，同时甬江航道要求主桥一跨过江，因此采用矮塔斜拉桥的方案，创造了国内外同类桥型的最大跨径记录。桥梁不仅设计难度高，施工过程中采用支架滑移、桥面吊机拼装及竖向转体等多种施工工艺，而且周边环境复杂，地下管线错综复杂，地铁3号线与大桥同步建设，沿线待拆迁建筑超过120 000m2。

中兴大桥建设条件苛刻、桥梁构造复杂、施工工艺先进、施工场地有限，因此项目从方案阶段开始使用BIM进行正向设计，并积极引入倾斜摄影、虚拟现实等新技术，实现与BIM的融合应用。

2 BIM组织与应用环境

2.1 BIM应用目标

图2 本项目BIM应用目标

图3 本项目BIM实施方案

针对中兴大桥工程建设的特点，应用倾斜摄影、虚拟现实及交通仿真等技术，结合BIM模型的碰撞检测、设计优化及虚拟建造等功能，直观展示工程整体现状、确定车道建设规模、优化结构设计及验证施工方案可行性等，解决工程周边环境复杂、交通功能多样、施工场地有限等工程难题，如图2所示。

2.2 实施方案

在方案设计阶段，应用倾斜摄影、虚拟现实与BIM融合技术，结合VISSIM交通仿真确定桥型方案及建设规模，并利用我院自主研发的SMEDI-RDBIM系统实现快速化建模。施工图设计阶段构建精细化模型，利用模型优化设计、模拟关键工序并辅助二维出图，设计完成后模型按IFC准则交付，直接应用于大桥施工监控BIM平台。

建模过程中始终遵照《中国市政行业BIM指南》，并充分继承我院春晓大桥等项目的BIM构件库，结合本项目的特点进一步拓展与延伸，形成本项目BIM标准，进一步完善我院BIM标准体系。

2.3 团队组织

BIM团队由院总工程师亲自带队，下设BIM研发中心与BIM应用工作组，桥梁总工及项目负责人进行设计把关，并由法国达索公司提供技术支持，桥梁、道路、结构、倾斜摄影及VR等不同专业的工程师相互配合，并实现上海本部与宁波当地的异地协同工作。

2.4 软硬件环境

BIM设计以法国达索3D Experience平台为基础，自主研发SMEDI-RDBIM、SMEDI-Para 3D等三维设计系统，综合运用UE4、ANSYS等软件，实现各软件之间的信息共享和模型协同，并利用BIM模型进行二维出图，如图4所示。硬件方面采用了大内存和高性能显卡的图形级工作站，同时配备了专业级服务器来存储数据。

图4 软件协同构架

外业影像获取 内业数据处理图5 倾斜摄影影像获取与处理

3 BIM应用

3.1 BIM建模

BIM建模涵盖全工程3km2范围内的地形、周边建筑、道路、桥梁、盾构、地下管线、路灯及景观等。周边建筑及地形利用倾斜摄影获取，精度达厘米级。桥梁、道路及盾构等模型按设计阶段不同分不同模型精度：在方案设计阶段，模型等级为LOD1-2，包含构件的外形及尺寸等主要信息，可实现快速建模与修改，高效率的确定工程方案； 在施工图设计阶段模型精度达到LOD3，钢结构模型包含基本的板厚、型材以及人孔、过焊孔、焊缝等细节，可直接用于工厂加工。设计模型按照IFC准则交付，直接应用于中兴大桥施工监控BIM平台。

3.2 BIM应用情况

(1)倾斜摄影、虚拟现实与BIM融合

倾斜摄影测量技术是近年来发展起来的一项新的测量技术。它改变了以往航测遥感影像只能从垂直方向拍摄的局限性[1]，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、倾斜不同的角度采集影像[2]，同时记录航高、航速、坐标等参数，然后通过专业程序对倾斜影像进行自动分析和整理，从而获得真实三维影像。本项目在方案阶段引入倾斜摄影技术，利用1台旋翼摄影相机， 2个工作人员花2天时间即完成3.0km2的现场拍摄，再利用2天时间完成自动建模，如图5所示。相比传统的测量方法，倾斜摄影不仅能够真实地反应地物情况[3]，而且无论是外业影像拍摄还是内业数据处理效率都大大提高。

倾斜摄影可以构建工程的真实三维场景，输出的点云数据格式可与Bentley、欧特克等多种BIM平台兼容，直接应用于三维场景设计。基于数据的可量测性，结合项目的规划条件，利用倾斜摄影可准确计算场地平整方量，了解地区市政配套设施及房屋动迁房分布等信息，通过多次拍摄掌握场地在动拆迁期间的动态变化，辅助土地征用决算，如图6所示。

图6 倾斜摄影数据测量土地方量

图7 倾斜摄影与BIM融合

利用我院自主研发的基于CATIA、面向道路交通设计SMEDI-RDBIM系统，快速完成道路中心线的平纵设计并生成三维中心线，基于中心线、横断面等信息进行道路模型的快速创建，一键式完成桥梁布跨设计以及管线和附属设施的设计。相比CATIA直接建模，SMEDI-RDBIM系统将道路桥梁及管线的建模效率提高近10倍。

将倾斜摄影真实三维场景与工程BIM精确模型分别导出.fbx格式，在3ds max平台进行融合，并将融合后的模型导入UE4虚拟现实引擎，通过分析项目建设对周边环境的影响确定桥梁方案，如图7所示。

借助虚拟现实平台，有效解决不同设计专业之间的协同问题，同时优选各方意见，综合景观效果、工程造价及实施条件等多种因素，确定设计内容。通过设计师和行业专家的虚拟代入式体验，从合理性和人性化的角度，对项目进行设计优化，完善交通标志、景观及灯带等细节设计，如图8所示。

(2)VISSIM交通仿真

我院自主研发了基于VISSIM的交通仿真平台，首创基于BIM模型的车辆路径快速生成、交通流量自动叠加算法，可一键式提取CATIA信息、自动建立仿真路网模型，完成BIM与交通仿真的数据交换，实现多维度交通评价。

中兴大桥原规划为双向8车道，通过在交通仿真平台中导入路网布设及道路规模等信息进行交通仿真模拟后发现，双向6车道方案能满足交通需求。因此推荐主桥采用双向6车道方案，比原规划8车道方案节约造价约1.2亿元，如图9所示。

图9 VISSIM交通仿真确定车道规模

(3)施工图设计阶段BIM设计与应用

根据中国市政行业BIM标准，在现有IFC基础架构上拓展市政桥梁工程构件的常用属性，深度达到LOD3等级。拓展的属性集和几何模型能通过IFC格式跨平台传递与共享，为BIM的全生命周期应用打下基础。

利用CATIA钢结构模块及钢筋模块建立全桥钢结构及部分混凝土结构钢筋的精细化模型，建模时保证构件命名规则的统一性，借助参数化构件加快建模速度。利用CATIA报表功能，精确快速统计工程量，根据钢筋碰撞检测结果调整钢筋放样。

将BIM模型导入到ANSYS有限元分析软件，不仅省去大量建模工作，而且BIM模型精度更高，计算结果更准确。

根据管线碰撞检测结果，在桥梁施工前实现了对现状管线的针对性排查，提高了管线迁改的效率。

(4)二维出图

主桥钢结构出图采用CATIA中的AITAC二维出图模块，通过定制钢结构出图模板，采用三维+二维相结合的出图方式，使图纸表现更丰富、清晰。

自主研发SMEDI-Para 3D与RADS软件，并打通与CATIA的数据接口，结合Bridge Wise、管立得等商业软件，实现了道路工程、引桥工程及管线的自动化快速出图。

(5)关键工序模拟

利用CATIA模型进行桩基及承台施工、主梁边跨滑移、主塔竖向转体及桥面吊机悬拼施工等关键工序的模拟，验证施工方案的可行性，并实时调整时间节点，统筹安排各项工作。

(6)特大型桥梁施工监控BIM平台

针对中兴大桥施工工艺复杂、安装精度高的特点，专门定制研发了国内第一个特大型桥梁可视化、动态化施工监控BIM平台，平台与BIM设计模型可无缝衔接。

4 总结

图10 中兴大桥施工监控BIM平台

中兴大桥及接线工程BIM设计与应用覆盖方案设计到施工过程的各个阶段。在方案设计阶段，利用倾斜摄影与BIM模型融合技术进行方案比选，通过分析工程建设对周边环境的影响确定最终方案，相比传统的效果图形式，由于倾斜摄影三维场景真实、BIM模型准确，方案分析结论价值更高。虚拟现实技术的代入式体验，不仅优化了交通标志、景观及灯带等细节设计，同时为建设各方的交流汇报提供了新的技术手段。

通过本项目全过程、多专业的BIM正向设计，进一步丰富了BIM模型的构件库； 通过自主研发的SMEDI-RDBIM软件将道路桥梁专业的建模效率提高了近10倍，通过自主研发的SMEDI-Para 3D与RADS软件，结合bridge wise、管立得等商业软件实现了道路工程、引桥工程及管线的100%自动化快速出图。

[1] 杨国东， 王民水.倾斜摄影测量技术应用及展望[J].测绘与空间地理信息， 2016, 39(1): 13-18.

[2] 王庆栋. 新型倾斜航空摄影技术在城市建模中的应用研究[D].兰州：兰州交通大学， 2013.

[3] 李镇洲， 张学之.基于倾斜摄影测量技术快速建立城市3维模型研究[J].测绘与空间地理信息， 2012, 35(4): 117-119.

[4] 刘钊, 袁胜强,黄虹.上海沿江通道越江隧道工程中的BIM技术应用[J].土木建筑工程信息技术，2016,8(3)：20-25.

[5] 杨京鹏, 袁胜强,顾民杰.宁波梅山春晓大桥BIM应用[J].土木建筑工程信息技术，2017,9(1)：14-20.

[6] 袁胜强, 胡程,欧阳君涛.智慧城市云平台构建研究[J].土木建筑工程信息技术，2018,10(1)：22-26.