建筑信息模型技术在城市密集区桥梁施工中的应用

钱佳鑫， 陈东， 邓树新

(1. 南京理工大学理学院， 南京 210094； 2. 江苏中源工程管理股份有限公司， 南京 210094； 3. 南京理工大学机械工程学院， 南京 210094)

建筑信息模型(building information modeling，BIM)技术是一项新兴的贯穿于建筑工程全周期的数字化建模技术。它以通用的行业基准分类(industry foundation classes，IFC)数据格式为依托，借助建模软件，如Revit、Bentley、Tekla等，将建设项目的各项相关数据信息集成于三维模型中，避免传统管理模式中“信息孤岛”等问题的产生，达到项目各参与方信息共享的目的[1-2]。

BIM技术的兴起，推进了建筑信息化的进程，也推进了世界桥梁工程建设的发展。Goaszewska等[3]以某公路桥模型为工程实例，指出BIM技术的应用能够有效优化设计和施工各个阶段的成本估算过程，极大地简化了预算人员的工作量；Kim 等[4]使用面向对象的三维可视化技术开发高速公路数据模式和模型，实现了成本估算和工期调度的自动化；目前，预制混凝土桥面板的质量检查主要依靠人工检验，存在很大的不确定性，Wang等[5]针对该问题，开发出利用激光扫描数据自动创建预制混凝土面板的BIM模型新技术。张文胜等[6]以蒙华铁路某大桥为背景，开发了铁路桥梁施工管理系统；曲强龙[7]采用Dynamo桥梁参数化建模实现了预应力连续梁桥施工控制，提出了BIM与有限元模型转换的方法；梁浩[8]采用Revit和Dynamo可视化编程方法建模，开发了可视化的箱梁吊装施工工艺，提出并探讨了利用Lumion制作漫游动画；孙勤霞[9]结合三元桥整体置换工程，论述了BIM技术应用在桥梁工程的优势和关键性技术研究实现方法，且进行了施工工序推演模拟和系统设计。

但是现阶段中国BIM技术因其发展的局限性，多应用于铁路桥、公路桥，且研究大多集中在模型建立、成本估算、管理系统开发等领域，在城市桥梁施工领域的应用案例较少，如何将BIM技术应用于城市桥梁工程施工，成功解决城市复杂环境下的桥梁工程施工难题，成为当前城市桥梁工程建设工作的重点和难点[10]。现依托扬州市润扬路快速路改造工程，应用BIM技术，结合Navisworks平台对施工过程可视化仿真，探讨BIM技术在城市密集区桥梁施工中的应用。

1 项目概况

润扬路快速化改造工程(江阳路互通立交)位于扬州市邗江区，该互通为枢纽型全互通立交，包括主线高架桥1座，全长1 514.95 m，共15联；互通匝道桥8座，全长5.04 km。项目主线与8个匝道共5层，包括242个桥墩，施工投入的人力、物力、财力和施工装备数量巨大，为特大型城市桥梁工程。润扬路快速化改造工程总体效果如图1所示。

图1 润扬路快速化改造工程总体效果图Fig.1 General effect of the rapid transformation project of Runyang Road

2 工程施工难点

在工程施工过程中，存在的困难如下。

(1)工期紧，任务重，工程体量大。润扬路快速化改造工程包含主线桥一座，互通匝道桥8座，以及地面道路工程及其他附属工程，工程内容多、体量大；互通立交结构层次多，施工断面重叠交织，必须在各断面互不干扰的前提下依次组织施工，工期紧张。

(2)施工作业面狭小，现场施工组织难。工程位于城市密集区，施工区域周围高楼林立，交通情况复杂，施工作业面狭小；施工区域跨度大，区域内障碍多，全面展开施工管理困难；施工内容多，涉及钢箱梁吊装、混凝土箱梁浇筑、交通运输、大型器械进出场等多专业交叉作业，组织协调难度大。

(3)交叉道口多，钢箱梁安装难度大。工程钢箱梁共计9联，其中主线1联，匝道8联，且集中于润扬路与江阳路交叉口部位，相互层叠盘绕，施工空间跨度大，交通组织难；主线钢箱梁下穿于既有江阳路高架，受制于桥下净空，施工难度较大；匝道钢箱梁上跨既有江阳路高架，最大支架搭设高度30 m，搭设难度大且施工安全风险高。

针对上述施工中存在的难点，项目部决定在施工开始前利用BIM技术可视化、协调性[11]的优点辅助现场施工。在众多BIM软件中，本项目选用国内外BIM体系中使用最广泛的Revit软件创建三维模型[12]，并使用Autodesk Navisworks平台，对施工流程进行可视化模拟，预先发现交叉施工碰撞、大型器械进出场冲突、吊装过程风险隐患等[13]施工中可能出现的问题，优化施工方案。

3 BIM施工应用

3.1 三维模型构建

在BIM技术应用过程中，所建立的三维模型是所有建筑信息的载体，包含项目建设过程中所包含的所有信息。传统的工程项目是以二维图纸和书面记录的形式存储工程信息的，而BIM技术是通过建立三维模型，将原本二维图纸和施工日报等文字材料携带的工程信息集成到模型中，对原本庞大的工程数据集中分类和管理，便于项目各参与方查阅、调用、更新，解决了传统建筑工程中多方协调困难的难题。

根据设计单位提供的图纸，使用Revit软准确建立参数化模型，所建立模型包含全线混凝土梁结构、桥面及其附属结构模型、钢箱梁模型及部分桥墩钢筋模型，几乎涵盖润扬路立交桥所有基本信息，包含所有构件几何、材料、价格、物理、技术标准及各构件的位置关系等，反映了工程的实际状态，如图2所示。其中，模型中非常规构件如花瓶形墩柱的构建，需以族的形式建立，选择族样板、参照平面，然后根据其基本参数完成构件族的创建，将构件族导入项目完成整体三维模型的创建。

建模过程中，有三点问题需要注意。

(1)模型的建立工作量大、耗时长，建模人员应注意运用融合、放样、镜像、阵列等命令，熟练掌握快捷键操作，提高工作效率，加快建模进度。

(2)族文件的参数化。参数化设置是BIM建模的一大特点与优势，需要模型更改时只需改变族文件参数，对应关联文件也会发生变化从而更新模型，便于在完成根据图纸建立的初步模型后，进行数据核对并完善BIM模型。

图2 参数化模型Fig.2 Parametric model

(3)BIM贯穿于项目的全生命周期。参数化模型的优劣会对BIM后续应用产生巨大影响，因此应建立规范流程，以保证所建立模型的准确性。

3.2 环境模型搭建

润扬路快速化改造工程施工场地周围有多个高层建筑，施工难度大，利用BIM技术建立周边地形环境模型，将周边地形数据与高架桥BIM模型相结合，依托整合模型形象模拟展示各个阶段的施工过程，使得模拟优化后的施工方案更加真实、合理、高效[14]。项目采用无人机倾斜摄影测量，将无人机采集的信息通过软件处理后建立三维实景模型。倾斜摄影建模具有真实度高、速度快的优点，目前已成为城市地形三维建模的主要方法[15]。无人机进行图像采集时，配合全球定位系统(global positioning system，GPS)、惯导系统获取影像的位置信息和姿态信息，设置航高120 m，航高相对误差不超过5%，受无人机续航能力限制分区拍摄，历时5 d得到影像文件共120 G。三维实景建模软件选用ContextCapture，首先对无人机采集影像进行预处理，确认没有变形、扭曲的图片，将影像导入ContextCapture中，在ContextCapture中完成空三加密测量、影像匹配、纹理映射，最终建立的环境三维模型覆盖面积为4.18 km2，精度为5～10 mm，将BIM参数化模型与环境模型合并后，得到整合模型如图3所示。

图3 整合模型Fig.3 Integration Model

3.3 施工可视化仿真

在目前的大型工程项目施工过程中，因工程体量大、工程施工工序多且复杂，普遍存在交叉作业的情况。每道工序由于施工人员、性质、工艺、所需材料、装备的不同各有差异，具有时空不确定性，加上桥梁异构性强、结构复杂、城市环境多变、经验不足等因素，给施工组织设计和进度控制造成了极大的困扰，导致了进度滞后、施工部署冲突、造价增高等后果。如塔吊施工半径碰撞、泵送车与吊车进场冲突、起重器械和堆放材料冲突引起二次搬运。上述问题在工程项目建设中及其常见，目前传统的解决方案只是基于施工次序、时间进行施工组织设计，无法有效考虑设备进出场、材料运输、吊车施工范围等动态因素[16]。而BIM技术可视化、可模拟的优点可解决上述问题。

项目采用Autodesk Navisworks进行施工动态模拟。根据原定的施工方案，在软件中设置合理的次序和进度计划，充分考虑空间、时间等因素，制定准确的四维施工进度表。并且使用Time Liner工具进行施工进度模拟，完成任务、甘特图和三维模型三者对接。同时测试和比较不同的施工方案并对已有施工方案进行优化，最终导出模拟过程动画如图4所示。通过Navisworks软件模拟精确、直观地反映出整个项目材料运输、吊装施工、桥面铺设等重点环节的全过程，实现施工过程的精细化管理，提高工程质量，有效缩短工期。

图4 施工仿真模拟Fig.4 Construction simulation

4 基于BIM的仿真对施工的指导

4.1 控制施工进度计划

针对上述工期紧、任务重、工程体量大的问题，在认真研究总体施工进度计划后，施工前将原先的施工进度计划与三维模型关联起来，进行四维的动态施工可视化模拟。模拟时采用不同的时间间隔以及施工顺序进行模拟，找出关键工作和关键线路，并对其进行优化，发生冲突时，通过调整非关键工作和线路，优化施工进度计划方案，保证施工进度计划的合理性；通过精细的划分，在模拟界面可以清晰看出当日完成任务量及剩余任务量；在施工中，根据现场施工进度，与计划进度进行比较，调整投入的人员数量、设备数量、材料进场时间等，数据库会对模型与施工进度进行自动校正，同步调整，最终实现横道图、三维模型与具体工作之间的有效对接[17]。最终确定的江阳路立交总体施工计划如图5所示。

4.2 现场施工组织

润扬立交改造工程位于城市密集区，施工区域地形复杂，施工作业面小，施工内容多，组织协调难度大，因此施工场地的合理布置是保证现场施工有序进行的重要内容。借助施工可视化仿真，直观清晰地反映出施工现场场地的布置。对于不同的施工区域和内容，选用不同的起吊设备；科学合理地规划施工道路和运输路线，在保证场内交通运输畅通和满足施工对材料要求的前提下，最大限度地减少场内运输，特别是减少场内二次搬运；在互不干扰的前提下，尽量提高现场大型机械设备的覆盖率，节约施工用地，减少建筑成本。如图6拼装场地与驾驶路线行驶图所示，现场共设置3片拼装场地，每块场地尺寸为20 m×45 m，用于跨高架钢箱梁的整体拼装。该3片拼装场地需满足500 t履带吊行驶要求。同时由于其余钢箱梁块体使用履带吊进行吊装，需在现场布置吊机行驶路线，满足汽车吊的吊装要求。

图5 江阳路立交总体施工计划Fig.5 General construction plan of Jiangyang Road interchange

图6 场地拼装及驾驶路线行驶图Fig.6 Site assembly and driving route driving diagram

4.3 钢箱梁安装

润扬立交快速路改造工程钢箱梁共计9联，其中主线1联，匝道8联，位置分布如图7所示。

主线钢箱梁Z6联下穿于既有江阳路高架，受制于桥下净空，施工难度较大；匝道钢箱梁中E6联与G5联存在交叉、A8联与G6联存在交叉；C5、A8、E6、G5联钢箱梁安装需跨越既有江阳路高架，最大支架搭设高度30 m，搭设难度大且施工安全风险高。基于BIM的可视化施工模拟将施工现场布置情况与钢箱梁架设方案相结合，在Navisworks软件中模拟桥梁建设过程，通过模拟视频的形式，直观、全面地帮助施工方发现现场施工过程中可能存在的问题，从而优化施工方案，保证现场施工安全、有序、合理地进行。如图8所示，为A8联与G6联模拟施工过程，考虑到吊装空间限制，现场采用先安装G6联钢箱梁[图8(a)]，后搭设跨G6联钢箱梁的A8联钢管支架，最后完成A8联交叉段钢箱梁[图8(b)]。

图7 钢箱梁分布图Fig.7 Distribution diagram of steel box girder

图8 匝道模拟施工图Fig.8 Simulation construction drawing of ramp

5 总结

以立交高架桥为对象，进行了BIM技术城市密集区桥梁施工中的应用研究。建立BIM参数化模型，完成了施工可视化仿真。

(1)通过仿真结果直观、清晰地了解施工全过程，找出关键工作和关键线路，优化施工进度方案，减少施工阶段可能存在的错误损失和返工整改的可能性，保证施工进度。

(2)对各种材料的计划、调度、使用情况做精细化管理，减少损失和浪费。

(3)通过模拟钢箱梁吊装过程，科学合理地选用吊装设备、钢箱梁运输路线、安排施工工序，解决了交叉道口多、施工空间跨度大、城市环境复杂等城市密集区桥梁施工中钢箱梁安装难题。

随着对BIM技术认识的不断深入，BIM技术的应用范围不断扩大，但在城市桥梁工程施工上的深度应用仍处于初级阶段，如何更好地发挥BIM技术在城市桥梁工程施工上的作用，仍需不断摸索与实践。