李長(zhǎng)江 張飛軍 張羽彤 袁鐵權(quán)

(1:吉林省高等級(jí)公路建設(shè)局,長(zhǎng)春 130033; 2:吉林建筑大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118)

1 概述

隨著技術(shù)的進(jìn)步,我國(guó)在公路工程設(shè)計(jì)及施工中從手工繪制二維圖紙向二維+三維+全壽命周期理念過(guò)渡,主要運(yùn)用Building Information Modeling(簡(jiǎn)稱(chēng)BIM)即“建筑信息模型”進(jìn)行工程設(shè)計(jì)、建造和管理,從而加快施工管理中信息化進(jìn)程,實(shí)現(xiàn)可視化程度高、可模擬和優(yōu)化特性、數(shù)據(jù)信息髙度整合、協(xié)同性好的目標(biāo),以達(dá)到指導(dǎo)施工,縮短工期,節(jié)約成本等目的.

而在公路工程的設(shè)計(jì)和施工中,由于橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對(duì)于受力分析等要求較高,在整體和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用二維設(shè)計(jì)無(wú)法對(duì)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題進(jìn)行復(fù)核檢測(cè)和查缺補(bǔ)漏,導(dǎo)致施工中出現(xiàn)問(wèn)題,影響施工成本、質(zhì)量、進(jìn)度和安全性[1].因此,在橋梁質(zhì)量控制管理中,整合項(xiàng)目信息,共享和傳遞工程項(xiàng)目的計(jì)劃、進(jìn)度管理信息方面,更利于工程管理及技術(shù)人員對(duì)各種工程施工信息作出正確理解和高效應(yīng)對(duì),達(dá)到為高速公路建設(shè)、監(jiān)理及施工單位提供協(xié)同工作的同時(shí),實(shí)現(xiàn)減少能源消耗,提高生產(chǎn)效率,降低建設(shè)成本和縮短工期的目的.

可見(jiàn),基于BIM橋梁建立模型的研究,有助于促進(jìn)橋梁施工質(zhì)量管理協(xié)同性,加深管理深度,提高施工質(zhì)量管理水平,解決公路建設(shè)中復(fù)雜工程設(shè)計(jì)與施工協(xié)同管理問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)道路橋梁工程管理標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、優(yōu)質(zhì)化及智能化的目標(biāo)[2].

2 基于BIM技術(shù)的橋梁模型建立

基于BIM的橋梁質(zhì)量控制研究采用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)橋梁質(zhì)量控制管理,其核心軟件主要采用Revit，Midas/Civil，Dynamo等系統(tǒng)構(gòu)建[3].

2.1 建立模型的工作流程

探究如何從規(guī)劃、勘測(cè)、設(shè)計(jì)及施工角度實(shí)現(xiàn)基于BIM的橋梁建模及優(yōu)化,繪制基于BIM的橋梁三維模型,并進(jìn)行施工過(guò)程仿真和數(shù)字化施工進(jìn)度分析,完成橋梁工程施工計(jì)劃進(jìn)度的編制,從而通過(guò)直觀的過(guò)程模擬,有效分析施工進(jìn)度安排是否沖突,預(yù)制構(gòu)件吊裝程序是否合理等,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁工程施工質(zhì)量控制及進(jìn)度的管理,具體建立模型的工作流程如圖1所示.

圖1 基于BIM的橋梁施工質(zhì)量及進(jìn)度管理流程Fig.1 Bridge construction quality and process management flow chart based on BIM

2.2 構(gòu)建族庫(kù)

族是指參數(shù)化構(gòu)建即表征參數(shù)數(shù)據(jù),使用具有開(kāi)放入口的Autodesk Revit建立族庫(kù),并應(yīng)用其中的參數(shù)化模板,從CAD設(shè)計(jì)中導(dǎo)入數(shù)據(jù),基于BIM技術(shù)建立橋梁上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、支座及附屬設(shè)施的三維數(shù)字模型,構(gòu)建相應(yīng)的族庫(kù)(橋梁部分構(gòu)件如圖2所示)[4],實(shí)現(xiàn)基于BIM的反向設(shè)計(jì),從而減少重復(fù)性勞動(dòng).

在建立橋梁構(gòu)件族庫(kù)時(shí),須遵循CBIMS分類(lèi)編碼體系原則,按照相應(yīng)的構(gòu)建方法,參考交通行業(yè)橋梁設(shè)計(jì)參數(shù),從而構(gòu)成主梁、橋墩等相應(yīng)構(gòu)件的分類(lèi)及編碼族庫(kù).

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)為BIM的功能性開(kāi)發(fā),是研究BIM的橋梁模型的第一層級(jí)(如圖3所示).隨著開(kāi)發(fā)不斷的深入,施工和運(yùn)維階段的深度和精度不斷提高,基于BIM建立的族庫(kù)逐步形成完整的信息化模型,減少工作量和錯(cuò)漏現(xiàn)象,并通過(guò)力學(xué)模擬,檢查橋梁設(shè)計(jì)缺陷,節(jié)省大量的時(shí)間和材料,降低設(shè)計(jì)成本[5].

圖2 基于BIM的橋梁三維數(shù)字模型構(gòu)件圖Fig.2 Bridge 3D digital model component diagram based on BIM

圖3 基于BIM的橋梁開(kāi)發(fā)層級(jí)示意圖Fig.3 Bridge development level diagram based on BIM

優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中,較重要的部分是對(duì)橋梁配筋受力分析.首先,采用Midas Civil軟件進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)分析計(jì)算,然后通過(guò)Civil 3D，Revit，Dynamo等建模軟件對(duì)橋梁進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì),包括構(gòu)造模型以及鋼筋模型(如圖4所示),以確保橋梁結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定.基于BIM的整個(gè)設(shè)計(jì)全過(guò)程軟件協(xié)同度高,效率高,實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單高效建立BIM模型的目標(biāo).

圖4 基于BIM的橋梁施工仿真設(shè)計(jì)Fig.4 Stress analysis of bridge steel bar based on BIM

2.4 三維可視化模型構(gòu)建

施工階段的BIM開(kāi)發(fā)是從設(shè)計(jì)的功能性開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)向項(xiàng)目級(jí)的應(yīng)用.目前,在國(guó)內(nèi)的研究中,一類(lèi)側(cè)重工藝管理,一類(lèi)側(cè)重過(guò)程管理,集兩者為一體的較少,因此,本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)橋梁施工重點(diǎn)或難點(diǎn)部分進(jìn)行可視化模型構(gòu)建,共享施工空間,調(diào)配施工機(jī)械,優(yōu)化材料供應(yīng)計(jì)劃,合理安排工序等,實(shí)現(xiàn)避免交叉施工,有效保障質(zhì)量與進(jìn)度,優(yōu)化資源配置,集施工工藝管理和過(guò)程管理于一體的目的[6].

2.5 VR仿真模擬

BIM技術(shù)為體現(xiàn)數(shù)據(jù)信息模型,VR技術(shù)則為了沉浸式體驗(yàn),兩者的有效結(jié)合可更好地實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程實(shí)時(shí)演示[7].基于橋梁三維可視化進(jìn)行VR仿真,通過(guò)多種傳感器采集數(shù)據(jù),并與多維數(shù)據(jù)信息交互作用,令使用者能夠沉浸到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仿真模擬的環(huán)境中(如圖5所示),增加感知和理性認(rèn)識(shí),從而深化對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的定性感受和定量的評(píng)價(jià)集成體驗(yàn).

圖5 基于BIM的橋梁施工仿真設(shè)計(jì)Fig.5 Bridge construction simulation diagram based on BIM

3 橋梁BIM施工質(zhì)量控制研究

基于BIM建立橋梁質(zhì)量控制系統(tǒng),將質(zhì)量控制數(shù)據(jù)、施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)基于BIM建立的橋梁模型接口,實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁施工質(zhì)量控制過(guò)程的可視化,利用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和信息化管理,保障建設(shè)期的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和運(yùn)用,并通過(guò)分析計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)達(dá)到控制施工質(zhì)量的目的(如圖6所示),使現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制工作更直觀,為今后的運(yùn)維管理提供技術(shù)支撐.

圖6 基于BIM的橋梁施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)Fig.6 Monitoring system of bridge construction quality based on BIM

3.1 質(zhì)量控制數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測(cè)

3.1.1 收集質(zhì)量控制數(shù)據(jù),設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)

收集設(shè)計(jì)、施工圖紙,全面了解設(shè)計(jì)和施工思想,基于BIM的質(zhì)量控制研究理念設(shè)置橋梁吊裝節(jié)段、變形監(jiān)控測(cè)點(diǎn).

3.1.2 確定質(zhì)量控制參數(shù),分段驗(yàn)算

根據(jù)圖紙確定質(zhì)量控制參數(shù),進(jìn)行前期初步測(cè)算,然后開(kāi)展主橋全過(guò)程質(zhì)量控制計(jì)算,即架設(shè)階段主梁等施工過(guò)程中的內(nèi)力、變形、標(biāo)高及成橋階段橋面標(biāo)高等橋梁關(guān)鍵構(gòu)件在不同施工階段的驗(yàn)算,從而保證施工安全和橋梁建成后的線(xiàn)形、內(nèi)力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求.

3.1.3 模擬施工控制質(zhì)量,實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)

在橋梁施工中,產(chǎn)生的誤差主要有以下幾個(gè)方面(如圖7所示):幾何設(shè)計(jì)參數(shù)誤差、結(jié)構(gòu)剛度誤差、荷載方面誤差、環(huán)境溫度誤差、材料時(shí)變效應(yīng)誤差等.

圖7 基于BIM的橋梁質(zhì)量與進(jìn)度數(shù)字化交付標(biāo)準(zhǔn)圖Fig.7 Digital construction standard for bridge construction quality and progress based on BIM

(1) 幾何設(shè)計(jì)參數(shù)誤差. 主要是指梁段長(zhǎng)度誤差,即兩段實(shí)際制造長(zhǎng)度已經(jīng)偏離理論值,導(dǎo)致主梁線(xiàn)形標(biāo)高偏離理論值.

(2) 結(jié)構(gòu)剛度誤差. 指橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如截面尺寸、彈性模量等取值與施工中實(shí)際構(gòu)件存在不同,從而影響梁段剛度值.

(3) 荷載方面的誤差. 包括采用不同骨料、不同配筋量等影響主梁的自重荷載和施工臨時(shí)荷載(掛籃、材料、壓漿機(jī)等).橋梁荷載隨機(jī)性較大,計(jì)算中使用的數(shù)據(jù)無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)估,導(dǎo)致了這方面的誤差.

(4) 環(huán)境溫度誤差. 季節(jié)、日照溫差等影響溫度,而溫度會(huì)造成測(cè)量誤差,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中選擇的溫度并不能代表施工現(xiàn)場(chǎng)的溫度,因此施工控制過(guò)程中減少環(huán)境溫度誤差,保證實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),熟悉變化規(guī)律,從而避免施工過(guò)程中的溫度影響是十分重要的;風(fēng)載影響會(huì)因風(fēng)力較大時(shí)可能導(dǎo)致線(xiàn)形測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn).

(5) 材料時(shí)變效應(yīng)誤差. 主梁、墩柱等材料的收縮時(shí)變效應(yīng)參數(shù)的計(jì)算理論上并不完善,依照不同理論計(jì)算的結(jié)果存在較大差異,容易導(dǎo)致誤差.

可見(jiàn),為減少橋梁施工中理論值與實(shí)測(cè)值間出現(xiàn)偏差,需要通過(guò)驗(yàn)算階段提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),盡可能按照施工方案劃分實(shí)施階段,模擬真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)的材料和荷載參數(shù)、邊界條件等實(shí)際情況和橋墩應(yīng)力計(jì)算等.

因此,基于BIM的橋梁質(zhì)量控制,是根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況,相關(guān)參數(shù)及反饋數(shù)據(jù),對(duì)比理論設(shè)計(jì)值,對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差分析和驗(yàn)算.從理論模型上看,材料彈性模量、施工荷載和溫度等與實(shí)際施工中存在偏差,需要調(diào)整施工誤差狀態(tài),將各階段的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、線(xiàn)形控制在安全范圍內(nèi),使其符合橋梁規(guī)范和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求.

3.2 質(zhì)量控制管理平臺(tái)

質(zhì)量控制平臺(tái)主要是在質(zhì)量控制過(guò)程中,控制包括施工進(jìn)場(chǎng)設(shè)備、材料及環(huán)境數(shù)據(jù)采集、橋梁結(jié)構(gòu)整個(gè)施工過(guò)程的計(jì)算、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制指令、施工數(shù)據(jù)完整性檢測(cè)及補(bǔ)充,然后經(jīng)過(guò)基于BIM的質(zhì)量控制平臺(tái)與橋梁BIM模型有效結(jié)合,在橋梁施工中跟蹤獲取已布設(shè)的傳感器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備獲取數(shù)據(jù),提供給相關(guān)指揮部等監(jiān)管部門(mén),以使其能夠根據(jù)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果真實(shí)、準(zhǔn)確地掌握橋梁實(shí)體工程施工的施工情況,綜合評(píng)判采集的數(shù)據(jù)是否滿(mǎn)足橋梁規(guī)范及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制,避免假數(shù)據(jù)造成監(jiān)管部門(mén)誤判[8].

在基于BIM的橋梁施工質(zhì)量控制開(kāi)發(fā)過(guò)程中,首先須監(jiān)測(cè)和控制整橋的結(jié)構(gòu)各部應(yīng)力,其監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝位置應(yīng)通過(guò)結(jié)構(gòu)施工模擬計(jì)算或參考同類(lèi)橋梁的安裝布設(shè),即本著充分反映各施工階段即主梁、橋墩等斷面變形規(guī)律及應(yīng)力狀態(tài)確定;然后從監(jiān)測(cè)點(diǎn)獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),經(jīng)理論計(jì)算分析并修正調(diào)整相應(yīng)誤差,將相應(yīng)結(jié)果反映到BIM橋梁模型中以及時(shí)預(yù)測(cè)或發(fā)現(xiàn)施工過(guò)程中存在的結(jié)構(gòu)安全隱患上.

3.3 施工模擬進(jìn)度管理

使用4D施工模擬軟件,構(gòu)建橋梁BIM模型,集成橋梁三維模型和進(jìn)度計(jì)劃,編制基于時(shí)間維度的工序安排和計(jì)劃進(jìn)度,并通過(guò)4D虛擬仿真施工模擬和數(shù)字化施工進(jìn)度分析,優(yōu)化原施工方案,實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁的施工進(jìn)度控制自動(dòng)化集成,以便指導(dǎo)施工[9].可見(jiàn),在基于BIM的施工模擬進(jìn)度管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中,利用Dynamo進(jìn)行可視化編程,完成Excel施工控制數(shù)據(jù)錄入Revit,并基于此二次開(kāi)發(fā)進(jìn)行程序擴(kuò)展,從而達(dá)到施工模擬進(jìn)度控制信息便捷管理的目的.

4 橋梁BIM質(zhì)量與進(jìn)度控制的優(yōu)化管理

橋梁BIM質(zhì)量與進(jìn)度控制的優(yōu)化管理一方面是設(shè)計(jì)階段的優(yōu)化設(shè)計(jì),通過(guò)設(shè)計(jì)過(guò)程中運(yùn)用BIM進(jìn)行設(shè)計(jì)碰撞錯(cuò)漏的檢查,保證設(shè)計(jì)圖紙質(zhì)量;另一方面在施工階段,對(duì)施工過(guò)程的工序進(jìn)行模擬,以保證交叉作業(yè)的相關(guān)工程能夠較好完成系統(tǒng)的技術(shù)交底,從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化施工工序和進(jìn)度安排,減少多施工單位在同一作業(yè)面施工時(shí)的沖突.

橋梁BIM質(zhì)量與進(jìn)度控制優(yōu)化過(guò)程中,以質(zhì)量控制及進(jìn)度管理BIM平臺(tái)對(duì)模型的需求為依據(jù)[10],搜集橋梁施工中相關(guān)數(shù)據(jù)資料,以此為基礎(chǔ)制定模型的構(gòu)件分類(lèi)及拆分標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)用BIM核心建模軟件Autodesk Revit,建立數(shù)字化信息模型,實(shí)現(xiàn)從橋梁設(shè)計(jì)、受力分析、施工模擬及工程量校核等工作,并將檢驗(yàn)結(jié)果交付施工階段的工程信息模型提供給施工建設(shè)及管理部門(mén)使用,從而為工程質(zhì)量及進(jìn)度的優(yōu)化管理奠定基礎(chǔ)[11].

5 結(jié)語(yǔ)

基于BIM的橋梁模型建立過(guò)程中,通過(guò)參數(shù)控制具體橋梁構(gòu)件模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的實(shí)時(shí)控制,并在BIM環(huán)境下分析通用傳感器的布置和遠(yuǎn)程傳輸獲取的施工信息參數(shù),實(shí)現(xiàn)施工方案中各模型在同一物理空間整合模擬,在使用中能夠糾正設(shè)計(jì)圖紙錯(cuò)誤,指導(dǎo)復(fù)雜配筋,實(shí)現(xiàn)橋梁平細(xì)化全周期管理,充分集成及共享規(guī)劃、設(shè)計(jì)及施工等不同階段數(shù)字化信息,并為橋梁運(yùn)營(yíng)和維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐.