祁潤(rùn)田,堵一凡，吳佳東，許紅勝

(1.中國(guó)城市發(fā)展規(guī)劃設(shè)計(jì)咨詢有限公司,北京 100000；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410076)

0 引言

BIM虛擬施工技術(shù)因其可視化、信息化、便捷化等特點(diǎn)[1-4]，受到國(guó)內(nèi)外大量關(guān)注，紀(jì)博雅等[5]闡述了近十幾年國(guó)內(nèi)BIM技術(shù)的現(xiàn)狀，并給出未來(lái)研究方向的建議，張繼仁等[6]介紹了國(guó)外BIM技術(shù)研究現(xiàn)狀，并提出下一步的發(fā)展研究方向。目前，BIM技術(shù)在建筑等領(lǐng)域已經(jīng)有了大量的案例與經(jīng)驗(yàn)[7-9]，但在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，其應(yīng)用暫遠(yuǎn)不及在建筑領(lǐng)域成熟。不過(guò)，近年來(lái)隨著國(guó)家大力發(fā)展與支持，BIM技術(shù)在交通領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，主要運(yùn)用在橋梁監(jiān)測(cè)、設(shè)計(jì)、施工管理、地鐵隧道等方面[10-17]。

越來(lái)越多的專業(yè)人士探索出新的方式將BIM技術(shù)運(yùn)用于交通運(yùn)輸施工當(dāng)中。林友強(qiáng)等[18]開(kāi)發(fā)了TJADBrIM平臺(tái)，并以此為基礎(chǔ)揭示了BIM技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用前景；程馬遙等[19]利用BIM技術(shù)提出了一種新的地鐵工程基坑施工方法；陳文寶等[20]闡述了BIM技術(shù)與裝配式結(jié)合在橋梁工程中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。

本文以北盤江大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，探索BIM虛擬施工技術(shù)在縱移懸拼[21]新工藝施工中的應(yīng)用。借助虛擬仿真模擬，解決新工藝、新技術(shù)在設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中出現(xiàn)的具體問(wèn)題，以達(dá)到節(jié)約成本、縮短工期目的。

1 工程概況

畢都高速北盤江大橋位于貴州省水城縣云貴兩省交界處，是畢都高速跨越北盤江大峽谷的一座特大型橋梁。北盤江大橋主橋?yàn)橹骺玳L(zhǎng)度720 m的七跨連續(xù)鋼桁梁斜拉橋，橋跨布置(80+2×88+720+2×88+80)m，邊跨設(shè)置2個(gè)輔助墩和1個(gè)過(guò)渡墩，橋型總長(zhǎng)1 232 m，如圖1所示。該橋主跨徑720 m，為世界第一大跨徑公路鋼桁梁斜拉橋，同時(shí)，大橋建成后橋面頂距谷底江面高差565.4 m，位列世界第一高橋[22]。

圖1 畢都北盤江大橋橋型布置圖(單位：cm)

由于畢都北盤江大橋T18施工合同段，進(jìn)場(chǎng)施工時(shí)間較T17施工合同段延遲近220 d，加上現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜，環(huán)境惡劣，為保證大橋在規(guī)定時(shí)間內(nèi)順利通車，施工單位創(chuàng)造性地研究了鋼桁梁節(jié)段縱移懸拼施工新工藝，并成功進(jìn)行了應(yīng)用。

2 BIM虛擬施工技術(shù)應(yīng)用

BIM虛擬施工重點(diǎn)表現(xiàn)在信息的完整性、模型的關(guān)聯(lián)性與信息的一致性等3個(gè)方面[23]。BIM虛擬施工技術(shù)能夠通過(guò)建筑信息模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)建筑結(jié)構(gòu)不同方面的信息和工程邏輯關(guān)系的完整性表述。將BIM虛擬施工技術(shù)運(yùn)用到橋梁施工的過(guò)程中，能夠保障橋梁施工過(guò)程中的所有信息的完整性。

通過(guò)BIM虛擬施工技術(shù)所建立起來(lái)的BIM模型，其對(duì)象具有相互關(guān)聯(lián)特征，也就是說(shuō)，如果其中一個(gè)構(gòu)件發(fā)生變化，那么其他具有關(guān)聯(lián)的構(gòu)件也會(huì)隨之發(fā)生改變，從而使整個(gè)工程邏輯關(guān)系發(fā)生新的變更。將該技術(shù)運(yùn)用到橋梁施工中，可以建立比較完整的信息模型，這樣便能保證各個(gè)結(jié)構(gòu)之間的緊密聯(lián)系，使每個(gè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)得到展現(xiàn)，從而便于橋梁施工工程的管理。運(yùn)用BIM虛擬施工技術(shù)對(duì)模型中某一個(gè)信息進(jìn)行變動(dòng)時(shí)，只需將修改后的信息進(jìn)行輸入，便能夠?qū)θS模型以及二維圖形進(jìn)行自動(dòng)更改，以此保證了施工過(guò)程中工程圖紙的一致。圖2為虛擬施工技術(shù)路線圖。

圖2 虛擬施工技術(shù)路線圖

2.1 建立BIM模型

2.1.1建立三維仿真地形

畢都北盤江大橋地形復(fù)雜，地勢(shì)海拔高，為了更好利用BIM虛擬施工技術(shù)解決施工過(guò)程中各種構(gòu)件的沖突問(wèn)題，按照構(gòu)件作用及位置建立不同的細(xì)度模型。仿真三維地形是虛擬施工中不可或缺的元素之一，它是規(guī)劃運(yùn)輸路線、進(jìn)行場(chǎng)地布置的前提，為了建立真實(shí)三維地形圖，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)及現(xiàn)有條件，利用無(wú)人機(jī)放樣，再結(jié)合谷歌地圖對(duì)項(xiàng)目周圍地勢(shì)海拔數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測(cè)記錄，然后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Civil 3D中，生成項(xiàng)目區(qū)域三維地形圖。

2.1.2建立整體橋梁模型

橋梁整體模型是虛擬施工的主體，是關(guān)系著虛擬施工技術(shù)是否能夠順利開(kāi)展的元素之一。根據(jù)大橋里程坐標(biāo)，以施工設(shè)計(jì)圖為基礎(chǔ)，利用Revit軟件建立細(xì)度LOD200的索塔、交接墩、橋頭的1∶1實(shí)體模型；建立細(xì)度LOD300鋼桁梁節(jié)段、斜拉索、豎向支座等構(gòu)件，當(dāng)設(shè)計(jì)圖模型建立完成后，拼裝整個(gè)橋梁模型,如圖3所示。

圖3 Revit建立的北盤江大橋整體模型

2.1.3建立臨時(shí)構(gòu)件模型

對(duì)于北盤江大橋新工藝，原施工設(shè)計(jì)圖紙已經(jīng)無(wú)法滿足其施工要求，必須在原設(shè)計(jì)圖紙上增加新工藝所需的臨時(shí)構(gòu)件設(shè)計(jì)圖，根據(jù)臨時(shí)構(gòu)件的作用和位置建立的模型和細(xì)度如表1所示。

表1 臨時(shí)構(gòu)件模型及細(xì)度序號(hào)臨時(shí)構(gòu)件模型細(xì)度LOD1橋面吊機(jī)4002縱移小車3003臨時(shí)加固桿件2004軌道梁及扁擔(dān)支架3005運(yùn)橋面板小車3006其他臨時(shí)構(gòu)件200

2.2 新工藝虛擬施工的優(yōu)化

北盤江大橋施工存在新工藝技術(shù)中預(yù)制構(gòu)件數(shù)量多、體積大及地形復(fù)雜等多種不利因素，存在工人不熟悉施工工藝、運(yùn)輸路線不合理、機(jī)械設(shè)備布置不適當(dāng)、構(gòu)件之間發(fā)生碰撞等潛在問(wèn)題。

2.2.1工藝優(yōu)化

傳統(tǒng)的橋梁施工要求技術(shù)管理人員擁有豐富的施工經(jīng)驗(yàn)以及前瞻性，要對(duì)施工過(guò)程中的重點(diǎn)難點(diǎn)及各個(gè)施工工藝清晰了解。而北盤江縱移懸拼新工藝在實(shí)際施工中并無(wú)參考案例，施工技術(shù)人員只能通過(guò)想象并按照自己的施工經(jīng)驗(yàn)來(lái)把握整體施工過(guò)程，對(duì)施工中的工序操作及細(xì)節(jié)不能熟悉掌握。

BIM虛擬施工技術(shù)以施工設(shè)計(jì)方案為參考，通過(guò)3DSmax軟件的動(dòng)畫功能對(duì)新工藝8個(gè)重難點(diǎn)工序進(jìn)行動(dòng)態(tài)施工模擬，可以解決上述問(wèn)題。下面以B5節(jié)段施工為例，具體闡述施工流程。

1)用拖車將制作好的上橫梁、下橫梁、外側(cè)斜腹桿、豎腹桿和內(nèi)側(cè)斜腹桿經(jīng)模擬的運(yùn)輸路線運(yùn)至拼裝場(chǎng)地，然后利用龍門吊對(duì)B5整節(jié)段按照安裝順序進(jìn)行拼裝，如圖4所示。

圖4 鋼桁梁節(jié)段拼裝工序

2)垂直緩慢提升系統(tǒng)將拼裝好的B5節(jié)段從地面提升至指定位置，如圖5所示。

圖5 鋼桁梁節(jié)段垂直提升工序

3)B5節(jié)段提升就位后，經(jīng)過(guò)復(fù)合檢查，確定吊點(diǎn)轉(zhuǎn)換位置，進(jìn)行第一次吊點(diǎn)轉(zhuǎn)換，將節(jié)段移交至縱移小車，如圖6所示。

圖6 第一次吊點(diǎn)轉(zhuǎn)換工序

4)縱移小車按照事先預(yù)定的方案進(jìn)行B5節(jié)段縱移，如圖7所示。

圖7 鋼桁梁節(jié)段梁底縱移工序

5)在B5節(jié)段縱移至B4節(jié)段后，復(fù)核二次吊點(diǎn)轉(zhuǎn)換位置，進(jìn)行二次吊點(diǎn)轉(zhuǎn)換，連接至橋面吊機(jī)，如圖8所示。

圖8 第二次吊點(diǎn)轉(zhuǎn)換工序

6)橋面吊機(jī)緩慢垂直提升B5節(jié)段并微調(diào)吊點(diǎn)，高強(qiáng)螺栓完成B4節(jié)段與B5節(jié)段的連接；如圖9所示。

圖9 提升并懸拼節(jié)段工序

7)B5節(jié)段拼裝完成后，運(yùn)橋面板小車將預(yù)制好的橋面板運(yùn)至橋面吊機(jī)下，采用橋面吊機(jī)安裝B5節(jié)段橋面板，如圖10所示。

圖10 橋面板安裝工序

8)完成上述工作后，前移橋面吊機(jī)進(jìn)行下一節(jié)段施工，如圖11所示。

圖11 前移橋面吊機(jī)工序

通過(guò)對(duì)上述施工過(guò)程的動(dòng)畫演示，技術(shù)人員可以形象直觀地了解整個(gè)施工工序如何進(jìn)行轉(zhuǎn)換，何時(shí)進(jìn)入下一步工序等。例如，B5節(jié)段在第一次吊點(diǎn)轉(zhuǎn)換工序時(shí),對(duì)吊點(diǎn)轉(zhuǎn)換到縱移小車進(jìn)行了詳細(xì)的施工模擬，使施工技術(shù)人員清楚了解具體施工工藝步驟及工序銜接。不僅如此，虛擬施工的動(dòng)畫演示還可以在技術(shù)交底過(guò)程中供工程相關(guān)成員現(xiàn)場(chǎng)觀摩，提前熟悉工藝操作流程，為施工節(jié)省大量的前期準(zhǔn)備工作時(shí)間。

2.2.2運(yùn)輸路線優(yōu)化

運(yùn)輸路線受地形條件、經(jīng)濟(jì)成本、安全等因素的制約，合理的規(guī)劃布局能夠減少二次搬運(yùn)及路線不通暢帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失，達(dá)到提高施工效率、縮短工期、節(jié)約成本的目的。北盤江大橋現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件復(fù)雜，場(chǎng)地制約影響較大，加上新工藝采用對(duì)稱施工的方式，導(dǎo)致施工現(xiàn)場(chǎng)車輛及人員流動(dòng)大，如何合理規(guī)劃運(yùn)輸路線是亟需解決的問(wèn)題。

現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員以Civil 3D生成的三維地形圖為參考，規(guī)劃了整體運(yùn)輸路線圖?？紤]到北盤江大橋新工藝的特殊性，二維平面的路線規(guī)劃圖仍然無(wú)法避免產(chǎn)生誤差。所以，在二維平面規(guī)劃路線圖的基礎(chǔ)上對(duì)三維地形圖進(jìn)行了修改，再通過(guò)Revit導(dǎo)入到3DSmax軟件中進(jìn)行3D模型的虛擬施工模擬。以施工順序?yàn)榛A(chǔ)，遵循先模擬再施工的原則，針對(duì)不同施工階段進(jìn)行了不同的運(yùn)輸路線動(dòng)態(tài)模擬。例如，在場(chǎng)地平整及土方開(kāi)挖階段，多作業(yè)面同時(shí)施工，大量運(yùn)土車進(jìn)出場(chǎng)，利用虛擬施工技術(shù)，按照先進(jìn)先出，后進(jìn)后出的原則，對(duì)所有作業(yè)面車輛的土方回填、堆放及轉(zhuǎn)運(yùn)等路線進(jìn)行了模擬；在道路硬化及各工棚房安裝等施工階段，對(duì)材料進(jìn)出場(chǎng)路線也進(jìn)行了相應(yīng)模擬；從施工初始階段直到整個(gè)新工藝施工完成均可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模擬。虛擬施工技術(shù)的運(yùn)用，為現(xiàn)場(chǎng)施工減少了大量二次搬運(yùn)及運(yùn)輸沖突帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。

2.2.3動(dòng)態(tài)碰撞檢查優(yōu)化

現(xiàn)階段BIM技術(shù)在實(shí)際工程運(yùn)用中，幾乎都是使用Navisworks軟件進(jìn)行碰撞檢查。由于軟件的局限性，往往只對(duì)Revit中的模型進(jìn)行分析，而橋梁施工是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，靜態(tài)的碰撞檢查已經(jīng)很難滿足施工的要求。

北盤江大橋縱移懸拼新工藝施工中新增許多臨時(shí)構(gòu)件，按照施工方案施工時(shí)，臨時(shí)構(gòu)件的安裝與拆卸是否會(huì)與原結(jié)構(gòu)、原臨時(shí)構(gòu)件等發(fā)生沖突很難通過(guò)經(jīng)驗(yàn)去分析，所以將BIM虛擬施工技術(shù)引入碰撞檢查的概念，以虛擬施工工序動(dòng)畫為基準(zhǔn)，對(duì)8個(gè)工序分別進(jìn)行多視角觀測(cè)。方案相關(guān)的設(shè)計(jì)人員通過(guò)北盤江大橋模型可以清晰地了解到在虛擬施工過(guò)程中，何時(shí)何處發(fā)生了構(gòu)件之間的碰撞沖突、構(gòu)件空間位置是否合理，并對(duì)演示過(guò)程中的碰撞點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，通過(guò)科學(xué)且正確的方式對(duì)縱移懸拼施工方案進(jìn)行修改及驗(yàn)證。

鋼桁梁整節(jié)段起吊作業(yè)高度約為80 m，吊裝重量約為170 t，如何合理進(jìn)行大型構(gòu)件的拼接施工是橋梁新工藝能否順利實(shí)施的關(guān)鍵。RIM虛擬施工對(duì)整個(gè)工序的每一個(gè)操作進(jìn)行了精細(xì)化模擬，通過(guò)模擬施工發(fā)現(xiàn)，橋面吊機(jī)前移時(shí)會(huì)與斜拉索產(chǎn)生碰撞沖突(見(jiàn)圖13)，后續(xù)技術(shù)人員對(duì)碰撞處進(jìn)行了優(yōu)化處理(見(jiàn)圖14)，將發(fā)生碰撞的構(gòu)件更改為臨時(shí)結(jié)構(gòu)，當(dāng)橋面吊機(jī)前移至指定位置后，再重新安裝臨時(shí)構(gòu)件，進(jìn)行下一步施工。

圖13 碰撞點(diǎn)

圖14 碰撞點(diǎn)優(yōu)化

2.2.4機(jī)械設(shè)備優(yōu)化

機(jī)械設(shè)備的使用往往是施工過(guò)程中容易被忽略的一個(gè)方面，工程中經(jīng)常因機(jī)械設(shè)備進(jìn)場(chǎng)不及時(shí)、設(shè)備之間相互干擾，導(dǎo)致工期延誤。對(duì)一種新的施工工藝實(shí)施，就算施工技術(shù)人員擁有豐富的施工經(jīng)驗(yàn)也很難避免這些問(wèn)題發(fā)生。

因此，提出利用BIM虛擬施工技術(shù)對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化管理。以虛擬施工工序動(dòng)畫為參考，對(duì)北盤江大橋每道工序中每一個(gè)操作所需機(jī)械設(shè)備進(jìn)行記錄，并確定機(jī)械設(shè)備的種類，對(duì)每個(gè)設(shè)備工作時(shí)間、范圍、路徑進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，以確保機(jī)械設(shè)備在使用過(guò)程不產(chǎn)生干擾現(xiàn)象。同時(shí)，根據(jù)施工工序動(dòng)態(tài)模擬對(duì)關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行記錄，以優(yōu)化機(jī)械設(shè)備進(jìn)場(chǎng)時(shí)間，達(dá)到節(jié)約成本縮短工期的目的。

2.3 BIM虛擬施工技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)生的價(jià)值

北盤江大橋的縱移懸拼新工藝通過(guò)BIM虛擬施工技術(shù)，以施工工序動(dòng)態(tài)模擬為基礎(chǔ)，采取動(dòng)態(tài)糾偏方法，優(yōu)化碰撞點(diǎn)27處，使整個(gè)工程工期縮短100 d。同時(shí)，在面向操作的可視化施工指導(dǎo)及新工藝協(xié)調(diào)方面，優(yōu)化工序14道，節(jié)約協(xié)調(diào)聯(lián)絡(luò)時(shí)間90 d，優(yōu)化路線及設(shè)備6道，節(jié)約材料費(fèi)約180萬(wàn)元。

3 結(jié)語(yǔ)

BIM虛擬施工技術(shù)的應(yīng)用不僅有利于新工藝順利實(shí)施，還可以提高工作效率，減少工期成本，充分體現(xiàn)了BIM虛擬施工技術(shù)對(duì)橋梁建設(shè)的優(yōu)勢(shì)，為后續(xù)橋梁建設(shè)提供了一種新的方法。但橋梁施工是一個(gè)巨大且復(fù)雜的過(guò)程，實(shí)際施工中還有許多東西無(wú)法在BIM虛擬施工中體現(xiàn)，這就需要技術(shù)人員靈活安排。BIM虛擬施工技術(shù)在橋梁施工中的應(yīng)用還有很大的發(fā)展?jié)摿?，需要工程技術(shù)人員共同去挖掘。