李昕懿 劉俊 徐文 曹源 馮宗寶 劉鵬程

（華中科技大學土木與水利工程學院，武漢 430074）

引言

BIM 技術(shù)能模擬施工過程，可視化指導項目設計、建造和管理，顯著提高工程效率和質(zhì)量[1,2]。橋梁作為基礎(chǔ)交通設施的重要組成部分，其設計、施工和管理等各方面都具有高水準的要求[3]，而BIM 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)方案設計、模型構(gòu)建、施工模擬與建設管理等各方面的綜合提升[4]。目前我國在建筑、水利工程、地鐵隧道等領(lǐng)域的BIM 應用已經(jīng)比較成熟，而橋梁工程BIM 應用還處于起步階段[5,6]。金沙江雙線特大橋通過BIM 技術(shù)建立了橋梁精細化模型和鋼筋模型，實行了施工可視化模擬。平塘特大橋基于BIM 技術(shù)構(gòu)建了項目管理信息共享平臺，實現(xiàn)了橋梁建設的信息化管理[7,8]。劉祖雄等[9]基于BIM 技術(shù)大大提高了橋梁工程的經(jīng)濟效益和管理效益。BIM 技術(shù)的數(shù)字創(chuàng)新應用提高了澳門第四條跨海大橋的現(xiàn)場施工效率[10]。以上研究多從BIM 技術(shù)在橋梁工程領(lǐng)域的單一場景應用出發(fā)，是對設計、建造與管理過程中的某一方面進行的探索。雖然從研究深度來看，在單一階段的應用已經(jīng)取得了一些成功的案例，但鮮有串聯(lián)起智能化設計、建造與管理并展開系統(tǒng)性分析的案例。在橋梁建設中使用BIM 技術(shù)已經(jīng)成為了橋梁工程技術(shù)的發(fā)展趨勢[11]，各工程參與方均在探索智能化、信息化技術(shù)在橋梁工程領(lǐng)域的真正價值。

本文依托于某跨海大橋項目，采用BIM 技術(shù)，對橋梁主要構(gòu)件和鋼筋進行全橋的參數(shù)化建模，完成了可視化設計圖紙審核、工程量統(tǒng)計、三維方案推演和技術(shù)交底等工作。同時，通過質(zhì)量安全的協(xié)同管理以及公路產(chǎn)品信息數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建，實現(xiàn)BIM 技術(shù)的升級。

1 工程概況

某大橋及接線工程是連接溫州、臺州兩地的海上通道，全橋由1 號橋和2 號橋兩項關(guān)鍵工程組成，1 號橋主橋采用跨變截面節(jié)段梁連續(xù)剛構(gòu)，2 號橋主橋為雙塔雙索混凝土斜拉橋，大橋總長38.168km,總投資約120 億，具體接線工程圖如圖1 所示。

圖1 跨海大橋接線工程

2 BIM 技術(shù)在設計中的應用

2.1 構(gòu)建BIM 模型

該項目以施工設計圖為基礎(chǔ)，利用Revit 軟件進行參數(shù)化建模，構(gòu)建了橋梁主要構(gòu)件和鋼筋的精細化模型?？绾４髽駼IM 模型如圖2（a）～（b）所示。

圖2 跨海大橋BIM 模型

節(jié)段梁采用Revit 軟件建模，利用結(jié)構(gòu)框架族樣板文件，結(jié)合節(jié)段梁截面尺寸信息創(chuàng)建出以數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的參數(shù)化族文件，并根據(jù)圖紙繪制節(jié)段梁輪廓，應用Curve. PointsAtChordLengthFromPoint 節(jié)點上返回的chordlength 均勻分布點，同時選擇組件類型，將實例命令按點放置。ByPoint 會自動在Revit 項目文件中布局工件。

2 號橋主塔內(nèi)部造型復雜，常規(guī)方法極難準確統(tǒng)計鋼筋量。在主塔模型完成的情況下，通過Revit 建立主筋、箍筋等參數(shù)化模型，參照設計圖紙，將不同鋼筋按剖面繪制于主塔中。利用鋼筋依附于混凝土結(jié)構(gòu)存在的特性，此方式在改變主塔節(jié)段高度的情況下，鋼筋長度自動參變，鋼筋參數(shù)化模型如圖3（a）～（b）所示。

圖3 鋼筋參數(shù)化模型

2.2 可視化圖紙審查及工程量統(tǒng)計

可視化圖紙審查具體包括主塔設計圖紙專業(yè)模型三維審圖和主塔施工階段爬梯BIM 模型圖紙深化審核。在Navisworks 中，對鋼筋和預應力梁等模型進行碰撞檢測，在空間上檢查主梯架和主塔設計的合理性，利用施工過程中的放樣坐標對設計圖紙進行三維校審。大橋設計碰撞成果和臨時結(jié)構(gòu)碰撞成果如表1 ～表2所示，主塔施工階段爬梯BIM 模型圖紙深化審核如圖4 所示。

表1 設計碰撞成果

表2 臨時結(jié)構(gòu)碰撞成果

基于BIM 模型的工序時間屬性、原材料屬性及結(jié)構(gòu)物參數(shù)屬性，可有效提高統(tǒng)計效率項目，減少統(tǒng)計人員的工作。

（1）主塔節(jié)段鋼筋統(tǒng)計

運用Revit 對主塔鋼筋分節(jié)段鋼筋實體建模，BIM模型在快速準確統(tǒng)計出各節(jié)段鋼筋工程量的同時，提高了對材料的整體管控能力。

（2）鋼錨梁材料統(tǒng)計

利用大橋鋼錨梁的參數(shù)化建模以及BIM 模型的自動算量功能，將獲取的工程量數(shù)據(jù)信息與設計量進行對比分析，實現(xiàn)快速的鋼結(jié)構(gòu)工程量統(tǒng)計，在為項目材料成本管控提供了可靠有力的依據(jù)的同時也為現(xiàn)場施工提供了可靠的施工方案。

基于Revit 的插件Dynamo 以及Python 語言的自由編程，通過模型與程序的掛接，能夠保證構(gòu)件分項表面積及總和數(shù)據(jù)快速且準確的輸出。

（3）節(jié)段梁鋼筋、混凝土統(tǒng)計

預制節(jié)段梁參數(shù)化建?？梢钥焖贉蚀_地統(tǒng)計出鋼筋、混凝土工程量，交付經(jīng)營部進行計量工作。

3 BIM 技術(shù)在施工中的應用

3.1 三維方案推演及技術(shù)交底

運用Navisworks 軟件對主塔及鋼梁的施工方案進行虛擬仿真，識別施工過程中的關(guān)鍵點，找出各構(gòu)件的時間和空間沖突，Naviswork 模擬索塔鋼梁施工方案如圖5 所示。

圖5 Naviswork 模擬

在制定2 號橋主塔施工方案時，采用三維BIM 模型方案與現(xiàn)場技術(shù)人員進行可視化交底，協(xié)助測量人員直接從模型中提取現(xiàn)場放樣坐標。主墩0#塊支架方案BIM 設計可視化交底如圖6 所示。

圖6 主墩0#塊支架方案

3.2 工程數(shù)據(jù)庫交互應用

統(tǒng)一BIM 模型編碼，將BIM 模型導入管理平臺。采用企業(yè)云技術(shù)，實現(xiàn)人員庫、機械庫、材料庫、工序庫等統(tǒng)一編碼數(shù)據(jù)庫化，各工區(qū)技術(shù)人員可通過云數(shù)據(jù)將現(xiàn)場施工實時信息上傳到管理平臺，形成互聯(lián)網(wǎng)信息協(xié)同管理的基礎(chǔ)工程數(shù)據(jù)庫，從而實現(xiàn)進度、質(zhì)量、安全、經(jīng)營成本數(shù)據(jù)流與BIM 模型互聯(lián)互通。

（1）進度管理

BIM 平臺提供了基于project 模式的進度計劃編制模塊，子父任務的劃分，工期節(jié)點的確定，前置任務的設置和計劃邏輯之間的梳理均可方便快捷處理，是編制計劃的良好工具。同時，在根據(jù)實際情況調(diào)整計劃時，調(diào)整一個節(jié)點的計劃，后續(xù)與之關(guān)聯(lián)的計劃任務均可相應調(diào)整，調(diào)整計劃方便快捷。另外，通過計劃與三維模型相關(guān)聯(lián)，能可視化查看每一個計劃任務對應的施工部位以及未來每一個時間點下工程實體將處于的進度狀態(tài)。

通過現(xiàn)場施工人員利用手機客戶端，錄入實際進度，實際完成的工程構(gòu)件就能三維可視化展現(xiàn)在模型沙盤中，可實現(xiàn)進度計劃與實際進度的可視化對比，如圖7 所示。同時，系統(tǒng)帶有延誤提醒，根據(jù)編制的進度計劃，對到期實際未完成的構(gòu)件進行提醒，及時通知相關(guān)人員進行進度糾偏。

圖7 某時刻下計劃進度沙盤展現(xiàn)

此外，根據(jù)實際的施工進度情況，系統(tǒng)能夠自動統(tǒng)計已完工的結(jié)構(gòu)物構(gòu)件數(shù)量，作為形象進度統(tǒng)計。同時，關(guān)聯(lián)工程的構(gòu)件工程量清單單價，統(tǒng)計選定時間內(nèi)的產(chǎn)值，以模型的形式顯示結(jié)構(gòu)物計量情況，幫助管理人員進行進度管理，如圖8 所示。

圖8 構(gòu)件計量情況明細

（2）質(zhì)量管理

在BIM 系統(tǒng)中，將該標段評審完畢的設計圖紙、施工組織、施工技術(shù)方案、質(zhì)量保證體系、質(zhì)量通病清單以及避免措施等技術(shù)性文件上傳至BIM 系統(tǒng)，形成相關(guān)的數(shù)據(jù)庫，在后期執(zhí)行時，可直接利用手機APP 便捷查看，指導施工。

BIM系統(tǒng)提供了工序驗收協(xié)同工作模塊，工序完成，項目部質(zhì)檢人員使用手機app 發(fā)起工序驗收流程，監(jiān)理現(xiàn)場查驗拍攝照片存檔并審核現(xiàn)場驗收記錄表，針對隱蔽工程，須把關(guān)鍵的影像片段上傳存檔，如圖9 所示。

圖9 工序驗收流程

在質(zhì)檢過程中，利用BIM 移動端質(zhì)量問題整改閉合功能，將發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量問題以照片和文字描述的形式發(fā)送給負責人進行整改，并且在線跟蹤問題整改情況，如圖10 所示。BIM 系統(tǒng)還提供人員責任追溯模塊，確定每個工程部位的質(zhì)量管控相關(guān)責任人及責任班組名單，便于在后期的責任追溯落實中提供憑證。

圖10 質(zhì)量問題在線整改閉合

（3）安全管理

通過掃描施工現(xiàn)場二維碼，能夠獲取該區(qū)域安全隱患排查清單，根據(jù)清單細目可對現(xiàn)場安全隱患進行排查，運用BIM 平臺手機客戶端的“協(xié)作”功能，上傳安全問題，下發(fā)整改通知，指定相關(guān)責任人進行整改，責任人員對安全問題進行整改后，將整改情況上報相關(guān)領(lǐng)導進行簽字閉合，整個過程均可通過手機線上完成。此外，在施工現(xiàn)場設置視頻監(jiān)控點全部接入指揮部視頻監(jiān)控中心與BIM 平臺關(guān)聯(lián)，可對重要施工部位、隱蔽工程質(zhì)量安全進行全方位監(jiān)管，鏈接監(jiān)控視頻如圖11 所示。

圖11 鏈接監(jiān)控視頻

對裝配式構(gòu)件預制加工廠進行BIM 三維建模，形成可視化三維模型沙盤，將場內(nèi)的所有結(jié)構(gòu)、設備均當成獨立的對象進行可視化管理。在模型沙盤中對應位置設置視頻監(jiān)控點，點擊監(jiān)控圖標查詢現(xiàn)場對應攝像探頭的監(jiān)控影像，實現(xiàn)對廠內(nèi)各位置的實時安全監(jiān)控。對場內(nèi)重型吊裝設備，接入應力監(jiān)測系統(tǒng)，及時反饋設備受力部件的安全狀況。模型沙盤接入環(huán)境影響監(jiān)測設備，對PM2.5、溫度、濕度以及噪聲進行檢測，并自動預警。通過模型與數(shù)據(jù)對接，對各類傳感監(jiān)測設備集成提供智能化的實時監(jiān)測，事故預警功能，大大提高搶險效率。所有的監(jiān)測數(shù)據(jù)，均通過系統(tǒng)自動分析，并以可視化圖表的形式，展現(xiàn)在預制廠的監(jiān)控中心大屏上，以供實時查詢和調(diào)取。裝配式構(gòu)件預制加工廠三維模型沙盤及監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖12 所示。

圖12 配式構(gòu)件預制加工廠三維模型沙盤及監(jiān)測數(shù)據(jù)

（4）地質(zhì)地形查詢管理

基于BIM 平臺，可建立項目的地質(zhì)地形三維可視化模型，便于可視化查看橋位每個樁位下的地質(zhì)情況，并且可以通過測量以及剖面，快捷查閱鉆孔到某一深度的地質(zhì)情況。根據(jù)設計院提供的電子地形圖，生成主通道地形曲面，可較為方便地查看地形起伏情況，并嘗試計算部分挖填方路基的土方量。通過導入衛(wèi)星影像照片，能夠?qū)崿F(xiàn)主通道全橋以及預制廠的三維實景漫游，通過場地漫游，可以進行場地布置優(yōu)化等工作。三維地質(zhì)地形查詢?nèi)鐖D13（a）～（b）所示。

圖13 三維地質(zhì)地形查詢

4 BIM 技術(shù)在生產(chǎn)中的應用

4.1 CAM+MES+RFID 自動化流水線信息采集

計算機輔助制造（CAM）是利用計算機輔助完成從生產(chǎn)準備到產(chǎn)品制造整個過程的活動?，F(xiàn)代化制造業(yè)（MES）是依靠信息管理的一個精確的執(zhí)行過程，這必然要求對計劃和執(zhí)行進行精確的比對，因此無線射頻技術(shù)（RFID）作為一種數(shù)據(jù)自動采集與管理的手段，可以向已有的制造執(zhí)行系統(tǒng)可以發(fā)送準確、可靠的實時信息流，從而創(chuàng)造附加值，提高生產(chǎn)率。為構(gòu)件設置“電子身份證”，感應樁工序可以自動采集信息，實現(xiàn)信息可視化展示和自動化監(jiān)控。CAM、MES 和FRID 三大功能模塊各盡其職又相輔相成，覆蓋了數(shù)控生產(chǎn)的技術(shù)、運行和管理的全過程。

4.2 設計生產(chǎn)一體化

預制構(gòu)件模板分塊較多，可對模板分塊進行單獨編碼標記，再將模板進行參數(shù)化建模、分類、對應編碼標記和入庫。開發(fā)基于BIM 軟件的插件，通過對BIM 模型構(gòu)件與模板匹配，計算機根據(jù)模型長寬高自動計算，得出合理的模板拼裝編號，直接在現(xiàn)場進行取模、拼裝以及生產(chǎn)，模板設計一體化如圖14 所示。

圖14 模板設計一體化

針對裝配式預制構(gòu)件不可逆轉(zhuǎn)的施工過程，以及現(xiàn)場向工廠轉(zhuǎn)變，實體向模型轉(zhuǎn)變，基于BIM 平臺，通過虛擬拼裝技術(shù)的引入，不僅能對已完成構(gòu)件進行視拼，還能根據(jù)當前構(gòu)件數(shù)據(jù)結(jié)合三維打印或直接提交誤差報表，對下個相鄰構(gòu)件進行調(diào)整。

5 構(gòu)件信息全生命期追溯管理

通過利用構(gòu)件產(chǎn)品全生命期一體化數(shù)據(jù)庫的應用，實現(xiàn)預制場數(shù)據(jù)采集智能化、生產(chǎn)流水化、管理信息化以及應用智慧化。

5.1 公路產(chǎn)品信息數(shù)據(jù)庫建立及應用

構(gòu)件產(chǎn)品設計之初，建立三維可視化BIM 模型作為集成平臺，從而使專業(yè)的協(xié)同達到更高層次。使設計信息直接流入施工過程，為施工過程提供三維可視化信息模型。同時可將標準化構(gòu)件進行參數(shù)化建模、模塊化組裝、系統(tǒng)化入庫處理，便于隨時在云端調(diào)取使用。BIM 模型原始數(shù)據(jù)如圖15 所示。

圖15 BIM 模型原始數(shù)據(jù)

通過BIM 信息管理平臺，實現(xiàn)預制構(gòu)件生產(chǎn)過程的可追溯性。每個構(gòu)件設計、施工和交付信息均通過手機移動端APP 及電腦端BE 進行錄入，構(gòu)件從加工到安裝狀態(tài)時間、工序、加工地點均進行全階段的記錄，形成數(shù)據(jù)進度圖表。全部構(gòu)件均生成唯一的二維碼進行統(tǒng)一管理。預制產(chǎn)品的原材料信息、技術(shù)標準等信息通過智能化信息采集工序交接，形成構(gòu)件產(chǎn)品基于BIM 的可視化數(shù)據(jù)庫，為運維階段提供可靠數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)產(chǎn)品信息全生命周期的可追溯管理。

5.2 基于BIM 和物聯(lián)網(wǎng)的倉儲物流管理

利用BIM 管理平臺，對整個預制產(chǎn)構(gòu)件產(chǎn)品進行動態(tài)的倉儲信息管理，能夠快速精確查找構(gòu)件產(chǎn)品所在位置及相關(guān)信息，實現(xiàn)構(gòu)件產(chǎn)品快速精確查找，智能化倉儲物流，如圖16 所示。

圖16 倉儲物流管理

同時，可以在第一時間判斷預制進度與施工進度的比例關(guān)系。設置報警值后，可對預制和施工進度進行實時監(jiān)控。

6 結(jié)論

通過在某跨海大橋項目中應用BIM 技術(shù)，有效解決了項目在設計、施工和管理階段的難題，實現(xiàn)了項目全生命期的精細化管理，提高了項目施工質(zhì)量和管理水平。

利用BIM 技術(shù)對跨海大橋進行參數(shù)化建模，構(gòu)建了橋梁主要構(gòu)件和鋼筋精細化模型，有效檢查了碰撞問題，大大節(jié)約了施工成本；

基于BIM 平臺，采用企業(yè)云技術(shù)，構(gòu)建項目的相關(guān)工程數(shù)據(jù)庫，從而實現(xiàn)進度、質(zhì)量、安全、地質(zhì)地形查詢、構(gòu)件信息全生命期追溯與BIM 模型互聯(lián)互通，實現(xiàn)項目的可視化管理，有效提升項目的管理效率；

基于BIM、CAM、MES 和RFID 技術(shù)，為裝配式預制構(gòu)件設置專屬的身份信息，使得設備能夠?qū)?gòu)件設計信息自動化采集、識別、加工和監(jiān)控，并進行可視化展示，實現(xiàn)裝配式預制構(gòu)件的自動化流水線信息采集。