BIM技術(shù)在道路橋梁施工管理中的應(yīng)用研究

(湖南尚上公路橋梁建設(shè)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410116)

BIM技術(shù)在道路橋梁施工管理中的應(yīng)用研究

向聃

(湖南尚上公路橋梁建設(shè)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410116)

為提高道路橋梁項(xiàng)目的建設(shè)管理水平，在施工全過程中應(yīng)用BIM技術(shù)。針對(duì)道路橋梁施工的難點(diǎn)，搭建BIM三維可視化模型，分析對(duì)施工的優(yōu)化性。按照施工前、施工中、施工后的順序研究BIM技術(shù)在碰撞檢驗(yàn)、場(chǎng)地布置、施工模擬、災(zāi)害應(yīng)急等方面的應(yīng)用要點(diǎn)。最后介紹BIM技術(shù)在某高速公路大橋施工的應(yīng)用實(shí)例。

BIM技術(shù)；道路橋梁；施工管理

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，車輛行駛密度顯著增大，對(duì)各類型道路橋梁工程的需求也不斷提升，不僅全國范圍內(nèi)興建公路、橋梁、隧道等工程，而且對(duì)其承載力、質(zhì)量、成本等方面的要求也逐步加大。道橋工程施工復(fù)雜，不僅有多變的地理環(huán)境，還涉及多項(xiàng)專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域[1]。目前，道橋項(xiàng)目的施工仍然依托傳統(tǒng)的二維圖紙，層層進(jìn)行信息傳遞，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工中存在的問題，從而影響施工的進(jìn)度、成本和質(zhì)量。因此，采用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)與管理方法，能夠?qū)Φ罉蚴┕じ麟A段進(jìn)行更好的管控，提高施工品質(zhì)。

BIM技術(shù)的最大特征是信息的高度共享，它能夠?qū)㈨?xiàng)目的一切幾何、非幾何信息整合到一個(gè)獨(dú)立的建筑模型中，并對(duì)資源計(jì)劃、施工進(jìn)度等進(jìn)行模擬[2]。在西方發(fā)達(dá)國家，BIM應(yīng)用于項(xiàng)目全生命周期，包括規(guī)劃、設(shè)計(jì)、采購、施工和運(yùn)營等各個(gè)階段；而國內(nèi)，由于傳統(tǒng)模式難以改變，人才、技術(shù)匱乏等原因，使得BIM的應(yīng)用程度較低，且主要在設(shè)計(jì)階段得到較為實(shí)際的應(yīng)用[3]。同時(shí)，國內(nèi)外對(duì)BIM的研究主要集中于建筑工程，在道路橋梁領(lǐng)域的應(yīng)用研究很少。一些學(xué)者大多針對(duì)某具體項(xiàng)目進(jìn)行探討，比如卡塔爾多哈大橋的施工工藝模擬和專項(xiàng)施工管理平臺(tái)的建立、武漢市二環(huán)線漢口段高架橋施工的工程管理BIM實(shí)施框架等[4,5]，缺少對(duì)道橋施工全過程中應(yīng)用BIM技術(shù)的系統(tǒng)性、概括性的總結(jié)歸納。

因此，應(yīng)用BIM技術(shù)，對(duì)道路橋梁構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化處理，建立信息模型，減少施工過程中工作量大、原始資料缺失、工程管理滯后等問題[6]，對(duì)進(jìn)度、質(zhì)量、成本加強(qiáng)控制。本文基于BIM技術(shù)，針對(duì)一般道路橋梁工程，對(duì)道路橋梁施工管理進(jìn)行了歸納性研究。

1 道路橋梁工程施工難點(diǎn)分析

1.1 涉及專業(yè)多樣

一個(gè)道路橋梁工程通常涉及多項(xiàng)專業(yè)領(lǐng)域，比如水下工程、邊坡工程、鋼棧橋工程、隧道工程等，而且道橋的造型結(jié)構(gòu)多樣，使得材料、設(shè)備、施工人員與工藝流程等難以達(dá)到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而提高道路橋梁施工管理的復(fù)雜性。

1.2 設(shè)計(jì)意圖難以表達(dá)

設(shè)計(jì)過程中，建設(shè)單位對(duì)可能存在的影響因素進(jìn)行收集，經(jīng)過協(xié)商、決策后，交由施工方嚴(yán)格執(zhí)行，以保證設(shè)計(jì)意圖的正確實(shí)現(xiàn)[2]。然而，設(shè)計(jì)方大多通過二維圖紙進(jìn)行交底，有的部分甚至僅是文字說明，施工方無法獲得準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)意圖，便會(huì)影響工程的進(jìn)度和質(zhì)量，使設(shè)計(jì)意圖難以實(shí)現(xiàn)，造成人、財(cái)、物的損失。

1.3 施工組織不易

道路橋梁工程具有點(diǎn)多線長(zhǎng)的特點(diǎn)，施工條件復(fù)雜，隨著進(jìn)度的推進(jìn)，難免會(huì)出現(xiàn)一些凍土、軟基、滑坡等不良地段，加上露天施工的方式，還會(huì)受到溫度、降水、風(fēng)沙等外界氣候的影響，使得施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境多變。另外，在不同的路段，即使同樣的工序?qū)?yīng)的施工工藝、機(jī)械、設(shè)備等也會(huì)有所不同，施工組織不易。因此，道橋工程需要有針對(duì)性的制定施工模式、施工工藝、人員設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)。

2 BIM模型搭建及施工優(yōu)化性

BIM技術(shù)的應(yīng)用前提是三維模型的搭建，建模師根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙搭建模型，形成可查看任一視角的三維立體圖。并將參數(shù)信息添入對(duì)應(yīng)的構(gòu)件，不僅可以對(duì)配筋、構(gòu)件等進(jìn)行沖突檢測(cè)，還為后續(xù)的施工模擬提供了模型支撐[7]。

2.1 多角度可視化

BIM技術(shù)能夠?qū)⑽闯霈F(xiàn)的事物可視化，加強(qiáng)構(gòu)件、整體模型、操作人員之間的互動(dòng)、反饋。不僅整個(gè)建造過程均可視，還能展示各角度效果圖、輸出報(bào)表等，輔助道路橋梁項(xiàng)目施工中的溝通、交底、決策，如圖1所示為某公路的3D模型圖。

圖1 某公路的BIM3D模型

2.2 多方協(xié)調(diào)合作

隨著道路橋梁工程的外形、結(jié)構(gòu)、功能的復(fù)雜度不斷加深，對(duì)各專業(yè)領(lǐng)域溝通合作的要求也與日俱增。建筑信息模型的協(xié)調(diào)性服務(wù)為各專業(yè)搭建了一個(gè)技術(shù)協(xié)作平臺(tái)，能夠基于同一數(shù)據(jù)模型支持多人在項(xiàng)目建設(shè)不同階段進(jìn)行信息共享、協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)，避免各種專業(yè)碰撞問題[8]。

2.3 多元模擬優(yōu)化

BIM模型中的構(gòu)件不單是視覺構(gòu)件，除模擬幾何形狀外，還能模擬構(gòu)件性能、時(shí)間、功能等非幾何信息，因而通過BIM技術(shù)可以模擬出道路橋梁施工中可能遇見或者實(shí)際中難以操作的場(chǎng)景，并通過各種優(yōu)化工具對(duì)復(fù)雜問題進(jìn)行分析處理，從而制定合理施工方案。

2.4 多處參數(shù)驅(qū)動(dòng)

BIM模型中所有圖元都是關(guān)聯(lián)的，對(duì)模型中某一處進(jìn)行修改時(shí)，其它關(guān)聯(lián)地方都會(huì)自動(dòng)做出調(diào)整，可以隨時(shí)輸出平、立、拋二維圖紙。通過對(duì)道路橋梁工程的可視化展示、協(xié)調(diào)、模擬優(yōu)化后，再經(jīng)檢查碰撞修改設(shè)計(jì)，許多錯(cuò)誤便被消除，減少了施工過程中可能出現(xiàn)的問題[9]。

3 BIM技術(shù)在道路橋梁施工管理中的應(yīng)用價(jià)值分析

3.1 BIM技術(shù)在道橋工程項(xiàng)目中的實(shí)施流程

道路橋梁的施工是一個(gè)復(fù)雜、動(dòng)態(tài)的過程，隨著施工進(jìn)度的不斷地推進(jìn)，工程規(guī)模、復(fù)雜程度等也在不斷提升，施工管理的難度也越來越大。BIM技術(shù)能夠?qū)⑹┕と^程信息化、可視化，首先構(gòu)建三維模型，然后按照施工的邏輯順序研究BIM技術(shù)的應(yīng)用，如圖2所示，包括施工前的碰撞檢驗(yàn)及深化設(shè)計(jì)，施工中的虛擬建造與進(jìn)度模擬，施工后的質(zhì)量檢測(cè)與災(zāi)害應(yīng)急等，將道路橋梁施工的整個(gè)過程都集中在一個(gè)信息共享平臺(tái)，提前預(yù)測(cè)施工過程中可能出現(xiàn)的問題并制定應(yīng)對(duì)措施，提升施工管理效率與水平。

圖2 BIM技術(shù)在道橋工程項(xiàng)目中的實(shí)施流程

3.2 道路橋梁項(xiàng)目施工前BIM的應(yīng)用

道路橋梁工程施工前，基于三維模型，運(yùn)用可視化技術(shù)進(jìn)行碰撞檢驗(yàn)、深化設(shè)計(jì)等施工輔助。傳統(tǒng)的施工圖紙中各專業(yè)內(nèi)容互相分開，加上道橋工程施工的復(fù)雜性，難以發(fā)現(xiàn)潛在的管線碰撞等問題，在建筑信息模型中，每個(gè)構(gòu)件都匹配相應(yīng)的參數(shù)信息，用參數(shù)來驅(qū)動(dòng)三維模型進(jìn)行碰撞檢驗(yàn)，可以自動(dòng)顯示出碰撞數(shù)量及碰撞構(gòu)件ID、碰撞點(diǎn)詳圖等，如圖3所示，并出具碰撞檢測(cè)報(bào)告，修改錯(cuò)誤，及時(shí)深化設(shè)計(jì)。除了構(gòu)件，BIM還可以對(duì)施工中機(jī)械間、操作空間、機(jī)械和結(jié)構(gòu)間等的碰撞進(jìn)行檢測(cè)[10]。BIM還可以輔助車流量分析，計(jì)算結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和承載力等性能參數(shù)，不斷進(jìn)行整體和局部的細(xì)化處理。這些都有利于節(jié)約施工成本、降低施工風(fēng)險(xiǎn)、保障施工質(zhì)量。

圖3 碰撞檢驗(yàn)生成的碰撞圖像

由于道橋工程施工路線長(zhǎng)，棧橋、圍堰、材料堆場(chǎng)、鋼筋加工場(chǎng)等臨建設(shè)施很容易集中分布在狹窄的施工區(qū)域內(nèi)，若遇上不利的地形環(huán)境則會(huì)更擁堵，因此對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)布置的要求很高。運(yùn)用BIM技術(shù)對(duì)測(cè)量得到的三維地形進(jìn)行建模，再結(jié)合施工區(qū)域總體布置，確定公路、主橋、平臺(tái)、棧橋、大型機(jī)械設(shè)備及材料加工場(chǎng)等的相對(duì)位置，建立形象直觀的施工現(xiàn)場(chǎng)三維布置圖。

3.3 道路橋梁項(xiàng)目施工中BIM的應(yīng)用

BIM具有3D可視化-4D時(shí)間-5D成本的特征，能夠?qū)崿F(xiàn)施工過程各階段的精細(xì)化管理。通過BIM模型對(duì)工程量、進(jìn)度、預(yù)算等關(guān)鍵信息進(jìn)行整合，再關(guān)聯(lián)圖紙、物料、合同、安全等信息，綜合后進(jìn)行施工模擬。利用數(shù)字化管理與實(shí)時(shí)監(jiān)控等手段，模擬項(xiàng)目進(jìn)度、物資消耗等，為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的施工、商務(wù)、計(jì)劃等環(huán)節(jié)提供合理精確的數(shù)據(jù)，從而節(jié)約時(shí)間和成本，提高施工管理效率。

道路橋梁工程的結(jié)構(gòu)形式特殊，一般以施工進(jìn)度為基礎(chǔ)對(duì)質(zhì)量、成本、安全、材料等進(jìn)行控制。目前國內(nèi)道橋項(xiàng)目大多使用甘特圖編制進(jìn)度計(jì)劃，數(shù)字與文字輔助說明，但施工人員難以客觀形象地了解施工進(jìn)度及構(gòu)件間的復(fù)雜關(guān)系。依據(jù)BIM模型，匯總施工階段的各類信息，按照需要調(diào)取相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)道橋施工各階段展開虛擬建造，在施工進(jìn)度模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行成本預(yù)算、資源計(jì)劃、建材運(yùn)輸?shù)?，?duì)比實(shí)際與計(jì)劃間的進(jìn)度、成本偏差，以便及時(shí)調(diào)整后期計(jì)劃，對(duì)道路橋梁施工進(jìn)行優(yōu)化，如圖4所示。

圖4 BIM技術(shù)應(yīng)用下的道路橋梁施工優(yōu)化過程

在真實(shí)的道橋施工過程中，BIM技術(shù)可做到實(shí)時(shí)指導(dǎo)、提前預(yù)測(cè)并解決下一階段可能出現(xiàn)的問題，項(xiàng)目管理由“被動(dòng)”轉(zhuǎn)為“主動(dòng)”。在施工中，通過BIM的信息共享平臺(tái)，提前了解相關(guān)施工工藝、安全隱患等，幫助工人做好準(zhǔn)備，減少問題的產(chǎn)生，簡(jiǎn)化施工現(xiàn)場(chǎng)管理，提高現(xiàn)場(chǎng)管理人員的效率。

3.4 道路橋梁項(xiàng)目施工后BIM的應(yīng)用

在我國，項(xiàng)目施工大多對(duì)進(jìn)度和成本的關(guān)注較重，忽視了對(duì)質(zhì)量的管理，就連最后的質(zhì)量驗(yàn)收過程也不夠規(guī)范，留下許多安全隱患。對(duì)于道路橋梁項(xiàng)目，其質(zhì)量安全極為重要。應(yīng)用BIM技術(shù)，工作人員在施工中通過三維模型信息庫，將構(gòu)件的實(shí)施信息輸入共享平臺(tái)中，做到隨時(shí)反饋，時(shí)刻監(jiān)督。而每個(gè)構(gòu)建都有唯一的ID代碼，這樣在驗(yàn)收時(shí)，質(zhì)檢人員便可以迅速定位所需檢查的構(gòu)件，獲取全面的信息，進(jìn)行規(guī)范化檢驗(yàn)，全面判斷質(zhì)量是否合格并做好記錄，嚴(yán)控質(zhì)量驗(yàn)收的水準(zhǔn)?？梢苑乐挂虺闄z、質(zhì)檢員本身問題等帶來的檢測(cè)結(jié)果偏差。

對(duì)于道路橋梁工程，在施工過程中不同路段會(huì)按一定的順序建成，對(duì)于已建成的部分可能面臨的斷裂、塌陷、泥石流等災(zāi)害，應(yīng)急管理就需要很高的要求。BIM存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)具有空間性質(zhì)，能夠?qū)崟r(shí)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，BIM系統(tǒng)能夠協(xié)助響應(yīng)人員及時(shí)定位，并繼續(xù)識(shí)別潛在的隱患部位和其他突發(fā)事件，在應(yīng)急人員趕赴途中，提供具體信息，不僅有助于災(zāi)害的解決，還可以培養(yǎng)運(yùn)維人員在緊急情況下的應(yīng)急響應(yīng)能力。另外，建筑信息模型可以模擬災(zāi)害發(fā)生的情況，制定合理的解決方案，同時(shí)評(píng)估突發(fā)事件造成的損失，以便研究和測(cè)試對(duì)應(yīng)的相應(yīng)計(jì)劃。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 工程概況

宿州市某高速公路大橋，位于華北平原，地形平緩，村鎮(zhèn)分布密集，半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，日照充足，雨量適中。大橋全長(zhǎng)548.2 m，通行凈空5.5 m，采用雙向六車道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，上部是預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁，下部是肋板臺(tái)，柱式橋墩，墩臺(tái)為樁基礎(chǔ)，其中9#墩位于高速公路中分帶上。

4.2 基于BIM的深化設(shè)計(jì)與場(chǎng)地布置

施工單位在施工前根據(jù)圖紙分別建立族、單個(gè)構(gòu)件、配筋等，最后合成三維可視化模型，并對(duì)施工中用到的箱梁的模板、腳手架、樁位測(cè)量等進(jìn)行了深化設(shè)計(jì)，三維出二維圖，便于對(duì)工人的技術(shù)可視化交底。隨后進(jìn)行施工場(chǎng)地布置，按照預(yù)制梁的生產(chǎn)、橋位、取土區(qū)、進(jìn)出場(chǎng)車輛的行進(jìn)路線區(qū)域、臨時(shí)給水用電方案等，結(jié)合周邊場(chǎng)地環(huán)境，進(jìn)行場(chǎng)地規(guī)劃，如圖5所示。因?yàn)楸竟こ梯^簡(jiǎn)單，所以場(chǎng)地布置也很簡(jiǎn)潔。

圖5 宿州市某高速公路大橋施工場(chǎng)地布置

4.3 基于BIM的施工模擬與優(yōu)化

因?yàn)樵O(shè)計(jì)單位一般不會(huì)提供BIM模型，或者即使提供模型也并不適用實(shí)際施工情況，因此項(xiàng)目部成員以WBS的方式將所有構(gòu)件按照工序級(jí)進(jìn)行分割，給模型賦予時(shí)間屬性，匹配后導(dǎo)入Navisworks里，進(jìn)行施工模擬。如圖6所示，按照常規(guī)的施工方法，先左后右逐跨進(jìn)行施工，但由于高速公路大橋的9#墩跨高速公路中間分隔帶，需隔斷交通，所以劃分7個(gè)階段，計(jì)劃工期為163 d。隨后項(xiàng)目部成員邀請(qǐng)相關(guān)專家、業(yè)主，將BIM技術(shù)應(yīng)用其中，經(jīng)討論與嘗試，將施工過程縮減為5個(gè)階段，不再是先左后右的單跨架設(shè)，而是同時(shí)架設(shè)，以減少中間阻斷交通的時(shí)間，總工期為144 d，優(yōu)化進(jìn)度19 d。通過BIM的可視化模型向業(yè)主進(jìn)行施工進(jìn)度模擬，很快就得到對(duì)方的理解和接受，減少協(xié)調(diào)時(shí)間，這也是本項(xiàng)目在應(yīng)用BIM技術(shù)時(shí)取得的較為突出的成效。

圖6 優(yōu)化前與優(yōu)化后的施工進(jìn)度模擬

4.4 基于BIM的質(zhì)量管理與驗(yàn)收

本工程根據(jù)施工專業(yè)、工序的不同將工程質(zhì)量控制點(diǎn)劃分為3個(gè)等級(jí)：

A級(jí)——關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn)；

B級(jí)——重要質(zhì)量控制點(diǎn)；

C級(jí)——一般質(zhì)量控制點(diǎn)。

可以由總承包、業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計(jì)單位、勘察單位、質(zhì)監(jiān)站等分別對(duì)其評(píng)定，再取綜合結(jié)果。為保證工程質(zhì)量達(dá)標(biāo)，對(duì)A級(jí)的全部、B級(jí)的部分進(jìn)行質(zhì)量控制點(diǎn)的三維可視化工序，以便交底。

本項(xiàng)目采用的是事后質(zhì)量控制，通過二維碼將實(shí)體構(gòu)件與模型聯(lián)系起來，用色譜的方式區(qū)分哪些地方驗(yàn)收好了，哪些沒有驗(yàn)收，哪些正在驗(yàn)收，并在不合格的地方標(biāo)注，如圖7所示。

圖7 質(zhì)量驗(yàn)收管理表與色譜顯示

4.5 基于BIM的協(xié)調(diào)工作

如圖8所示，BIM技術(shù)的應(yīng)用需要各個(gè)部門的協(xié)同工作，工程部以WBS工序建模，編制進(jìn)度計(jì)劃；經(jīng)營部將價(jià)格關(guān)聯(lián)后輸出預(yù)算文件；物資部制定材料計(jì)劃，記錄實(shí)際工程量消耗；質(zhì)檢部跟蹤工程進(jìn)度，實(shí)時(shí)上傳現(xiàn)場(chǎng)照片；安全部建立安全措施模型，展開文明工地布置。綜合而言，所有部門協(xié)調(diào)工作，雖然很大范圍的應(yīng)用了BIM技術(shù)，但是實(shí)際上耗時(shí)很長(zhǎng)，很費(fèi)現(xiàn)場(chǎng)，增加了工程量?，F(xiàn)實(shí)中由于業(yè)主、經(jīng)理、設(shè)計(jì)、分包、勞務(wù)分包等并沒有基于模型的操作，因此許多協(xié)調(diào)的手段還得靠傳統(tǒng)的辦法。

圖8 各部門基于BIM的協(xié)調(diào)合作

5 結(jié)語

本文針對(duì)道路橋梁工程施工難點(diǎn)和實(shí)際施工效果，總結(jié)歸納了BIM技術(shù)輔助道路橋梁項(xiàng)目施工全過程的可行性，并結(jié)合案例進(jìn)行驗(yàn)證。通過施工前搭建三維可視化模型和施工場(chǎng)地布置，進(jìn)行碰撞檢驗(yàn)，對(duì)模型的整體和局部不斷細(xì)化，從而深化設(shè)計(jì)、降低施工風(fēng)險(xiǎn)；通過施工中采用BIM虛擬建造技術(shù)，模擬施工進(jìn)度，并在此基礎(chǔ)上對(duì)成本、質(zhì)量、材料、安全等進(jìn)行控制，及時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)際與預(yù)計(jì)的偏差并做出調(diào)整，實(shí)現(xiàn)施工過程精細(xì)化管理；通過施工后在質(zhì)量驗(yàn)收、災(zāi)害應(yīng)急中應(yīng)用BIM技術(shù)，可以加強(qiáng)質(zhì)檢的全面性、規(guī)范化，識(shí)別已發(fā)生或潛在的突發(fā)事件，迅速確定具體位置，及時(shí)處理應(yīng)急情況。

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1008-844X(2017)03-0165-06

U 445.1

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2017-07-24

向 聃(1981-)，男，工程師，研究方向：公路橋梁與隧道工程。