基于BIM技術(shù)的市政工程智慧建造技術(shù)研究

羅利 袁弘毅 李巖松 劉欽佩 王偉

文章研究了BIM 技術(shù)在大型市政工程施工中的應(yīng)用方法，探索BIM 技術(shù)在市政橋梁、城市綜合管廊工程智慧建造中的應(yīng)用與實踐。采用 Revit軟件建立了橋梁及綜合管廊模型，應(yīng)用Midas Civil進行結(jié)構(gòu)分析，利用TEKLA軟件進行橋梁鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計，并采用Navisworks軟件進行了施工模擬及軟硬空間碰撞檢測等。創(chuàng)新開發(fā)了聯(lián)動鋼構(gòu)件精加工技術(shù)，模擬全橋現(xiàn)場拼裝過程，保證施工安全可靠。采用BIM+高精全站儀的空間測量模式，提高了測量精度及測量效率。通過BIM技術(shù)在市政橋梁與管廊施工中的成功應(yīng)用，積累了市政工程智慧建造成功經(jīng)驗，為類似工程提供參考。

BIM; 市政工程; 綜合管廊; 景觀橋梁; 智慧建造

TP391.99?? A

[定稿日期]2021-03-12

[作者簡介]羅利（1978～），男，本科，高級工程師，從事市政道路、橋梁方面的技術(shù)管理工作。

大型市政工程具有點多面廣、專業(yè)分項多、工程總占地面積大、施工分散、工程量大、工期緊等特點，同時需與城市景觀相協(xié)調(diào)，營造美好環(huán)境，為此對市政構(gòu)筑物的施工建造提出了更高要求。BIM（Building Information Model，三維建筑信息模型）是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了建設(shè)工程項目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型[1]。通過三維建筑模型，可實現(xiàn)工程監(jiān)理、物業(yè)管理、設(shè)備管理、數(shù)字化加工、工程化管理等功能，被業(yè)界視為繼CAD 之后建筑行業(yè)的第二次革命[2]。BIM 技術(shù)在建筑領(lǐng)域起步較早，且已取得了一定的成效，但在市政工程領(lǐng)域的應(yīng)用和研究卻相對較少。本文結(jié)合天府新區(qū)創(chuàng)意路等五個項目中蠟梓路跨貓貓溝橋、科智路跨貓貓溝橋、科學(xué)城北路東段跨鹿溪河大橋及大型多艙綜合管廊工程探索BIM技術(shù)在市政工程智慧建造的應(yīng)用實踐。

1 工程概況

天府新區(qū)創(chuàng)意路等五個項目，位于成都市天府新區(qū)，工程包括市政道路、景觀橋梁、綜合管廊等，道路全長4 871 m，景觀橋梁共三座。其中上承式空腹鋼筋混凝土五跨連續(xù)拱橋位于興隆湖東側(cè)貓貓溝濕地公園，橋梁長315 m，寬40 m，采用鋼筋混凝土擴大基礎(chǔ)。橋梁與貓貓溝河道景觀融為一體，與公園城市、人文情懷和融統(tǒng)一盛景（圖1）。

科智路跨貓貓溝橋為水滴形拱梁分離系桿拱橋，橋梁全長160 m。橋梁主橋為拱圈凈跨2×65.666 m的水滴狀異型鋼箱系桿拱橋，主拱肋為異型變截面拱圈，兩側(cè)拱圈在拱頂交匯后繼續(xù)往下彎至橋面處交匯，形成水滴狀（圖2）。

魚腹式雙曲面鋼結(jié)構(gòu)智慧生態(tài)大橋大橋位于鹿溪智谷濕地公園內(nèi)，跨越現(xiàn)狀鹿溪河景觀帶，大橋長390 m，寬43～49 m，橋梁采用變高變寬魚腹式雙曲面鋼結(jié)構(gòu)，平面為弧線布置，橋墩采用Y型圓弧橋墩，共分為9跨。橋面設(shè)置休憩觀景空間，流線型的設(shè)計如行云流水一般，簡潔輕盈，與鹿溪智谷景觀形成完美和諧的統(tǒng)一（圖3）。

科學(xué)城北路東段綜合管廊總長3 913 m，最大截面為15.2 m×4.35 m，目前為全國最大斷面單層多艙綜合管廊。分別有單艙、兩艙、三艙、四艙和五艙5種斷面，包括天然氣艙、綜合艙、高壓電力艙和雨污水艙等4種艙體。

2 項目重難點

（1）管廊施工場地范圍廣，土方挖填量大，預(yù)埋件數(shù)量多、預(yù)埋件安裝精度高。

（2）水滴形拱梁分離系桿拱橋結(jié)構(gòu)形式全國首創(chuàng)，鋼箱梁體量大加工制作精度要求高，水滴拱多點定位同步合龍安裝難度大。

（3）五連拱拱橋原設(shè)計施工順序不合理，拱肋在懸臂狀態(tài)下澆筑上部掛梁，豎向荷載、水平推力大，對支架力學(xué)要求高。

（4）現(xiàn)場施工障礙多，地塊交叉施工多，進度管理難度大。

3 BIM技術(shù)在大型市政工程智慧建造中的應(yīng)用

3.1 BIM工作組織與策劃

（1）BIM實施范圍：以三座景觀橋梁、科學(xué)城北路東段管廊管廊模型為載體開展項目的BIM綜合應(yīng)用與實踐。

（2）應(yīng)用目標：通過發(fā)現(xiàn)圖紙問題、工程量分析、碰撞檢測、工藝模擬、場地模擬等BIM技術(shù)的應(yīng)用，以數(shù)字化、信息化和可視化的方式提升項目建設(shè)水平，做到精細化管理。同時，以項目為試點，培養(yǎng)企業(yè)BIM人才，組建優(yōu)秀BIM團隊。通過BIM系統(tǒng)的部署，建立配套的管理體系，包括BIM標準、流程、制度、架構(gòu)、競爭體系等。

（3）組織結(jié)構(gòu)：項目設(shè)1名BIM負責人，負責管理BIM土建組、BIM機電組、BIM造價組、協(xié)同平臺組四個小組。

（4）軟硬件配置：配備BIM臺式電腦2臺，筆記本電腦2臺;軟件主要分為BIM建模軟件、BIM應(yīng)用軟件、協(xié)同應(yīng)用平臺三大類，具體配置如表1。

3.2 BIM應(yīng)用實踐

BIM技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個方面：其一，模型搭建展示。其二，施工流程優(yōu)化管理。橋梁工程及綜合管廊施工中的應(yīng)用的主要內(nèi)容包括三點，分別是三維建模、場地布置以及施工模擬[3]。

3.2.1 模型創(chuàng)建

在三維建模中，BIM人員以工程設(shè)計圖紙為依據(jù)，搭建三維立體模型[3]。通過創(chuàng)建三座景觀橋梁、科學(xué)城北路東段管廊管廊模型及相應(yīng)的項目場地布置模型，依據(jù)模型對橋梁工程及管廊工程的整體結(jié)構(gòu)以及工程占地情況進行充分掌握。其中水滴形拱梁分離系桿拱橋上部結(jié)構(gòu)建模精度須達到LOD400，其余二座景觀橋梁、管廊與場地模型精度須達到LOD300。項目模型劃分為土建模型、機電模型、鋼結(jié)構(gòu)模型（圖4）。

3.2.2 BIM基礎(chǔ)應(yīng)用

3.2.2.1 圖紙審查

對于復(fù)雜橋梁、大型綜合管廊等結(jié)構(gòu)物，在設(shè)計時往往由于各分項工程設(shè)計師之間溝通不夠及時充分，導(dǎo)致出現(xiàn)相互之間的碰撞問題。因此，圖紙審核是復(fù)雜結(jié)構(gòu)施工中的重點內(nèi)容。采用BIM技術(shù)可以大大提高施工圖審核的效率和效果，通過BIM模型在建造前對各分項工程的碰撞問題進行協(xié)調(diào)分析，生成碰撞數(shù)據(jù)，使得設(shè)計與施工緊密結(jié)合。通過科學(xué)城北路東段跨鹿溪河大橋BIM模型，發(fā)現(xiàn)圖紙重大問題3項，與設(shè)計及時溝通并得到支撐，減少施工損失27萬元，如圖5所示。

3.2.2.2 模型深化

根據(jù)模型的使用范圍采取建立不同精度的模型，確定各類別構(gòu)件拆分要求和精細度要求，避免過度建模。通過管廊全專業(yè)模型的建立，提前發(fā)現(xiàn)土建、機電碰撞問題;針對管廊預(yù)埋件安裝精度高，深化預(yù)埋件安裝圖紙，確定每一個機電支架位置，保證其安裝精度。五連拱Y型墩柱至下而上每根環(huán)形箍筋尺寸都在變化，利用BIM模型對箍筋逐根放樣，確保箍筋尺寸精確。魚腹式鋼結(jié)構(gòu)橋異型墩柱采用定型鋼模板，鋼模板在加工過程中采用BIM模型進行了輔助放樣，有效提高了模板尺寸的精確性（圖6）。

3.2.2.3 BIM+無人機應(yīng)用

管廊施工存在區(qū)域線路長，周邊既有道路少，工期緊張，多點同時開工等難題。在管廊施工前，使用高精度無人機采用傾斜攝影技術(shù)，對地形、地貌進行勘測，測定原始高程數(shù)據(jù)，進行實景建模，對模型進行抓取，明確場地平整挖填方量，選取最優(yōu)施工便道，提高測量工作效率。采用無人機傾斜攝影技術(shù)，結(jié)合BIM模型，突破時空限制，實現(xiàn)未來產(chǎn)品與現(xiàn)狀地形的無縫對接，優(yōu)化臨設(shè)布置和設(shè)計方案（圖7）。

3.2.2.4 三維場地布置

管廊區(qū)域現(xiàn)場施工障礙多，拆遷工作量大，地塊交叉施工多，施工場地狹窄，利用三維模擬周邊環(huán)境與項目部的空間關(guān)系，綜合考慮場地布置的制約因素。合理規(guī)劃項目部、鋼筋加工棚、安全體驗區(qū)、1∶1地下綜合管廊模型區(qū)等區(qū)域，最大限度地滿足文明施工安全生產(chǎn)要求（圖8）。

3.2.2.5 三維可視化交底

綜合管廊進行1∶1三維建模，通過BIM模型對各預(yù)埋件、各部位進行詳細展示，現(xiàn)場工人可按此施工;對科智路跨貓貓溝拱梁分離系桿拱橋，橋面吊裝進行動畫演示，工人對橋面拼接順序進行掌握，提供施工時的溝通效率。通過BIM模型對各預(yù)埋件、各部位進行詳細展示，對現(xiàn)場管理人員進行技術(shù)交底。

3.2.2.6 協(xié)同平臺

將橋梁工程、綜合管廊工程等BIM模型集成于該平臺，由技術(shù)、工程、質(zhì)量、安全等多系統(tǒng)在施工全過程實施BIM協(xié)同管理[4]（圖9）。

3.3 基于BIM技術(shù)的創(chuàng)新與實踐

3.3.1 聯(lián)動鋼構(gòu)件精加工

科智路跨貓貓溝拱梁分離系桿拱橋，其結(jié)構(gòu)形式為全國首創(chuàng)，空間異形節(jié)點結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對其施工圖進行深化，依據(jù)深化圖紙進行鋼構(gòu)件精確加工下料，使構(gòu)件加工和安裝精度滿足要求。

（1）基于建立的LOD400Revit模型導(dǎo)入3DS Max進行可視化模擬，后場加工和現(xiàn)場安裝人員進行充分討論和規(guī)劃精加工技術(shù)路線，發(fā)現(xiàn)錯漏并避免材料浪費（圖10）。

（2）利用BIM模型導(dǎo)入Midas和Ansys進行有限元分析，完成成橋階段內(nèi)力和應(yīng)力驗算，以及重要節(jié)點受力分析，保證鋼構(gòu)件拼裝方案的合理性和實施過程安全（圖11）。

（3）有限元軟件分析過程結(jié)果反饋回BIM模型進行深化設(shè)計，采用學(xué)思自動套料軟件實現(xiàn)加工精準提料，結(jié)合SigmaNEST軟件數(shù)控技術(shù)對鋼構(gòu)件進行精加工。

（4）模擬全橋現(xiàn)場拼裝過程，保證施工順序安全可靠（圖12）。

3.3.2 基于BIM技術(shù)的漸變截面斜鋼拱精準測量

水滴型拱屬于漸變截面，且多肋交會合攏到中間水滴結(jié)構(gòu)，測量精度要求高，采用傳統(tǒng)的坐標系-投影測量方式無法滿足精度要求，且效率低下。為保證測量精度及提高測量效率，在測量過程中采用BIM+高精全站儀的空間測量模式[5]。主拱結(jié)構(gòu)利用CAD 3D3S將曲線方程控制的斜拱軸線擬合，再根據(jù)設(shè)計提供的數(shù)據(jù)參數(shù)化建立漸變截面雙曲五邊形斜拱弧形輪廓，模型與設(shè)計建筑模型合模修正。并根據(jù)施工過程的荷載參數(shù)增加預(yù)拱值，得到主拱結(jié)構(gòu)施工控制模型。

3.3.3 五連拱拱橋施工方案模擬

原設(shè)計施工順序為從墩頂向兩側(cè)對稱施工三分之一拱肋的“Y”型澆筑方式，然后在拱肋懸臂狀態(tài)下直接施工掛梁，最后再合攏拱圈。該設(shè)計方案要求拱肋支架必須一次性搭設(shè)完畢。而拱肋及掛梁荷載對支架要求極高，任何變形及沉降均會使拱肋提前受力導(dǎo)致開裂，影響結(jié)構(gòu)安全。通過Revit模型接入MidasCivil進行方案比選分析[6]，決定采用先合龍完整拱，再施工頂部掛梁的施工順序（圖13）。

反復(fù)施工模擬后確定如下施工順序：

（1）下部結(jié)構(gòu)澆筑，增加橋墩回填土高度以提高橋墩側(cè)向抗推能力防止拱腳在施工中因非對稱力而破壞。

（2）回填土表層硬化，逐層搭建盤扣式腳手架，搭設(shè)模板，沿兩側(cè)橋墩向中間分段澆筑混凝土，合攏成拱。

（3）拱圈上縱向間距預(yù)埋鋼筋，然后澆筑“臺階狀混凝土”，為掛梁支架的施工提供可靠水平支撐面，以保證施工安全”。

（4）搭建掛梁支架，依次鋪設(shè)工字鋼、圓鋼管、方木和模板，并澆筑掛梁混凝土，直至完成全橋。

優(yōu)化工序后拱肋先合攏形成穩(wěn)定的拱圈結(jié)構(gòu)，有效規(guī)避結(jié)構(gòu)安全風險。原方案所需的支架體系需一次性投入約5 000 t，工序優(yōu)化后先形成拱圈，可單跨組織施工，支架體系多次重復(fù)周轉(zhuǎn)使用，減少支架投入約1 700 t，效果顯著。

4 結(jié)束語

該項目包含了典型市政項目的所有特征，施工范圍內(nèi)障礙物多、施工區(qū)域狹窄、工期緊、文明施工要求高等。利用無人機技術(shù)與三維場布模型對施工便道、施工場地合理規(guī)劃解決了施工區(qū)域狹窄等問題。利用仿真分析與數(shù)控加工等手段解決了系桿拱橋拱肋吊裝分段劃分以及異形鋼構(gòu)件精加工難題，節(jié)約了鋼材并保障施工安全;利用仿真分析驗證五連拱拱橋調(diào)整的施工方案，以此作為支撐確保了方案可行性。通過BIM技術(shù)的應(yīng)用，大量減少了綜合管廊機電安裝管道、設(shè)備之間的碰撞，提高了橋梁鋼結(jié)構(gòu)加工制作精度。項目實施中全過程質(zhì)量安全在線管理，極大地提高了施工效率，通過BIM管理節(jié)約成本237萬元，節(jié)約工期60 d。

參考文獻

[1] 李若濤.基于BIM技術(shù)的矮塔斜拉橋智慧建造應(yīng)用研究[J].建筑建材裝飾.2018（12）：61-62.

[2] 張建平，李丁，林佳瑞，顏鋼文.BIM在工程施工中的應(yīng)用[J].鐵道標準設(shè)計，2012，41（371）：10-11.

[3] 藺文峰.基于BIM技術(shù)的橋梁可視化施工應(yīng)用探討[J].人民交通.2018（14）：55-56.

[4] 趙洋帆.BIM技術(shù)在城市綜合管廊建設(shè)中的應(yīng)用探討[J].建材發(fā)展導(dǎo)向，2019（5）：188.

[5] 謝興定，王振宇.高速鐵路系桿拱橋BIM技術(shù)研究[J].價值工程，2018，37（18）：163-165.

[6] 陳家勇，賴亞平，肖奎等.景觀橋梁BIM設(shè)計及應(yīng)用實踐—以合川渠江景觀大橋為例[J].公路工程2018，43（6）：102-107.

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