BIM技術(shù)在橋梁施工中的應(yīng)用研究

鄔麗娟

(黑龍江省交投信息科技有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150001)

如今，橋梁已經(jīng)成為公路的重要組成部分，隨著公路工程建設(shè)的不斷發(fā)展和通行要求的不斷提高，對橋梁建設(shè)也提出了很高要求，橋梁等級、規(guī)模都得到了很大提升，這無疑對施工技術(shù)和管理都提出了極高要求。在這種情況下采用傳統(tǒng)施工和管理模式將無法滿足實際需要，亟需通過對BIM技術(shù)的引用提高施工技術(shù)水平和施工控制及管理水平。

1 工程概況

大橋位于縣城市中心區(qū)，交通路網(wǎng)發(fā)達(dá)，人群分布密集，橋梁施工對周邊環(huán)境的干擾較大，結(jié)合橋位周邊地形狀況以及道路通行要求，大橋主梁采用頂推法進(jìn)行施工，由于南岸進(jìn)場道路受限于限重20 T，導(dǎo)致鋼箱梁進(jìn)場困難，于是本工程采用全橋由北向南單向頂推的方式進(jìn)行施工。由于主梁采用變截面鋼箱梁形式，頂推法施工時需增加臨時輔助措施使箱梁底面處于同一平面內(nèi)，便于頂推施工的進(jìn)行。場地屬淺丘陵剝蝕地貌，低洼地帶為原河流沖積區(qū)域，為郁江一級階地，現(xiàn)地形較平緩。場地北側(cè)主要為岸坡，高程分布為202.50～245.96 m，地形坡度變化較大，現(xiàn)多為河堤及公路，兩旁分布有居民住房。橋位河段具有山區(qū)性河流地形地貌特點。橋位處地形為南高北底，線位距地面約12 m，江底河槽兩岸陡峭，河槽較為平坦，主通航孔為中部。

2 橋梁施工特點與面臨的挑戰(zhàn)

橋梁復(fù)雜程度正日益提升，結(jié)構(gòu)類型也在持續(xù)增多，并且受到不同因素的共同影響，使橋梁施工日趨復(fù)雜，具體表現(xiàn)在以下幾方面。

(1)橋梁施工環(huán)境難以控制其復(fù)雜多變，無法從根本上避免安全隱患。橋梁和一般項目有所不同，橋梁的施工環(huán)境通常都十分復(fù)雜且多變，難免需要從山谷、河流上跨越，基于此，每個橋梁項目都要根據(jù)環(huán)境條件編制專門的施工方案[1]。除此之外，雖然橋梁施工機械設(shè)備與施工工藝均處在持續(xù)更新的狀態(tài)，但需要人員從事大量高空作業(yè)的現(xiàn)狀仍然無法改變，這就導(dǎo)致施工中必然存在安全隱患。在這種情況下，無疑對方案制定及施工管理都提出了極高的要求。當(dāng)采用傳統(tǒng)施工模式時，不論方案制定或施工管理實施，大多以來工程人員自身經(jīng)驗，而針對環(huán)境極為復(fù)雜的橋梁項目，即便工程人員有豐富的經(jīng)驗，也很難確保方案具有良好的有效性及可行性。在橋梁建設(shè)項目中引入BIM技術(shù)，可充分利用其施工模擬功能對橋梁施工過程進(jìn)行提前預(yù)演，以此將可能發(fā)生的所有問題都消除在施工開始前，并能對實際施工予以動態(tài)監(jiān)控，有效保證施工安全。

(2)預(yù)制構(gòu)件數(shù)量較多，對精度有較高的要求，且體積龐大。不論鋼橋或鋼筋混凝土橋梁，基本都需要用到很多預(yù)制構(gòu)件，構(gòu)件的生產(chǎn)方法包括現(xiàn)場生產(chǎn)或工廠生產(chǎn)。施工開始前進(jìn)行構(gòu)件預(yù)制能減少現(xiàn)場作業(yè)量，具有加快施工效率的作用，但要想使所有構(gòu)件在拼裝過程中都能達(dá)到尺寸匹配，則對尺寸設(shè)計和加工精度都有很高要求[2]。在這種情況下借助BIM技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化生產(chǎn)，能更加高效且精確的進(jìn)行構(gòu)件生產(chǎn)。數(shù)量與體積均十分龐大的構(gòu)件，在對其進(jìn)行運輸與吊裝時也存在很多問題，為了使施工管理達(dá)到優(yōu)化，相關(guān)管理人員不得不對運輸與吊裝設(shè)備及構(gòu)件進(jìn)場實施反復(fù)驗證，大量實踐表明，人為驗證不僅效率低下，而且精度不足。此外，構(gòu)建吊裝對橋梁施工能否順利進(jìn)行和達(dá)到預(yù)期進(jìn)度與質(zhì)量目標(biāo)有直接影響，根據(jù)以往經(jīng)驗制定的施工該方案很難做到有效預(yù)測，更無法提前發(fā)現(xiàn)和解決各類問題，往往只能在問題產(chǎn)生以后重新進(jìn)行設(shè)計與規(guī)劃。而通過對BIM和RFID技術(shù)的引入，可以為以上環(huán)境的人工操作提供高效輔助，解決單純采用人工存在的缺陷和不足。

3 橋梁施工中BIM技術(shù)應(yīng)用

BIM已經(jīng)在規(guī)劃和設(shè)計過程中得到了廣泛應(yīng)用，目前正逐步向工程施工及運營環(huán)節(jié)發(fā)展，實際的應(yīng)用程度已經(jīng)從初級逐漸變?yōu)楦呒墶IM應(yīng)用初期，主要在規(guī)劃階段中使用，用于對復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化演示，之后開始在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段應(yīng)用，包括三維建模和碰撞檢測等，同時能提供施工詳圖，為之后的施工提供可靠依據(jù)，在4D與5D技術(shù)的加持下，BIM開始應(yīng)用于工程的施工節(jié)段，加上國家相關(guān)政策大力引導(dǎo)，有更多的施工企業(yè)將BIM技術(shù)應(yīng)用作為重點工作[3]。

在橋梁施工過程中應(yīng)用BIM技術(shù)具有以下價值。

(1)施工單位可將BIM模型作為參考依據(jù)，初步估算項目的施工成本，并對施工場地布置進(jìn)行優(yōu)化，對各類施工機械設(shè)備與施工需要使用的物料進(jìn)行合理調(diào)配。

(2)通過對4D模型的建立與碰撞檢測的實施，對整個施工過程予以可視化模擬，以此在正式施工開始前就發(fā)現(xiàn)可能產(chǎn)生的各類問題，據(jù)此對施工方案進(jìn)行針對性調(diào)整能減少或避免不必要的損失。

(3)項目的所有參與方使用同一個模型，包括建設(shè)方、設(shè)計方、監(jiān)理方與施工方等，這樣能在發(fā)現(xiàn)問題后十分方便的進(jìn)行溝通與解決[4]。

(4)在項目施工過程中采用BIM可以對構(gòu)件制作過程進(jìn)行高精度模擬，并能對施工所需物料的實際運輸進(jìn)度進(jìn)行實時跟蹤。

隨著BIM技術(shù)實際應(yīng)用的日益深入，工程人員逐漸發(fā)現(xiàn)只有最大限度發(fā)揮出BIM技術(shù)在工程施工階段中應(yīng)用具有的中價值，才可以使施工管理達(dá)到精細(xì)化，減小工程能耗，實現(xiàn)預(yù)期的智慧施工目標(biāo)。

現(xiàn)階段我國應(yīng)用較多的項目管理方法為DBB，即所有項目都需要按照先設(shè)計、再招標(biāo)、后建設(shè)的總體順序?qū)嵤?。對橋梁工程而言，首先建設(shè)方需要委托設(shè)計院完成橋梁設(shè)計，設(shè)計院在得出設(shè)計成果后，采用圖紙的形式進(jìn)行交付，建設(shè)方得到設(shè)計圖紙后采用招標(biāo)的方式選擇合適的施工單位，最后中標(biāo)的施工單位以設(shè)計圖紙為依據(jù)開展施工[5]。

在BIM技術(shù)出現(xiàn)并應(yīng)用于工程施工階段后，設(shè)計院和施工單位之間的連接——設(shè)計圖紙，將改變成三維模型。雖然按照BIM相關(guān)理論，設(shè)計院和施工單位應(yīng)共同使用同一個模型，但考慮到兩者工作目標(biāo)并不相同，故對模型有不同的需求，所以BIM技術(shù)在不同階段中應(yīng)有具有不同的內(nèi)涵。從設(shè)計院角度將，模型的構(gòu)建主要用于是橋梁結(jié)構(gòu)達(dá)到可視化，同時通過計算分析確保結(jié)構(gòu)符合各項力學(xué)要求；而從施工單位角度講，模型的構(gòu)建目標(biāo)包括保證施工精度、對施工方案進(jìn)行優(yōu)化和降低工程造價。

基于此，BIM應(yīng)用在設(shè)計和施工兩個階段中的應(yīng)用有很大差異，具體表現(xiàn)在以下三個方面。

(1)在模型自身方面，當(dāng)BIM應(yīng)用于設(shè)計階段時，模型主要包含工程的結(jié)構(gòu)信息，如主梁、橋墩和橋面等各類構(gòu)件的模型，而當(dāng)BIM應(yīng)用于施工階段時，模型主要包含工程的施工信息，如臨時支撐結(jié)構(gòu)、掛籃和塔吊等施工關(guān)鍵部分的模型；

(2)在信息表達(dá)方面，當(dāng)BIM應(yīng)用于設(shè)計階段時，模型主要表達(dá)橋梁結(jié)構(gòu)施工完成后的理想狀態(tài)，而當(dāng)BIM應(yīng)用于施工階段施工，模型主要表達(dá)橋梁結(jié)構(gòu)目前施工階段所處實際狀態(tài)；

(3)在應(yīng)用意義方面，當(dāng)BIM應(yīng)用于設(shè)計階段時，模型能提高設(shè)計效率，而當(dāng)BIM應(yīng)用于施工階段時，模型能提高工程的施工質(zhì)量，并能降低工程造價[6]。

由此可以看出，設(shè)計和施工兩個階段在需求上的差異決定了BIM技術(shù)在不同階段中應(yīng)用具有的價值。設(shè)計階段中應(yīng)用BIM模型的本質(zhì)在于使傳統(tǒng)的二維圖紙變成三維模型，而施工過程中以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行的一系列工作是BIM技術(shù)核心價值主要體現(xiàn)。

在實際的橋梁工程施工過程中，以橋梁的施工特點為依據(jù)，BIM技術(shù)可以在很多方面進(jìn)行應(yīng)用，具體表現(xiàn)在以下方面。

(1)在深化設(shè)計過程中應(yīng)用，實現(xiàn)碰撞檢測，對設(shè)計模型進(jìn)行優(yōu)化，為其在施工中的應(yīng)用創(chuàng)造良好條件；

(2)施工仿真模擬，即對施工過程進(jìn)行模擬和虛擬，為施工方案的針對性優(yōu)化提供參考依據(jù)；

(3)施工進(jìn)度模擬，根據(jù)工程的施工計劃對施工進(jìn)度進(jìn)行模擬；

(4)施工過程模型建立，能將所有階段包含的施工信息統(tǒng)一存儲到模型當(dāng)中；

(5)工程量統(tǒng)計，對工程量進(jìn)行準(zhǔn)確統(tǒng)計，并據(jù)此編制材料采購計劃；

(6)施工場地布置，對施工所需各類臨時設(shè)備在場地范圍內(nèi)的布置進(jìn)行合理規(guī)劃；

(7)物料設(shè)施監(jiān)管，通過對RFID技術(shù)的合理應(yīng)用實現(xiàn)構(gòu)件定位與追蹤[7]。

通過以上對BIM技術(shù)具體應(yīng)用特點的分析，以及施工過程中BIM技術(shù)基本應(yīng)用原則，即確定各種BIM應(yīng)用存在的關(guān)系，特別是信息交換需要，可以得出以下施工階段中BIM技術(shù)應(yīng)用流程：首次采用BIM技術(shù)進(jìn)行施工模型的建立，包括施工場地模型、結(jié)構(gòu)BIM模型和施工構(gòu)件模型，然后據(jù)此建立3D模型、4D模型和5D模型，其中，3D模型用于實現(xiàn)碰撞檢查、施工圖輸出、工程量統(tǒng)計和材料管理，4D模型用于實現(xiàn)施工模擬、進(jìn)度控制、現(xiàn)場布置、物料監(jiān)控和虛擬拼裝，而5D模型用于實現(xiàn)成分分析和造價控制，最后實現(xiàn)預(yù)期的優(yōu)化設(shè)計、三維交底、資源優(yōu)化配置、施工工序優(yōu)化和現(xiàn)場合理布置等目標(biāo)。

通過在橋梁工程建設(shè)施工中應(yīng)用BIM技術(shù)，可得出BIM技術(shù)具體應(yīng)用存在很多特征和優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在如下幾方面。

(1)以BIM模型為基礎(chǔ)開展的碰撞檢測能及時發(fā)現(xiàn)碰撞問題，以此在很大程度上準(zhǔn)確反映出施工中可能產(chǎn)生的沖突碰撞，將此問題有效解決于正式開工之前，進(jìn)而在降低安全風(fēng)險系數(shù)的同時，從根本上解決由于采用人工進(jìn)行反復(fù)檢查存在的效率低下和成本較高等實際問題[8]。

(2)采用BIM模型能對報表進(jìn)行自動輸出，從而大幅提高工程量統(tǒng)計工作的效率，防止采用人工進(jìn)行工程量統(tǒng)計產(chǎn)生錯誤，同時還能實現(xiàn)實時更新，使項目在施工過程中有效解決由于設(shè)計變更導(dǎo)致的一系列問題。

(3)BIM軟件具有十分強大的出圖功能，且可讀性很高，能為構(gòu)件生產(chǎn)加工及現(xiàn)場拼裝施工創(chuàng)造很大便利，無論是生產(chǎn)車間的工作人員還是現(xiàn)場施工人員都能正確理解設(shè)計要求，減少或避免由于理解錯誤或存在偏差造成的返工。

(4)以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)控加工能大幅提高各類構(gòu)件的生產(chǎn)精度，并大量減少材料消耗和浪費，從而降低工程的生產(chǎn)成本。

(5)在BIM技術(shù)基礎(chǔ)上結(jié)合使用RFID技術(shù)，可以有效提高橋梁施工中的物料管理和施工控制水平，實現(xiàn)對資源的優(yōu)化安排，加快工程的施工進(jìn)度。

4 結(jié) 語

綜上所述，在橋梁施工過程中引入BIM技術(shù)，依靠BIM模型具有的碰撞檢測功能，能從根本上改變以往單純依靠二維圖紙對沖突和碰撞問題進(jìn)行檢測的方法，避免由此造成的效率低下和施工成本增加等實際問題，將所有可能發(fā)生的問題都解決到正式開工以前，從而降低工程施工的安全風(fēng)險系數(shù)；依靠BIM提供的工程量統(tǒng)計功能，能改善以往依靠人工進(jìn)行統(tǒng)計的問題，能快速對圖紙的更改作出正確反映，解決統(tǒng)計效率較低和容易出現(xiàn)錯誤等實際問題；依靠BIM提供的三維模型，可輸出不同的圖紙，并提高可讀性，為構(gòu)件生產(chǎn)、現(xiàn)場施工均創(chuàng)造極大便利；依靠BIM進(jìn)行數(shù)控加工，能從本質(zhì)上防止材料浪費，并在精準(zhǔn)翻樣基礎(chǔ)上提高構(gòu)件加工精度；通過對BIM和RFID兩項技術(shù)的充分結(jié)合能提供流通回路，從構(gòu)件生產(chǎn)到現(xiàn)場安裝施工，采用RFID技術(shù)將記錄到的各類信息快速反饋至數(shù)據(jù)庫，而且數(shù)據(jù)庫包含的信息又能為反向為施工提供指導(dǎo)，采用該信息回路能十分方便的完成物料管理，使現(xiàn)場布置更加合理，從而幫助管理人員實現(xiàn)對施工全局的掌控。