鄭萬鐵路奉節梅溪河雙線特大橋 BIM 綜合應用

1工程概況

1.1 項目簡介

奉節梅溪河雙線特大橋位于重慶市奉節縣境內、長江支流梅溪河河口上游 1.5km 處，是鄭萬鐵路全線重點控制工程。橋梁全長 687.8m，主橋跨度340m，矢高 74m，主拱采用鋼桁勁性骨架外包鋼筋混凝土結構 ，勁性骨架主弦管為Φ750*24mm 鋼 管 ， 材 質 Q390D，管內灌注 C60 自密實無收縮混凝土，拱圈外包 C55 補償收縮混凝土。拱上 11 根墩柱、三聯連續梁。鄭 州 端 引 橋 為 2×65mT 構 連 續 梁 ， 萬 州 端 引 橋 為(44+72+44)m 連續梁+24m 簡支梁。工程位置及效果圖如圖 1 所示

圖1

1.2 工程特點和難點

橋址位置為 U 字形河谷地貌，自然坡度 25~60°，兩岸邊坡陡峭，施工場地狹小;主引橋結構與既有公路、水路、纜索吊機及扣掛系統等臨時設施及復雜地形之間相互交織，給工程施工造成巨大困難。項目施工工法多、重大危險源多，方案設計復雜，整體施工組織難度大。涉及 50m 以上超高邊坡深基坑機設計、施工，主橋勁性鋼桁拱架斜拉扣掛懸臂安裝施工，拱圈外包鋼筋混凝土、拱上墩、主橋連續梁等眾多復雜工藝高空施工。為了更好地進行施工組織、方案設計及項目管理，本項目大力推進 BIM 技術在施工過程的綜合應用。

2BIM 組織與應用環境

2.1 BIM 應用目標

針對奉節梅溪河雙線特大橋工程建設的特點和難點，應用傾斜攝影技術，實時地完成地形三維建模，生產出地形正射影像圖、高程數字地形圖等數字化產品，實現與其它 BIM 模型的融合應用;使用有限元分析技術，驗證結構的強度及穩定性，通過施工過程中現場數據采集，反饋到有限元模型調整分析參數，實現現場安全施工。結合 BIM 模型的碰撞檢查、優化設計、施工工藝模擬、施工進度模擬等功能，直觀展示工程整體現狀、方便完成臨建布置、重難點施工方案設計優化，最終達到提高項目施工質量，提高項目安全性、經濟性的目的。

2.2實施方案

在項目投標階段由公司 BIM 研究室根據招標圖紙建立三維模型，模擬重點施工工藝，用于投標算量及外部交流。施工階段，由項目部應用傾斜攝影技術、有限元分析技術與BIM技術融合應用，建立信息更加全面的 BIM 模型，模擬重點施工工藝，優化主體工程施工方案、臨時工程設計及施工方案。生產出二維施工圖紙及其他數字化三維模型。將 BIM 應用軟件與平臺軟件相結合，實現施工過程管理。

建模過程中項目部遵循《建筑信息模型應用統一標準》(GB/T51212-2016)、建筑信息模型施工應用標準》(GB/T51235-2017)，并結合本項目特點進行進一步細化及延伸，形成了 BIM 建模標準、BIM 應用標準、BIM 交付標準。如圖 2 所示。

2.4軟硬件環境

項目綜合應用 Bentley ContextCapture、Revit、Tekla Midas Civil、ABAQUS 等 BIM 應用軟件及廣聯達 BIM5D等平臺軟件。軟件應用情況如表 1 所示。硬件方面采用圖形工作站，大內存和高性能顯卡的臺式計算機，確保 BIM 模型生產和數據處理的效率。

3BIM應用

3.1BIM建模

本項目 BIM 建模包括特大橋橋址地形地貌、主體土建結構模型、鋼結構模型以及以此衍生出的用于有限元分析的三維實體地形模型、臨時結構有限元模型等。根據 BIM 應用相關專業和任務的需要，參照建模標準創建滿足深化設計、施工過程控制精度的模型。利用傾斜攝影技術建立厘米級精度的橋址地形地貌三維模型;按照參數化建模思想建立橋梁主體鋼筋混凝土結構模型、鋼結構模型，方便模型修改;有限元分析模型確保與工程實體實際受力情況一致，并盡可能詳細地反應出結構細節及受力特征。

3.2BIM 情況

(1)傾斜攝影技術的融合應用

傾斜攝影技術是近十幾年發展起來的一項高新技術，該技術從不同視角采集數字影像。采集到的數字影像同時記錄了飛行器的空間坐標信息及飛行姿態信息，然后通過 AgisoftPhotoscan、Bentley Context C等專業軟件對傾斜攝影獲取的多角度影像進行加工，經過幾何校正、聯合平差等一系列運算得到帶有高程的稠密的點云數據，抽稀后構建一張連續的 TIN 三角網，最后把拍攝的高分影像貼到三角網上，得到傾斜攝影模型。自動化是當代數字攝影最突出的特點，與傳統攝影測量相比，傾斜攝影不僅能夠真實地反應地物情況，而且無論是外業影像拍攝還是內業數據處理效率都大大提高。本項目引入傾斜攝影技術，利用 1

臺旋翼無人機搭載攝影相機，1 個工作人員花費 2 天時間即可完成橋址位置1km的現場拍攝及自動建模工作。如圖3所示

圖3 傾斜攝影影像獲取與處理

利用傾斜攝影技術獲得正射影像圖，讀取和標記圖上的坐標位置，實現臨建規劃布置由二維平面圖紙放線轉變為正射投影地圖放線，如圖 4。方案設計人員可以更直觀地了解施工點的地形地貌情況，方便完成臨建規劃，有效組織現場施工。

圖4 三維空間防線

通過傾斜攝影技術獲得橋址各位置的坐標信息、尺寸信息，減少了大量高危險的測量工作，也為后續測量收方工作提供了詳實的數據信息。傾斜攝影輸出的點云格式文件、網格及貼圖文件格式可以與 Autodesk 多種 BIM 平臺兼容，直接應用于三維場景設計。利用傾斜攝影地形文件及橋址地質信息準確地重構三維地形實體模型，導入 Abaqus 軟件進行有限元分析，分析超高邊坡開挖過程中的結構的位移及穩定性，實現傾斜攝影技術與有限元分析技術的結合應用。

(2)BIM三維設計與有限元分析結合應用

奉節梅溪河雙線特大橋主拱勁性鋼桁骨架采用纜索吊裝—斜拉扣掛懸臂拼裝方案施工。纜索吊系統、斜拉扣掛系統的設計和施工是項目關鍵環節。采用BIM 三維設計與有限元分析相結合的手段進行方案設計及優化。根據工程特點和設計經驗，使用 Revit 軟件建立了三種系統基本結構形式，直觀地反應系統中眾多基礎、塔架、纜索、扣索與橋梁主體結構的位置關系。此時建立的模型達到施工圖設計模型細度，根據結構和施工順序的不同對模型拆分，建立的比選模型(如圖 5所示)包含主要結構的幾何尺寸、材質和工程數量信息。在保證總體工期的基礎上，綜合考慮地形限制、材料用量、吊機覆蓋范圍等因素，以主橋、引橋平行施工互不干涉為原則，最終選擇 c 方案用于工程施工，綜合減少工期近 40 天。

對初選出的方案進行碰撞檢查及結構細化，形成深化設計模型。此時的模型與施工圖設計

模型相比增加預埋件、節點板、加勁板、螺栓、預留孔洞等的位置及尺寸信息，鋼構件的編號信息等非幾何信息。在進行深化設計的同時，利用現有模型，對纜索吊系統不同施工工況下的結構強度及穩定性進行有限元分析;模擬32額主拱勁性鋼桁骨架節段對稱安裝及扣掛張拉過程，計算斜扣拉掛 系統及各節段的結構強度、位移和穩定性，確定每節段張拉完成時最大豎向位移為±10mm。

圖5 建立比選模型

(3)鋼結構加工中的BIM技術應用

奉節梅溪河雙線特大橋主拱勁性鋼桁骨架具有復雜的空間曲線設計，僅僅通過二維圖紙很難準確地表達各構件之間的空間位置關系，滿足鋼結構加工和安裝施工要求。項目部利用 BIM 技術輔助鋼結構加工，建立精細化模型，完成碰撞檢查、圖紙深化設計、加工制造、拼裝模擬等生產關鍵工序。

(4)BIM平臺軟件應用-施工進度模擬及校核跟蹤

將施工計劃及各專業三維模型導入廣聯達 BIM5D平臺，實現對項目進度、物資、成本等方面管理，通過施工進度模擬，分析計劃的可行性，形象的展示現場的施工進度，更直觀地顯示工作面的工作情況通過施工模擬，提前進行工期預警，根據統計出的滯后工程量的具體內容進行人工工效分析，查看相對應的工料機安排是否合理。通過 BIM 技術應用，優化流水作業的人員、機械配置，保證關鍵路線施工的嚴謹性。

4應用效果

(1)開拓方案設計思路，提高項目管理效益

多專業數字化協同設計提高綜合設計效率約20%，出圖效率 50%以上;傾斜攝影與 BIM 模型的綜合應用提高了方案論證決策效率，也減少了現場高危場所測量工作量;BIM 軟件對結構的計算優化提高了施工安全性;下料優化預計減少用鋼量約 1.5%，節約鋼材 30t;BIM 輔助完成臨時結構設計規劃，施工組織，預計減少工期 40 天。

(2)提升項目管理水平

完善了企業內部的 BIM 應用方案和應用標準，提高了 BIM 應用的規范性和系統性;通過模型與信息數據的整合，將現場實際施工質量、安全、進度、成本等信息與模型關聯，實現了數據安全、共享和可追溯;BIM 技術的應用使現場管理前置，實現項目運作提前籌劃。提高了項目的綜合管理水平。

(3)培養BIM技術人才

項目部人員普遍形成了建筑信息化施工思想;團隊成員掌握了相關 BIM 技術軟硬件的應用方法，在軟件集成應用、BIM 全流程應用方面積累了經驗。

5總結

鄭萬鐵路奉節梅溪河雙線特大橋項目大力推行 BIM技術綜合應用，覆蓋方案設計到施工過程的各個階段。利用傾斜攝影模型的空間放樣功能，與 BIM 模型融合，完成臨建規劃和施工組織規劃;真實的三維場景與準確的空間位置信息提高了方案論證的效率和結果的準確性。為建設各方的交流提供了新的技術手段。利用傾斜攝影的點云模型與地質數據，建立了三維實體地形模型，與有限元分析技術融合應用，模擬了復雜地質情況下超高邊坡開挖過程邊坡的位移及穩定性，為三維邊坡有限元分析提供了更加準確的模型。臨時結構 BIM 三維設計與有限元分析技術的結合應用，形成了一套從方案比選到方案優化，再到方案實施的全流程BIM技術應用思路。大大縮短了方案設計周期，提高了施工安全性。

總結形成了鋼結構精細化建模、模型深化設計、二維出圖加工、拼裝模擬等一體化應用流程。BIM技術在奉節梅溪河雙線特大橋項目的綜合應用取得了良好的效果，積累了寶貴的經驗。