BIM技术在公路桥梁施工模拟中的应用研究.pdf

发展与创新213工程技术研究 第 8 卷 总第 140 期 2023 年 6 月摘要：近年来，随着我国经济的快速发展，公路桥梁工程的建设需求持续增长，但与之相匹配的施工管理方法依然采用场地临时规划图、进度网络图、横道图的纸质二维文件的形式进行，缺乏对施工技术、施工工艺、材料和机械等资源的整体把控能力。文章基于BIM 技术在公路桥梁施工模拟中的应用，在归纳国内外 BIM 技术发展现状的基础上，系统阐述了公路桥梁BIM 模型建立的流程，并通过在某桥梁施工中进行应用实践，以三维场地模型的形式进行了施工场地布置，结合项目施工计划进行 4D 施工组织模拟，对复杂施工工序进行施工模拟交底，较好地实现了 BIM 技术在施工模拟中的应用，可为其他公路桥梁的施工过程提供参考。关键词：BIM 技术；场地布置；施工模拟Abstract:In recent years,with the rapid development of Chinas economy,the construction demand for highway bridge engineering has continued to grow.However,the matching construction management methods are still carried out in the form of paper two-dimensional files of site temporary planning map,schedule network diagram and bar chart,which lacks the overall control ability of construction technologies,construction processes,materials and machinery and other resources.Based on the application of BIM technology in highway bridge construction simulation,on the basis of summarizing the development status of BIM technology at home and abroad,the process of establishing BIM model of highway bridge is systematically expounded.Through the application practice in a bridge BIM 技术在公路桥梁施工模拟中的应用研究刘亚飞中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司，北京 100088Research on the Application of BIM Technology in Highway Bridge Construction SimulationLIU YafeiCCCC Highway Bridges National Engineering Research Center Co.,Ltd.,Beijing 100088,China069.DOI:10.19537/ki.2096-2789.2023.12.1 BIM 技术应用发展概况BIM 的主要内容在于为工程项目的各阶段、各参与方提供三维可视化的信息服务，管理人员与技术人员可以根据 BIM 技术提供的信息，结合实际情况作出合理、高效的判断与决策。国外已经开始积极主动地应用 BIM 技术，按照不同的使用目的与管理需求，通过制定行业标准、技术要求、管理办法等方式，积极探索 BIM 技术的应用方式。美国建筑科学研究院率先于 2007 年发布了世界上第一个国家 BIM 标准，在 BIM 软件开发、BIM 技术运用推广方面也走在世界的前列。据相关统计，2009 年美国工程建设行业排名前 300 位的相关机构超过 80%使用过 BIM 技术1。中华人民共和国交通运输部先后下发了品质工程、智慧交通等文件2，明确指出要积极运用 BIM 技术，提高施工管理水平，建立基于 BIM 的管理体系，实现项目工程的数字化、信息化成果交付，提升基础设施作者简介：刘亚飞，男，硕士，助理工程师，研究方向为 BIM 技术、信息化、桥梁工程。construction,the construction site layout is carried out in the form of three-dimensional site model,4D construction organization simulation is carried out combined with the project construction plan,and the construction simulation disclosure of complex construction procedures is carried out,which better realizes the application of BIM technology in construction simulation,and can provide reference for the construction process of other highway bridges.Key Words:BIM technology;site layout;construction simulation分类号：U445发展与创新2142023 年 第 12 期 总第 140 期 工程技术研究的建设管理水平。国内一些学者也进行了积极研究：张建平等3将 BIM 技术用于高速公路施工管理过程中，并根据工程特点开发了适用于工程建设阶段的“基于BIM 的 4D 建设”管理系统，可以实现工程中不同颗粒度的施工模拟。王婷等4通过 Revit 建立公共建筑结构、机电 BIM 模型，并将其导入 Navisworks，实现了施工过程的可视化管理。李啸雪等5通过 Navisworks进行施工模拟规划研究，建立了 4D 施工模型，可视化展示施工布置图及施工总体进度。文章以 BIM 软件为工具，以公路桥梁为工程背景，利用 Bentley 系列软件实现施工场地布置、施工进度模拟及施工关键工艺模拟，深入运用 BIM 技术研究公路桥梁施工模拟及其价值。2 公路桥梁 BIM 模型创建三维 BIM 模型的创建是施工模拟的基础，可以通过 Bentley 平台提供的软件建立对应的 BIM 模型：运用OpenRoads Designer 创建桥梁中线、桥面铺装模板、三维地形环境等；运用 OpenBridge Modeler 完成桥梁主体模型的创建，运用 MicroStation 建立桥梁附属设施构件的模型；以 Synchro 4D 作为最后的施工模拟环境，进行模型集成展示6，BIM 模型建模流程如图 1 所示。OpenRoads DesignerOpenBridge ModelerMicro StationLumenRT交互修改Synchro 4D修改图 1 BIM 模型建模流程2.1 三维环境建立（1）地面模型的创建。地面模型的创建主要是通过 OpenRoads Designer 生成高程点、等高线等数据7。其中，高程数据采用 LocaSpace Viewer 获取，通过选择下载位置区域，确定下载级别，下载 DEM 原始数据，保存为*.tiff 格式。将下载好的数据导入 Global Mapper进行处理，进一步确定数据范围，选择合理的等高线间距，生成所需范围内的等高线。最后，将等高线导入 OpenRoads Designer 软件，以等高线为过滤条件，生成三维地面模型。（2）线路平纵线的创建。线路平纵线的创建是在OpenRoads Designer 线路设计模块进行的，线路设计可以由专门的线路组进行，设计完成后采用共享的方式传递给桥梁组，既有利于设计分工，又体现了 BIM 技术的协同共享理念8。主要设计流程为将二维设计图纸参考到软件中，勾选创建土木规则，创建对应的特征定义，设置好对应的桩号。纵断线的设计与平面线的设计相同9。2.2 横断面模板创建横断面模板的创建主要分为道路横断面模板、桥梁横断面模板两部分。建立当前项目常用的横断面模板，分类组装成模板库，可以为桥梁、路基模型的建立及施工便道的规划选取奠定基础10。模板库的建立可以提高模型的创建速度，便于模型变更与修改，提升模型的管理水平11。（1）道路横断面模板。主要在软件的模板编辑器中完成组装工作，根据不同的实际需求有不同的组合形式，也可以分开保存不同部分，以便快速创建横断面模板。由于 OpenRoads Designer 内置的横断面模板较少，且与实际工程项目不符，需要扩充横断面模板库，以满足实际的需求。文章在分析标准横断面形式的基础上，以高速公路标准双向六车道为例，建立了相应的道路横断面模板。（2）桥梁横断面模板。主要在软件的桥面板管理中完成组装工作，与道路横断面模板不同的是，创建的模板必须是闭合的图形文件，可以在 MicroStation 中绘制图形，通过移动到工作点后直接导入模板库，并对横断面中的所有点进行参数控制。在创建廊道生成三维模型过程中，可以灵活控制横断面的变化形式，以实现模型的平滑过渡。2.3 桥梁部分建模采用 OpenBridge Modeler 进行桥梁 BIM 建模，该软件可以建立大多数常规桥梁的主体结构模型，建模流程主要包括上部结构设计、下部结构及附属设施等。以斜拉桥为例，桥梁模型建立流程如图 2（见下页）所示。（1）桥梁上部 BIM 建模。包括索塔、主梁、斜拉索。详细建模步骤如下：新建桥梁，命名为桥梁主梁结构。创建布跨线，根据设计图纸合理放置桥梁布跨线，可以选择中点放置、平行放置、多个布跨线放置的形式，并在参数设置界面输入相应的参数，如布跨线距离、斜交角度等。根据桥梁横断面模板建立主梁，控制主梁的起始桩号、主梁横坡、模型横断面间距等参数。发展与创新215工程技术研究 第 8 卷 总第 140 期 2023 年 6 月组装索塔、主梁、斜拉索等构件12-13。（2）桥梁下部 BIM 建模。桥梁的下部结构主要指桥墩、桥台等部分，OBM 针对通用的下部结构提供了部分构件库，可以直接调用，包括桥墩、桥台及支座等。也可以根据工程的实际需要扩充构件库。结合具体项目情况，采用 MicroStation 扩充构件库与建立参数化模型相结合的方式，建立下部结构的 BIM 模型。详细建模步骤如下：特殊位置处的桥墩数量不多，采用扩充构件库的方式，布置桥墩；数量较多且类型一致的桥墩，采用参数化建模的方式快速布置14。3 BIM 技术在公路桥梁施工模拟中的应用3.1 基于 BIM 技术的场地布置施工场地的合理布置对施工过程及施工管理具有重要意义。利用施工场地三维 BIM 模型，在施工场地建设前期，结合施工现场实际条件、施工计划等提前模拟搭建施工场地，可以明显减少在施工项目实施过程中出现的物料存储、运输问题，提升施工效率15。施工现场布置方案设施统计如表 1 所示。（1）建筑物及设备布置。通过 MicroStation 及 Open-Building Designer 创建场地建筑物 BIM 模型。利用勘察数据建立现场地面模型，配合卫星贴图完成场地三维环境搭建，在三维环境中合理布置场地建筑物 BIM 模型，合理规划施工场地的作业区域。（2）施工便道布置。施工便道布置以 OpenRoads Designer 实现，其主要影响因素如下：满足施工设备、材料的进出场需求；在不影响当前交通的情况下，充分考虑对现有道路的利用；施工现场、施工便道、施工场地之间最优分配；保护现场生态环境，将生态破坏降至最低。3.2 基于 BIM 技术的施工进度模拟施工进度管理是以工程进度总体为目标，以资源配置为指导，对在施工建设阶段的工作内容、流程、时间及这三者之间的关系进行进度计划的编制与执行。基于 BIM 的进度管理以 BIM 模型为基础，附加时间进度信息，实现进度计划的可视化管理。施工进度模拟流程如图 3 所示。施工方案可视化交底Synchro 4D 软件Project 进度计划3D 模拟碰撞检测施工模拟项目完成否是最优模拟方案实际施工进度WBS 任务关联4D 施工模拟4D 进度模拟调整调整图 3 施工进度模拟流程以桥梁工程主体为单位工程，结合施工阶段、施新建桥梁创建桥墩设置支座新建桥梁创建布跨线创建桥梁上部结构创建桥梁下部结构创建桥台其他构件设置索塔主梁斜拉索图 2 桥梁模型建立流程表 1 施工现场布置方案设施统计表名称位置数量项目部北引桥左侧2预制场南引桥左侧2施工便道工程与各场地之间5水泥搅拌站北引桥右侧3临时用地北引桥右侧1发展与创新2162023 年 第 12 期 总第 140 期 工程技术研究工标段、施工结构，参照公路工程质量检验评定标准（JTG F802017）进行 WBS 分解，以树形层次结构图表示。分解原则按照施工阶段、施工标段、施工结构三个层次进行。按照项目的专业、部位，划分为不同的施工标段及施工工区，如施工标段一负责主桥标段的施工，标段二负责引桥标段的施工等。针对不同的施工标段进行施工结构分解，具体到各施工构件，如桥梁上部结构中的预制梁、现浇梁，下部结构中的桩基、承台、墩柱、盖梁等16。将 Project 制作完成的进度计划表保存为.XML 格式并导入 Synchro 4D。完成 BIM 模型的资源化，转化为项目资源，并与进度计划关联，模拟施工进度，提前发现施工过程中的问题，优化施工组织，减少返工，对比实际施工进度，动态管理施工需要的材料、设备等，提升物料利用率。3.3 基于 BIM 技术的关键施工工艺模拟针对工程中复杂、特殊的施工工序，需要进行专项施工方案模拟，明确施工要点与难点，降低返工风险，提高施工效率。也可以确保施工方案的安全性，提升项目施工质量。根据工程实际情况，对 0 号块支架施工和连续梁悬臂施工过程进行模拟，如图 4 所示。4 结束语文章从实际工程出发，对 BIM 技术在施工场地布置、施工进度模拟及关键施工工艺模拟方面的应用进行了探索，结果表明：BIM 技术可以使管理人员更全面地认识项目，有助于工程项目的控制与管理，能解决工程项目中的实际问题。随着研究的不断深入，BIM技术在施工模拟中的应用并不仅限于 3D、4D 的模拟，可以伴随实际应用，探索 5D、6D 到 nD 的施工模拟，充分发挥该技术的可视化优势，服务于施工过程，提升现代化管理水平。参考文献1 刘富海.BIM 技术在公路桥梁设计中的应用研究J.工程技术研究,2022,7(12):182-184.2 杨文广.公路品质工程绿色环保施工体系化建设实践J.中国公路,2018(16):106-107.3 张建平,余芳强,赵文忠,等.BIM 技术在邢汾高速公路工程建设中的研究和应用J.施工技术,2014,43(18):92-96.4 王婷,池文婷.BIM 技术在4D 施工进度模拟的应用探讨J.图学学报,2015,36(2):306-311.5 李啸雪,郭兴,宋朝,等.水电工程基于Navisworks 的四维施工模拟规划研究J.水力发电,2017,43(10):62-65.6 陈利伟.BIM 技术在公路桥梁施工模拟及监测中的应用研究J.辽宁省交通高等专科学校学报,2022,24(1):10-13.7 李文靖,丁珊珊,王齐兴,等.BIM 技术在浐灞发展大厦工程施工与管理中的应用研究J.土木建筑工程信息技术,2017,9(5):62-70.8 贾立.BIM 技术在高速公路工程建设中的应用分析J.智能建筑与智慧城市,2021(11):168-169.9 崔新建.公路桥梁工程施工及安全管理研究J.运输经理世界,2022(29):147-149.10 郎晓明.基于BIM 技术特大型桥梁运维管理的研究D.杭州:浙江大学,2022.11 黄有为.BIM 技术在高速公路桥梁高墩施工中的应用J.中国建设信息化,2022,168(17):76-78.12 夏子立,景强,高文博,等.基于BIM 的桥梁技术状况评定系统研究J.中外公路,2023,43(1):83-87.13 杨晓剑.BIM 技术在公路桥梁施工管理中的应用J.智能建筑与智慧城市,2023(2):163-165.14 肖春红,朱明,袁松.公路常规桥梁BIM 模型结构化组织方法研究J.公路交通科技,2023,40(1):106-112.15 林旭,陈海涛,徐斌,等.嵌入路线算法的公路桥梁BIM 自动化建模研究J.项目管理技术,2022,20(12):151-157.16 艾建杰.BIM 技术在桥梁建筑施工安全管理中的应用分析J.城市建筑空间,2022,29(S2):276-277.（a）（b）图 4 施工模拟