BIM技术在桥梁施工中的应用

一、BIM技术在施工阶段的应用分析1.1桥梁施工采用BIM技术的价值分析建筑信息模型(BIM)技术正在引发工程建设领域的一场彻底的技术变革，基于BIM技术，对设计方可实现集成化设计、优化设计、创新设计等，对施工方也可带来极大的价值，具体主要体现在：（1）对设计方案和设计图纸的复核由于用于施工的BIM模型是各专业的集成模型，各模型组装在一起后就可以进行不同专业模型之间的碰撞检查，这样就可以及时发现设计问题，同时，施工方还可通过整体模型了解整个设计意图，考虑施工的可行性，以便及时协调方案的修改，降低施工难度和成本。（2）施工方案的可视化可以方便地将3D设计模型与施工计划、材料成本等进行关联，形成施工信息模型，该模型可以动态地模拟施工过程，施工人员可以方便地从视觉上检查施工方案的可行性、正确性，或者比较不同的施工计划，优化和选择最佳施工方案以控制施工风险、降低施工成本。另外，施工模型还是各参与方交流的重要手段，通过模型演示施工流程，便于各参与方了解各阶段的工作。（3）为业主提供完整的竣工模型在施工阶段中对设计模型不断扩充施工信息，如施工计划、材料信息、供应商信息等等，在施工完成后，还可对将竣工图纸保存到BIM模型中，这就形成了业主真正需要的竣工模型，便于后续的运营维护工作。1.2BIM技术在施工阶段应用的难点分析（1）建立精确的、完整的三维设计模型，并交付给施工阶段由于三维设计是一个集成化设计，需要将各专业或各分包商的设计模型组装在一起以形成完整的设计模型，因此，既要考虑选择适合各专业设计要求的三维设计软件，又必须考虑个专业软件的文件格式，各专业完成的子模型必须格式一致或数据兼容，这样才便于模型的组装。（2）施工资料的管理与使用施工项目规模大，涉及到设计、监理、施工、供应商、分包商等众多单位，彼此之间的信息沟通十分复杂，产生的文件和数据数量惊人，图纸、说明书、报表、合同、变更单、施工计划表等，包含的信息量大，如何高效地传递并保证权限受控、版本一致、历史记录有据可查，是必须要解决的问题。（3）参与方的协同工作管理参与方众多，而且可能工作地点不同，既有内业工作，也有现场工作，如何保证在不同办公地点、不同单位的所有人员能够协同高效地工作，并且基于统一的BIM模型，完成整个施工阶段，形成完整地竣工BIM模型，这种工作模式的改变是采用BIM技术施工必须考虑的问题。（4）施工控制、监测桥梁施工技术复杂，风险大，既需要考虑利用BIM技术模拟施工过程和施工现场，以降低施工风险和成本，也应对某些特定结构的施工进行监测，及时发现施工中的问题，并利用BIM模型进行分析，比较与设计模型的误差，及时调整构件的制造尺寸、施工位移等。二、Bentley面向桥梁施工领域的解决方案Bentley面向桥梁施工的大致实施流程如下：1.利用各类建模工具重建桥梁的三维模型；2.将各专业建立的三维模型组装成i-model格式的总体模型；3.利用ProjectWise管理施工项目的所有相关文档和模型；4.制订施工计划，利用MicroStation等软件对三维模型按施工阶段进行分割；5.将分割后的模型与相关的施工信息进行关联，形成虚拟施工模型；6.基于施工模型进行施工模拟、施工分析、施工管理等。以下是Bentley面向桥梁施工领域解决方案的总体构架图：主要相关产品功能如下：软件名称功能简介MicroStation(二维绘图及三维信息建模平台)世界一流的二维/三维图形环境。PowerCivil(道路桥隧三维设计软件)支持路线、场地、勘测、给排水、桥梁、隧道等的三维设计建模软件。ProConcrete(钢筋混凝土二三维详细设计与出图软件)一款专业的钢筋混凝土详细设计和钢筋表生成的二维/三维软件，为钢筋混凝土结构配筋设计提供了一种完全交互式、参数化的设计和数量统计工具。Prosteel(钢结构设计软件)钢结构构件设计建模软件BridgeMaster(桥梁设计出图软件)二维常规桥梁及箱型桥梁设计出图软件，可输出桥梁模型到PowerCivil以自动生成桥梁的三维模型。ProjectWise（工程项目信息管理及协同设计平台）BentleyNavigator三维协同设计浏览、分析、模拟工具，可进行三维模型的交互式浏览、跨专业综合碰撞检查、进度模拟和安全检查模块。BentleyProjectWiseApplicationServer协同管理环境，实现跨专业、跨地域的信息与数据的共享保障正确的人在正确的时间获得正确版本的信息。BentleyProjectWise系列产品的核心模块.它和后端的数据库进行连接，负责处理所有用户的功能请求。ProjectWiseWebServerProjectWiseWeb服务器将整个系统发布到网络上，使用户通过浏览器就可以访问系统。ProjectWisePublishingServerProjectWise发布服务器能够将设计文件（DGN/DWG）转化为特殊的格式发布在网络上，使用户可以直接通过浏览器进行查看，而不需要安装任何专业软件。ProjectWiseCachingServerProjectWise文件缓存服务器用于满足分布式文件存储的需求。一般情况下，文件可以存储在ProjectWise集成服务器上，当需要提高文件访问的性能或者文件需要存储在不同的地域的时候，可以使用ProjectWise文件缓存服务器。ProjectWisePassportProjectWise系统管理员端、Windows客户端、Web客户端访问ProjectWise数据时，首先需要取得ProjectWise客户端访问许可权限，即ProjectWisePassport。三、本项目BIM应用核心问题的解决方法1.桥梁BIM模型的重建由于设计阶段没有采用BIM技术，设计方不能提供该桥的三维模型。该桥的结构形式较为复杂，主跨为钢箱梁单跨悬索桥，主塔为门式框架结构，引桥为连续箱梁和连续刚构，因此，本桥将使用多种工具软件来建立三维模型。1）使用PowerCivil作为模型的总装平台PowerCivil是Bentley土木行业的BIM平台，利用PowerCivil可建立地面数字模型、路线三维模型等，在PowerCivil中确定个墩台位置等，其他工具建立的子模型将按路线位置、墩台位置组装在一起，最终形成完整的由桩号高程信息的桥梁三维模型。2）使用MicroStation建立主跨模型MicroStation是一个通用的信息建模工具，利用MicroStation可以创建该桥特定结构的建模，如主跨钢箱梁、索结构等。以下是安徽省交通规划设计院利用MicroStation完成的部分箱梁模型和图纸。3）使用BridgeMaster建立连续箱梁及连续刚构引桥模型利用BridgeMaster可以很快地在二维上完成连续箱梁和连续刚构的详细设计，并可直接将设计模型输出到PowerCivil中自动生成桥梁构造和钢束模型，如下图：4）使用Proconcrete建立三维普通钢筋模型Proconcrete是一个参数化的三维配筋软件，可实现任意混凝土结构的三维配筋模型的建立，并可做碰撞检查。5)利用Prosteel可进行钢结构的设计Prosteel可以完成钢结构的三维建模、计算分析和详图。由于Bentley的这些建模工具全部生成的是DGN模型文件，所以模型组装和数据互用不存在问题。2.施工资料的管理本项目涉及的文件、图纸、模型、说明书、合同、变更单、施工进度计划等繁多，通过ProjectWise可以保证所有资料分类管理、高效传递、权限受控、版本一致、历史记录有据可查。各类资料还可以方便地发布到Web端或移动设备端，便于业主等相关人员的查看。在施工现场也可方便地通过移动设备查看、查找相关资料。3.参与方的协同工作管理施工项目涉及到业主、设计方、监理、供应商、分包商等众多单位，如何让项目信息在各方准确及时地传递，如何让各方按照规定的步骤、模式去协同工作，避免合作上的问题，提高合作效率，这是项目实施过程中必须考虑的问题。以前的交流合作主要基于图纸和相关文件，而且是相互之间多对多的交流配合方式，采用BIM技术后，各方可以基于整个项目的BIM模型来进行沟通和合作。ProjectWise为参与方提供了一个协同平台，其管理的内容核心就是项目的BIM模型，所有参与方可通过ProjectWise共享项目的BIM模型，并以此为中心进行沟通，从而保证了信息的一致性、及时性、准确性，实现工作的协同，提升了工作效率。4.碰撞检查利用Navigator可以浏览整个三维模型，并可对各子模型之间进行碰撞检查，也可对内部的钢筋、钢束之间进行碰撞检查。在施工前通过碰撞检查，可提前发现设计存在的问题。5.施工进度模拟和分析将构建的三维模型与预定的施工计划进度进行挂接，在Navigator中就可以进行4D施工模拟，借此就可以验证施工进度计划的可行性、分析施工计划进度存在哪些问题和矛盾，如果再与材料成本进行连接，就可以比较不同施工方案的费用，从而降低整个施工成本。6.施工现场管理利用MicroStation等软件，可以建立施工现场的模型，模拟工地的现场情况，规划施工设备的出入场地方案。还可对大型机械运行的空间进行分析，以便确定机械设备的安全运行空间，避免施工设备的相互干扰。7.工程算量和成本管理项目成本的控制已成为工程建设企业迫切需要解决的问题，传统的技术手段主要依靠手工，根据图纸及相关报表来大致估算，由于图纸数量巨大，相互之间没有详细的关联信息，要精确计算是不可能的。基于BIM技术建立整个设计模型后，通过模型的组成构件及其详细的工程属性，就可以精确地计算出设计模型的工程数量，结合定额软件，也可计算出施工阶段的材料实际消耗量。通过精确算量，就可以精确采购，限额领料，从而降低采购成本，避免不必要的余量库存。利用MicroStation和PowerCivil可以精确地计算出构件的材料数量、土石方量等。8.施工控制和施工监测RMBridge是世界顶尖的桥梁结构计算分析软件，广泛为世界各国的桥梁设计、咨询、施工及检测加固单位所使用，其中使用RM进行设计施工比较著名的悬索桥有：瑞士的HogaKusten桥（主跨1200m）;挪威的Hardanger桥（主跨为1310m）；意大利的默西拿跨海大桥（主跨3300m）中国的四渡河特大桥(主跨为900m)。结构线形控制、应力控制和稳定性控制是大型桥梁尤其是悬索桥施工控制和检测的重点。RMBridge具有施工控制模块、风力计算模块和高效的几何线形非线性计算引擎，能够充分满足大型桥梁的施工控制和监测任务。在RMBridge的施工控制模块，能够准确计算装配顺序、设计荷载影响下结构的位移和变形，主要功能特点有：a）当前阶段的结构内力和位移是以上一阶段变形后为计算起点，并能对实际变形的结构进行大位移几何非线性迭代分析，从而能够准确的连续监控和计算跟踪整个施工装配过程；b）可以将结构的制造形状（无应力形状）作为荷载加入结构非线性几何迭代运算中，以正确考虑结构形状和制造误差对结构施工线性的影响；c）对施工装配中不同阶段直接的面面对接和线面对接进行精准模拟，可以考虑装配阶段首尾节点与单元本身位移（平移+旋转）之间的差值，并能修正单元之间的扭转。RMBridge风力计算模块功能较为丰富，我们可以看作是数值风洞（如下图所示）。能够计算截面、主梁的抗风稳定性，这一点在施工过程中尤其连续刚构最大旋臂施工阶段显得尤为重要，在沿河、沿海施工时结构的抗风稳定性不容忽视。