郑万铁路奉节梅溪河双线特大桥 BIM 综合应用

郑万铁路奉节梅溪河双线特大桥 BIM 综合应用

1工程概况

1.1 项目简介

奉节梅溪河双线特大桥位于重庆市奉节县境内、长江支流梅溪河河口上游 1.5km 处，是郑万铁路全线重点控制工程。桥梁全长 687.8m，主桥跨度340m，矢高 74m，主拱采用钢桁劲性骨架外包钢筋混凝土结构 ，劲性骨架主弦管为Φ750*24mm 钢 管 ， 材 质 Q390D，管内灌注 C60 自密实无收缩混凝土，拱圈外包 C55 补偿收缩混凝土。拱上 11 根墩柱、三联连续梁。郑 州 端 引 桥 为 2×65mT 构 连 续 梁 ， 万 州 端 引 桥 为(44+72+44)m 连续梁+24m 简支梁。工程位置及效果图如图 1 所示

图1

1.2 工程特点和难点

桥址位置为 U 字形河谷地貌，自然坡度 25~60°，两岸边坡陡峭，施工场地狭小;主引桥结构与既有公路、水路、缆索吊机及扣挂系统等临时设施及复杂地形之间相互交织，给工程施工造成巨大困难。项目施工工法多、重大危险源多，方案设计复杂，整体施工组织难度大。涉及 50m 以上超高边坡深基坑机设计、施工，主桥劲性钢桁拱架斜拉扣挂悬臂安装施工，拱圈外包钢筋混凝土、拱上墩、主桥连续梁等众多复杂工艺高空施工。为了更好地进行施工组织、方案设计及项目管理，本项目大力推进 BIM 技术在施工过程的综合应用。

2BIM 组织与应用环境

2.1 BIM 应用目标

针对奉节梅溪河双线特大桥工程建设的特点和难点，应用倾斜摄影技术，实时地完成地形三维建模，生产出地形正射影像图、高程数字地形图等数字化产品，实现与其它 BIM 模型的融合应用;使用有限元分析技术，验证结构的强度及稳定性，通过施工过程中现场数据采集，反馈到有限元模型调整分析参数，实现现场安全施工。结合 BIM 模型的碰撞检查、优化设计、施工工艺模拟、施工进度模拟等功能，直观展示工程整体现状、方便完成临建布置、重难点施工方案设计优化，最终达到提高项目施工质量，提高项目安全性、经济性的目的。

2.2实施方案

在项目投标阶段由公司 BIM 研究室根据招标图纸建立三维模型，模拟重点施工工艺，用于投标算量及外部交流。施工阶段，由项目部应用倾斜摄影技术、有限元分析技术与BIM技术融合应用，建立信息更加全面的 BIM 模型，模拟重点施工工艺，优化主体工程施工方案、临时工程设计及施工方案。生产出二维施工图纸及其他数字化三维模型。将 BIM 应用软件与平台软件相结合，实现施工过程管理。

建模过程中项目部遵循《建筑信息模型应用统一标准》(GB/T51212-2016)、建筑信息模型施工应用标准》(GB/T51235-2017)，并结合本项目特点进行进一步细化及延伸，形成了 BIM 建模标准、BIM 应用标准、BIM 交付标准。如图 2 所示。

2.4软硬件环境

项目综合应用 Bentley ContextCapture、Revit、Tekla Midas Civil、ABAQUS 等 BIM 应用软件及广联达 BIM5D等平台软件。软件应用情况如表 1 所示。硬件方面采用图形工作站，大内存和高性能显卡的台式计算机，确保 BIM 模型生产和数据处理的效率。

3BIM应用

3.1BIM建模

本项目 BIM 建模包括特大桥桥址地形地貌、主体土建结构模型、钢结构模型以及以此衍生出的用于有限元分析的三维实体地形模型、临时结构有限元模型等。根据 BIM 应用相关专业和任务的需要，参照建模标准创建满足深化设计、施工过程控制精度的模型。利用倾斜摄影技术建立厘米级精度的桥址地形地貌三维模型;按照参数化建模思想建立桥梁主体钢筋混凝土结构模型、钢结构模型，方便模型修改;有限元分析模型确保与工程实体实际受力情况一致，并尽可能详细地反应出结构细节及受力特征。

3.2BIM 情况

(1)倾斜摄影技术的融合应用

倾斜摄影技术是近十几年发展起来的一项高新技术，该技术从不同视角采集数字影像。采集到的数字影像同时记录了飞行器的空间坐标信息及飞行姿态信息，然后通过 AgisoftPhotoscan、Bentley Context C等专业软件对倾斜摄影获取的多角度影像进行加工，经过几何校正、联合平差等一系列运算得到带有高程的稠密的点云数据，抽稀后构建一张连续的 TIN 三角网，最后把拍摄的高分影像贴到三角网上，得到倾斜摄影模型。自动化是当代数字摄影最突出的特点，与传统摄影测量相比，倾斜摄影不仅能够真实地反应地物情况，而且无论是外业影像拍摄还是内业数据处理效率都大大提高。本项目引入倾斜摄影技术，利用 1

台旋翼无人机搭载摄影相机，1 个工作人员花费 2 天时间即可完成桥址位置1km的现场拍摄及自动建模工作。如图3所示

图3 倾斜摄影影像获取与处理

利用倾斜摄影技术获得正射影像图，读取和标记图上的坐标位置，实现临建规划布置由二维平面图纸放线转变为正射投影地图放线，如图 4。方案设计人员可以更直观地了解施工点的地形地貌情况，方便完成临建规划，有效组织现场施工。

图4 三维空间防线

通过倾斜摄影技术获得桥址各位置的坐标信息、尺寸信息，减少了大量高危险的测量工作，也为后续测量收方工作提供了详实的数据信息。倾斜摄影输出的点云格式文件、网格及贴图文件格式可以与 Autodesk 多种 BIM 平台兼容，直接应用于三维场景设计。利用倾斜摄影地形文件及桥址地质信息准确地重构三维地形实体模型，导入 Abaqus 软件进行有限元分析，分析超高边坡开挖过程中的结构的位移及稳定性，实现倾斜摄影技术与有限元分析技术的结合应用。

(2)BIM三维设计与有限元分析结合应用

奉节梅溪河双线特大桥主拱劲性钢桁骨架采用缆索吊装—斜拉扣挂悬臂拼装方案施工。缆索吊系统、斜拉扣挂系统的设计和施工是项目关键环节。采用BIM 三维设计与有限元分析相结合的手段进行方案设计及优化。根据工程特点和设计经验，使用 Revit 软件建立了三种系统基本结构形式，直观地反应系统中众多基础、塔架、缆索、扣索与桥梁主体结构的位置关系。此时建立的模型达到施工图设计模型细度，根据结构和施工顺序的不同对模型拆分，建立的比选模型(如图 5所示)包含主要结构的几何尺寸、材质和工程数量信息。在保证总体工期的基础上，综合考虑地形限制、材料用量、吊机覆盖范围等因素，以主桥、引桥平行施工互不干涉为原则，最终选择 c 方案用于工程施工，综合减少工期近 40 天。

对初选出的方案进行碰撞检查及结构细化，形成深化设计模型。此时的模型与施工图设计

模型相比增加预埋件、节点板、加劲板、螺栓、预留孔洞等的位置及尺寸信息，钢构件的编号信息等非几何信息。在进行深化设计的同时，利用现有模型，对缆索吊系统不同施工工况下的结构强度及稳定性进行有限元分析;模拟32额主拱劲性钢桁骨架节段对称安装及扣挂张拉过程，计算斜扣拉挂 系统及各节段的结构强度、位移和稳定性，确定每节段张拉完成时最大竖向位移为±10mm。

图5 建立比选模型

(3)钢结构加工中的BIM技术应用

奉节梅溪河双线特大桥主拱劲性钢桁骨架具有复杂的空间曲线设计，仅仅通过二维图纸很难准确地表达各构件之间的空间位置关系，满足钢结构加工和安装施工要求。项目部利用 BIM 技术辅助钢结构加工，建立精细化模型，完成碰撞检查、图纸深化设计、加工制造、拼装模拟等生产关键工序。

(4)BIM平台软件应用-施工进度模拟及校核跟踪

将施工计划及各专业三维模型导入广联达 BIM5D平台，实现对项目进度、物资、成本等方面管理，通过施工进度模拟，分析计划的可行性，形象的展示现场的施工进度，更直观地显示工作面的工作情况通过施工模拟，提前进行工期预警，根据统计出的滞后工程量的具体内容进行人工工效分析，查看相对应的工料机安排是否合理。通过 BIM 技术应用，优化流水作业的人员、机械配置，保证关键路线施工的严谨性。

4应用效果

(1)开拓方案设计思路，提高项目管理效益

多专业数字化协同设计提高综合设计效率约20%，出图效率 50%以上;倾斜摄影与 BIM 模型的综合应用提高了方案论证决策效率，也减少了现场高危场所测量工作量;BIM 软件对结构的计算优化提高了施工安全性;下料优化预计减少用钢量约 1.5%，节约钢材 30t;BIM 辅助完成临时结构设计规划，施工组织，预计减少工期 40 天。

(2)提升项目管理水平

完善了企业内部的 BIM 应用方案和应用标准，提高了 BIM 应用的规范性和系统性;通过模型与信息数据的整合，将现场实际施工质量、安全、进度、成本等信息与模型关联，实现了数据安全、共享和可追溯;BIM 技术的应用使现场管理前置，实现项目运作提前筹划。提高了项目的综合管理水平。

(3)培养BIM技术人才

项目部人员普遍形成了建筑信息化施工思想;团队成员掌握了相关 BIM 技术软硬件的应用方法，在软件集成应用、BIM 全流程应用方面积累了经验。

5总结

郑万铁路奉节梅溪河双线特大桥项目大力推行 BIM技术综合应用，覆盖方案设计到施工过程的各个阶段。利用倾斜摄影模型的空间放样功能，与 BIM 模型融合，完成临建规划和施工组织规划;真实的三维场景与准确的空间位置信息提高了方案论证的效率和结果的准确性。为建设各方的交流提供了新的技术手段。利用倾斜摄影的点云模型与地质数据，建立了三维实体地形模型，与有限元分析技术融合应用，模拟了复杂地质情况下超高边坡开挖过程边坡的位移及稳定性，为三维边坡有限元分析提供了更加准确的模型。临时结构 BIM 三维设计与有限元分析技术的结合应用，形成了一套从方案比选到方案优化，再到方案实施的全流程BIM技术应用思路。大大缩短了方案设计周期，提高了施工安全性。

总结形成了钢结构精细化建模、模型深化设计、二维出图加工、拼装模拟等一体化应用流程。BIM技术在奉节梅溪河双线特大桥项目的综合应用取得了良好的效果，积累了宝贵的经验。