BIM技術在蒙華鐵路橋梁施工中的應用

本次BIM項目主體為楊家嶺大橋，位于新建鐵路蒙西至華中地區鐵路煤運通道三門峽至荊門段，主要跨越在建的三浙高速公路。大橋分為左線和右線，其中左線大橋（DK787+080.19～DK787+362.4）與右線大橋（DK787+080.19～DK787+499.75）并行，在DK787+362.40處與左線大橋合并為四線橋，共用三門峽臺和5號墩。楊家嶺左線大橋孔跨布置為：1-20m簡支T梁（單線+單線）+（60+100+60）m連續梁（雙線）+1-32m簡支T梁（單線+單線）+4-32m簡支T梁（單線+雙線+單線），橋梁中心里程：DK787+290.220，橋全長：L=419.560m；楊家嶺右線大橋孔跨布置為：（60+100+60）m連續梁（雙線）+1-32m簡支T梁（單線+單線）+1-20m簡支T梁（單線+雙線+單線），橋梁中心里程：DK787+224.795，橋全長L=282.210m。

本次BIM項目旨在提高工程設計圖紙質量、減少工程洽商和設計變更、節約施工成本，將為本工程搭建及整合各專業施工深化BIM模型，協助將竣工BIM模型移交給甲方或甲方指定的部門，方便模型的維護管理。本次BIM技術支持分為建模、管理和平臺搭建三部分，具體內容包括：

1）使用點云技術生成施工現場三維模型；

2）采用參數驅動方式建立連續箱梁及鋼束三維模型；

3）根據圖紙建立鋼筋以及施工支架及掛籃三維模型；

4）從建立的模型中導出材料工程量以及施工模擬；

5）通過Projectwise服務器進行協同工作。

一、施工實景建模

施工現場的信息復雜多樣，二維模式下無法同時表現地形、地貌、空間相對關系等信息，有一定的局限性。Context Capture是Bentley旗下一款強大的實景建模軟件，可將一組對靜態建模主體從不同的角度拍攝的數碼照片作為輸入數據源，通過快速三維場景運算，生成基于真實影像位紋理的高分辨率實景真三維模型。本項目中以無人機航拍照片為素材，分不同施工階段對施工區域內場地進行實景建模。圖1 楊家嶺大橋現場三維地形

根據不同的需求，還可以設置各種額外輔助數據：傳感器屬性（焦距，傳感器尺寸，主點，鏡頭失真），照片的位置參數（如GPS），照片姿態參數（例如，INS），控制點，等等。無需人工干預，Context Capture 在幾分鐘/或數小時的計算時間內，根據輸入的數據的大小，能輸出高分辨率的帶有真實紋理的三角網格模型。所輸出的三維格網模型能夠準確、精細地復原出建模主體的真實色澤、幾何形態及細節構成。

圖2 楊家嶺大橋三角網及點云地形

獲取的三維模型，可以切換成點云數據、三角網格數據，進入到Bentley Descartes軟件進行點云數據處理，也可以直接導入到Bentley土木專業軟件Powercivil、建筑BIM專業軟件AECOsim做實體建模、出圖等工作?？梢詫崿F對模型的分析，虛擬建造，模擬移動路徑等等諸多應用功能。

圖3 實景模型精度與圖紙對比

通過實景建模解決方案，獲取實景模型，基于該模型的數據，可以做三維編輯、修改，測量體積、面積、長度（本次精度為厘米級）。在測繪階段獲取準確信息，在設計階段及時將概念實際化，在施工階段獲取施工現場最新的信息。借助三維實景模型還可以對施工場地進行布置規劃，優化材料儲存和運輸路徑。

圖4 在實景模型中進行場地布置

二、地形及路線模型

PowerCivil 是一款面向道路、鐵路、橋隧、場地、雨水道等基礎設施設計的專業軟件，也是土木行業的BIM平臺（內嵌MicroStation, 可集成其他專業產品設計的模型），可為土木工程和交通運輸基礎設施項目的整個生命周期提供支持。智能數字地形建模（DTM）將道路中心線、路面邊緣或溝渠等要素合并到表面模型中。這些要素還可以是分布不均勻的點或斷裂線（表示在線性段中彼此連接的要素）的隨機要素，如山脊、路面邊緣以及路緣中的要素。也可以是表示建筑、湖泊等對象的內部空隙或孔洞。此外，三維模型中還可以研究其他地形要素，其中包括公共設施（地上和地下設施）、建筑物、地基或采集的任何地形數據。

圖5 PowerCivil界面

本次項目中運用PowerCivil導入Context Capture生成的三維地形文件，在此基礎繪制完整坐標幾何和高級路線設計，以及精確的平面線和縱斷面。高程縱斷面同時也會顯示表面信息，以及顯示平面線關聯的縱斷面。此外，還可以根據設定的廊道或者標高，計算填方和挖方工程量，因為本項目為橋梁工程，此項功能使用較少，下圖為功能示意。

圖6 根據設置的標高計算填挖土石方量

通過智能通道建模工具，來實現三維道路的上下文智能設計。建模功能和參數化設計工具以平面圖、橫斷面圖、縱斷面圖和超高視圖方式動態查看設計并且獲得即時反饋。通過直接對參數化圖形組件進行操控或在上下文相關對話框中精確輸入相應數值，實現對橫截面進行修改。

圖7 編輯路廊模板

三、三維橋梁模型

橋梁大師是國內基于CAD平臺自主開發的二維橋梁制圖軟件，2009年被Bentley收入旗下，與BIM平臺整合，將橋梁大師功能延伸了到了三維領域，也增強了Bentley平臺橋梁部分的建模能力。橋梁大師采用二維參數驅動的方式建立橋梁各個建模標準圖，通過設置橋梁的路線信息、中心樁號、跨徑等信息套用標準圖生成橋梁模型，同時可以設計構造、鋼束、下部結構生成對應的詳圖。橋梁大師中生成的設計模型可以輸出到Power Bridge Master中，實現在Microstation中三維橋梁的創建，將橋梁設計信息同步轉換到DGN模型中，用于數字化移交設計項目。本項目首先在橋梁大師中輸入楊家嶺大橋左線與右線的設計信息，生成二維橋梁模型。

圖8 橋梁大師界面

PBR可從橋梁大師導入二維橋梁模型，包括箱梁、下部結構、鋼束、齒板、錐坡、橋面鋪裝、護欄、伸縮縫，并自動生成三維模型。在方案設計階段，可直接基于模板建立預制梁橋（空心板、T梁、小箱梁），不用從橋梁大師導入。目前下部結構支持柱式臺、柱式墩、花瓶墩、Y形墩等多種墩臺類型，并支持用戶自定義下部結構模板。

圖9 楊家嶺大橋左線連續梁模型

憑借Bentley平臺的文件統一性，可以將三維橋梁模型與實景模型整合，用來查看橋梁和既有結構之間的空間相對位置關系，提前發現隱患。

圖10 橋梁BIM模型與實景模型結合

四、鋼筋與施工設施建模

Prostructure基于Bentley強大的三維平臺Microsation，不僅能夠處理鋼筋混凝土結構中各種各樣異形結構的建模與布筋，同時，基于統一的數據格式，又能夠確保深化的信息模型在全生命周期不同階段的信息交換。

由于橋梁大師中定義的普通鋼筋暫時還不支持導入PBR中，因此本項目中采用Prostructure創建箱梁普通鋼筋，同時Prosteel中具有豐富的型鋼界面庫和靈活的建模方式，可用來建立施工設施模型，如掛籃、0號塊托架、滿堂支架等。

圖11 鋼筋及施工設施模型

常規構件可以通過自動拾取構件的截面參數和形狀，并且可以通過不同的形狀自動選擇鋼筋的初步布置方式。

圖12 腹板及翼緣鋼筋

異形構件主要是解決主筋和箍筋，不管布置主筋還是箍筋，對于異形體都可以批量的布置，不需要一根一根的去布置；鋼筋的方向，可根據構件提取的導向線來控制。并且可以通過不同的鋼筋顯示模式控制鋼筋：支持線框模式、渲染模式以及剖面顯示。

圖13 箱梁截面鋼筋與鋼束

五、工程量統計與施工模擬

在創建BIM模型的過程中，對各個專業的相應構件輸入需要的工程屬性，這些屬性在需要的時候能夠被計算機自動抽取，分門別類地進行相應統計和報表歸類。

圖14 BridgeMaster Modeler工程量統計

通過Prostructure創建的普通鋼筋模型也可以通過自動統計功能獲得鋼筋材料總量，并可以選擇鋼筋表模板導出報表。

圖15 鋼筋工程量統計

Bentley Navigator是用于審閱和施工模擬的軟件，能夠直接（原始數據格式）或間接（XML 等開放數據格式）數據導入項目進度計劃數據，支持Microsoft Project，可將施工計劃與構件模型關聯進行模擬并為其制作動畫，分析進度計劃的合理性。

圖16 Navigator中導入時間進度

通過BIM技術生成的三維模型包含完整的幾何信息和材質信息，還可以導入到專業的動畫制作軟件諸如MAYA、3DS MAX中進行更豐富的渲染和動畫制作。

圖17 通過BIM模型制作施工動畫

借助ProjectWise Navigator V8i，項目還可以通過吊裝模擬事先模擬大型設備吊裝方案，在3D虛擬環境下檢查項目設計和施工能力。用戶還可對施工計劃進行模擬并為其制作動畫，并通過動態碰撞分析模塊檢測物體運動過程中可能潛在的碰撞。

圖18 碰撞檢測界面

六、協同工作平臺

通過Projectwise平臺，搭建項目目錄，并且對于分處于異地辦公的項目人員使用各自不同的設置。項目人員可以通過標準配置設置創建并訪問項目文檔，同時通過Projectwise命名向導按預設標準自動生成文件。保證用戶中在一個在線工作區辦公，因而可提供一致的標題欄、屬性和元數據供應商和客戶提取。本項目在現場部署了Projectwise分布服務器，可以緩存訪問過的文件，提高下次訪問速度。

圖19 Projectwise云平臺工作目錄

Projectwise可作為協作團隊所有項目信息共享的可靠來源，在云環境中，不會存在誰控制主文件、誰更新它和誰有最新版本的問題。項目人員可擁有基于角色的訪問權限，同時審查人員可以輕松地下載或對文檔進行批注，因而加快了管理環境中的工作流處理速度。

基于Projectwise服務器的搭建，本次項目中主要實現了以下技術點的運用：1）文件版本控制；2）多用戶協調操作文檔；3）誤刪找回；4）連接設計與施工；5）多角色人員權限管理；6）提資、審圖、發布。

結語

BIM技術的可視化、協調性、模擬性、優化性和可出圖性等特點，也可以與施工管理有機的結合，解決了許多施工中的難點問題，提高工作效率，為建設方創造了更多的價值。