专业文章|基于BIM的铁路转体桥梁施工精细化管理

注：本文为期刊公众号简版，完整版已发群内自取。

丰逍野，中交第二航务工程局有限公司

朱俊波，中交第二航务工程局有限公司

马耀举，中交投资有限公司

董俊，中国地质大学（武汉）

铁路桥梁施工周期长且作业复杂，可视化程度低，所涉专业人员种类多，导致效率低下，精细化程度低。针对此发展现状，基于BIM技术进行铁路转体桥梁施工精细化应用，解决其传统施工模式下中存在的方案可行、结构碰撞、进度管控、协同办公等问题。以京哈转体大桥为背景依托，基于BIM技术，实现工程施工精细化管理，完成桥梁与场地信息的可视化交互分析，并自主研发协同管理平台进行工程管理，加快了工程推进速度，提高了效率，对推动桥梁工程的智能建造具有实际意义。

一 BIM精细化施工应用集成

BIM技术通过一个三维模型数据库，以其可视化、协调性、优化性、模拟性、可出图性5个特点，能实现所有工程信息的集成。信息库不仅能包含几何信息，同时能集成空间状态信息。而且即使BIM软件层出不穷，种类繁多，对应产生的文件就有 RVT、NWC、NWF、DWG、CHE等多种格式，但在基于统一的IFC（Industry Foundation Class）数据模型标准下，不同软件可以共享同一数据源，从而达到数据的共享及交互。

汪军等构建基于双“核心结构树”构建管理平台，根据树形结构特点及工程建设管理特点，提出结构树在各业务系统的应用场景及方法，有效解决公路工程建设过程中数据共享与传递的问题。基于上述BIM技术的特点，通过建立三维可视化的交互环境，及桥梁结构BIM三维模型，将工程所有信息进行集成，包含工程主体结构，场地环境信息，施工组织信息等，相互映射，相互反馈。从现实场景转变为虚拟模型，再由虚拟模型反馈到现实工程，最终实现在BIM协同平台上进行系统的集成管理。为避免各种数据信息混乱及流失，在BIM协同平台建立BIM数据库框架，输入数据，进行分类管理，设置权限查看，提高管理质量。数据库与源模型同时实时更新，项目各方可根据需要进行BIM数据的提取，同时，若工程推进过程中发生前后环节不匹配的现象，例如发生施工变更，或者当前设计不满足后期运维要求，也可以录入新的数据信息进行补充修改，并直接影响到源模型的变更，实现信息的动态化变更与储存。图1为BIM应用集成框架。

二 应用实例

1、工程概况

本文依托京秦高速ZQ-SG-10标段的上跨京哈铁路大桥，位于秦皇岛市山海关区古城村东侧，桥下铁路等级为国铁玉级。其中（61+119+61）m预应力混凝土转体连续箱梁、2X66m转体T构均为涉铁转体。预应力混凝土转体连续箱梁设3号、4号2座转体主墩，转体T构设7号1座转体主墩，其中3号、4号两主墩双向转体85°和 81°，7号墩逆时针转体87°。转体桥与津山铁路下行线交角95°，与龙山铁路下行线交角79°，与龙山铁路上行线交角83°，与津山铁路上行线交角89°。桥梁平曲线半径1600m，其工程概况总览见图2。现对（61+119+61）m连续箱梁，2X66m转体T构圆座转体桥梁，拟采用BIM技术进行铁路转体桥梁施工精细化管理应用研究。

2、施工场地交互分析

由于转体桥桥址位置禁止无人机飞行进行航测作业，无法使用GIS技术进行场地地理信息采集与模拟，使该工程前期相关拆改方案拟定变得困难许多。在此情况下，仅依靠原始CAD平面地形图的高程信息，基于BIM技术，结合场地环境信息，进行可视化分析研究桥梁转体的碰撞情况，为工程的安全提供有力保障，提高施工精细化程度。

（1）转体碰撞模拟

采用BIM设计建模软件Sketch Up进行桥梁上部结构建模，基于三维空间可视化定量分析梁体间的碰撞情况，对各梁体之间转体过程中的最小间距进行三维测量，精准监控转体过程安全情况，如图3所示。

根据工程要求安排，先后对7号、4号、3号转体主墩进行转体仿真模拟。经动态模拟分析，转体桥梁各梁体在转体过程中均无结构碰撞，确保实际施工桥梁转体安全可靠，并得到对转体桥梁（61+119+61m预应力混凝土转体连续箱梁转体角度与梁端最小间距关系曲线如图4所示，最小间距均大于0无碰撞发生。

由图4可知，3号、4号梁体在转体进行至68°左右时，梁端距离达到最小值。由于工程实际施工不确定因素较多，因此转体达到该位置时为最高风险状态，需在实际施工时进行精准控制。基于此BIM分析结果，建议施工3号主墩转体达到50°时降低转体速度，同时相关单位严格监控梁端距离，保证精细施工，严防安全事故发生。

（2）净空分析及接触网碰撞模拟

项目工程中桥梁上跨4条国铁I级铁路线，对桥下净空及转体过程的铁路接触网碰撞与否有着严格要求。传统的基于二维平面图纸的碰撞分析，已不能满足工程人员的工作需求，其可视性差，计算繁琐，严重降低了拆改方案拟定的工作效率。基于BIM技术，进行接触网碰撞三维可视化模拟，通过Sketch Up进行铁路运营线搭建，使用ENE Rail Road模拟铁路插件，将平面线条转变为铁轨，并添加JPod support Structure结构支柱调整至指定高程，按间距要求进行路径阵列，模拟铁路沿线接触网，将桥梁与场地互相结合进行三维分析。

由于工程航测受限，无法得到精准的三维实体地形模型，仅依靠CAD平面图中的高程点进行模型分析，导致Sketch Up中每条运营线的接触网信息均基于同一高程。缺少高程z 轴变化下的数据信息问题属于二维平面问题，不能真实模拟现实情况。

针对此问题，选定任一高程点作为基准高程平面进行接触网建模，然后依据CAD中其他高程点与基准平面的高程差对Sketch Up中z轴高程进行校正。Sketch Up中的桥下净空数据只需要在模型数据基础上加上校正值，便能贴近真实情况数据。以桥下津山下行线接触网模型为例，其部分关键临近节点计算结果见表1。

校正值计算如下：Δ=z0-zn。式中：Δ为校正值结果；z0为选定基准平面高程；zn为其他任意点的真实高程。

以津山下行线接触网净空分析为例，对桥下4条铁路接触网进行三维净空分析模拟。基于以上校正计算，得到桥下最小真实净空，均大于铁路所要求7.96m，满足桥下净空要求，确保接触网无碰撞发生。但考虑日后桥下接触网更新维护作业困难，施工前还需对桥下支柱改移处理。根据三维模型的可视化分析，可直观发现桥下既有支柱编号，并提出相应拆改方案，见图5。

基于BIM的施工场地三维可视化交互分析，能更直观准确地对铁路转体桥梁及周边场地环境进行位置分析，在施工前得到更为精细化的转体控制数据及准确合理的拆改方案。

3、桥梁精细化建模

桥梁工程涉及到多种复杂结构的组合，相比于其它类型的桥梁，转体桥的结构更为繁杂。就其转体系统而言有球铰、撑脚、反力座、滑道等结构，形式各异，传统的二维图纸不便于施工人员理解相关结构，同时也会对预算人员进行工程量统计造成困难。

本项目采用Revit对桥梁进行三维实体建模绘制，组建完整的工程项目。使施工方能对任意桥梁结构进行三维查看，优化交底流程。而预算人员可以选择对应的工程结构，通过Revit中的数量明细表进行工程量自动统计，更为精确地得到材料数量，进行成本分析。项目转体桥梁Revit模型如图6所示。

（1）Revit上部结构参数化建模

由于项目工程铁路转体桥梁位于平曲线（半径1600m）上，平纵面均为曲线线形，传统体量的拉伸式建模无法达到梁体线形的效果，因此必须通过在精准的轴网基础上进行截面轮廓的放样，才能实现曲线桥建模。而由于上部箱梁结构相似，仅尺寸不一，因此在Revit的上部结构建模中，可以充分利用Revit参数族编辑的优点，对箱梁截面各特征的尺寸定义参数，通过参数化建模，快速便捷，也能在三维模型中更加直观精准地提取到所需要的尺寸数据。Revit箱梁模型如图7所示。

（2）Revit下部结构族编辑建模

在Revit下部结构建模中，由于各个构件形态不一，复杂多样，需分别进行结构建模，见图8。通过构件编辑下内建模型或族编辑建模载入项目的方法，均可实现各种复杂结构建模，并可在项目之中重复嵌套，减少重复建模，提高效率。

（3）碰撞检测及优化

桥梁BIM精细化模型创建后，可将模型导出为NWC格式文件，通过Navisworks中的ClashDetective功能进行三维碰撞模拟，直观找到项目模型的结构冲突点，并基于此碰撞结果返回建模软件进行结构优化，避免后续施工时产生碰撞调位问题。相较于传统计算核图式碰撞检测，BIM三维碰撞更直观且准确，保障施工精准程度。

4、桥梁施工管理应用

本文2座转体桥梁的转体施工为项目重难点控制性工程，可通过各种BIM管理软件进行施工阶段的技术交底应用。除了施工质量的要求外，BIM技术可提高施工组织协调性，基于其信息集成特点，实现合理的施工流水划分，完成施工的分包管理，为各专业施工方建立良好的工作面协调管理而提供支持和依据。通过BIM技术对施工进行多维度下的全局管理，实现精细化施工。

（1）可视化技术交底

通过Lumion Live Sync For Revit插件将Revit三维实体模型下的各个结构图元导出为dae中间格式文件，在Lumion中对施工工艺流程进行动态模拟，制作成形象的施工工艺展示动画，加快施工效率，改善施工质量，有效避免施工人员因工艺不熟悉或操作不规范导致的构件错装漏装、关键结构安装失准等问题，提高桥梁施工的精细化程度。桥梁转体施工可视化交底如图9所示。

（2）进度成本管控

基于项目中京哈转体大桥段施工特征及时间成本要求，围绕其关键作业要点和节点目标编制PM（Project Manager）施工进度计划，与BIM模型关联起来，对项目进行高效率的计划、组织、指导和控制，并将数据导入项目管理软件Fuzor进行4D进度及5D成本模拟，得到施工进度成本关联动画。管理人员可直观地查看进度计划及成本投入，调配机械、人工、材料等需求计划，提前备料，保证施工进度，调整施工成本结构。施工时可输入实际进度数据，直观演示实际与计划之间差异，保证多维度下精细化施工，见图10。

由图10可知，在2022年3月和2023年4月开始，资金曲线出现有4次显著的峰值。在该部分峰值区域范围内，有主墩桩基施工区段和上部结构混凝土浇筑区段。该施工时间区段资金投入相对较高。因此相关工程人员需提前备料，做好资金协调，防止在该工程节点时间出现备料不足，资金流动不畅的情况，更能防止少料作业带来的质量问题。

5、工程协同管理

桥梁工程的施工精细化管理，不只单方面由施工方完成，还应与相关各单位的各专业人员协同。多方人员在项目推进过程中将所有的数据信息集成于BIM源模型之中，如地理信息、结构材料信息、预埋件埋置要求、后期桥梁维护等信息，一并影响着其它各专业人员管理。即使出现变更调整，最终落脚点均在一个BIM模型之中，极大地方便了各个部门或单位的管理，使工程推进变得协调有序。夏子立等梳理了我国桥梁技术状况评定规范体系及BIM技术在桥梁运营管理的应用概况，设计了基于BIM的技术状况评定系统总体框架及业务模块功能，解决了智能有效工程管理的问题。

基于各方单位需求及项目特征，开发并使用BIM协同平台进行智能管理，平台首页界面见图11。

在BIM协同平台上构建项目桥梁信息库，提供模型可视化展示，工程进度、重要通知、实时视频监控等功能，且基于子功能模块完成工程信息分类集成，实现多专业、多单位人员下的协同管理，并可在手机端进行操作，极大方便工程管理。对于施工文明中最重要的安全管控问题，可在项目中建立BIM三维模型让各分包管理人员提前对危险源进行判断，在危险源附近快速地进行防护设施模型的布置。通过实时监控反馈现场画面于平台之上，工程人员可以随时进行现场安全管控并及时下达通知管理，代替传统人工巡检，使办公更高效合理。

三 BIM施工精细化管理价值分析

该工程采用BIM技术进行施工精细化管理，确保施工精度的同时，完成了BIM数据的集成与规范管理，使工程推进更为系统有序。对该 BIM应用解决的工程问题、应用效益及考虑的适用领域进行分析，其BIM施工精细化管理效益见表2。

四 总结

本文以京哈铁路大桥项目为依托对铁路施工精细化问题应用BIM技术，完成了桥梁与场地信息的交互分析，精细化桥梁模型构建，施工技术交底及组织协调，以及工程所涉及的多方人员协同工程管理，多方面提高了桥梁的施工精细化程度。

1）将场地环境信息与结构主体进行BIM交互应用是桥梁工程BIM技术应用的必要一环，依此才能做出更准确而合理有效的方案设计及施工。
2）依托BIM技术强大的三维可视性及生产管控能力，作出准确的碰撞优化、细致的施工动画交底及多维度的工程全局管理，保证施工精细化程度。
3）基于BIM协同平台的工程信息集成管理，分类更为科学，管理更为系统与协调，保障工程施工的有序推进。

来源：铁路BIM联盟