BIM技术在装配式桥梁施工中的应用综述

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　　摘 要：以泰州市海陵区231省道（海姜大道至启扬高速）快速化改造工程为依托，对BIM技术应用于装配式桥梁预制技术的发展历程、研究现状以及技术特点进行回顾与总结。针对技术难点给出相应建议，指出BIM技术的深入应用以及装配式桥梁结构形式的创新，是促进装配式桥梁技术在我国推广和发展的关键，并对其前景进行展望。
　　关键词：BIM技术;装配式;桥梁;施工阶段
　　DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.078
　　1 装配式桥梁与BIM技术发展回顾
　　 装配式建筑是指部分或者全部的建筑构件是在预制工厂生产，运输到施工现场后将其组装成整体的建设方式。我国装配式建筑施工技术最早起源于上世纪四五十年代，到八十年代中后期已经得到较为广泛的应用。但由于当时相应国家监管体制的不足，用于装配式建筑施工的预制构件存在大量的质量缺陷及不合理使用，带来了不少负面影响，装配式的发展因此沉寂。近年来，随着大型施工机械设备及预制拼装技术的进步，尤其是适用于预制构件的新型材料研发及应用，装配式建筑施工技术得到进一步的发展，国家政府也陆续出台了相应支持政策及管理办法。在2016年，国家发改委发布了《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》[1]，该意见明确指出在国内发展装配式建筑“是推进供给侧结构性改革和新型城镇化发展的重要举措。”，并提出了要在十年内装配式建筑面积占新建建筑面积的比例达到百分之三十的目标。近两年，我国住房与城乡建设部发布了《装配式建筑评价标准》及针对特定技术、特定领域的装配式技术行业及相关标准，并定期开展装配式建筑实施情况统计与评估，重点在国内建设一批具有影响力的装配式建筑示范城市和产业基地。
　　 建筑信息模型（BIM）技术最初是为了实现建筑、结构、机械、电气和施工等相关的各种软件工具之间的信息交互和协同操作而出现的，其在开发三维可视化数字模型、质量检测、结构分析、运营管理和成本估算等方面的应用现已能够灵活地应用于现代建设工程之中。美国国家BIM标准（NBIMS）将BIM定义为：BIM是建筑物理特性和功能特性的数字化表达，它提供一个共享的信息资源，为人们在建筑全寿命周期做出决策提供基础。BIM技术的概念来源于1975年美国佐治亚理工大学教授Chuck Eastman提出的建筑信息描述系统（BDS）[2]，并在2002年由Autodesk公司率先将其推广到全世界[3]。在BIM全球化的影响之下，我国于2004年开始全面推广BIM技术。在国务院发布的《关于促进建筑业持续健康发展的意见》中，要求建筑行业加快推进BIM技术在建筑工程中的集成应用。但目前BIM技术应用于装配式桥梁的案例在我国较少，国内已运用BIM技术参与建设的桥梁建筑有湖北鄂东长江公路大桥、夜郎河双线特大桥、沪通长江大桥、永定河特大桥、陶赖昭特大桥、漠谷河2号特大桥、淮安市淮海路跨京杭运河大桥、南昌港口大道Ⅲ标市政桥、港珠澳大桥等。
　　 泰州市海陵区231省道（海姜大道至启扬高速）快速化改造工程第二标段为全高架段，设置涡轮式枢纽互通1座、6条匝道。桥梁全长3776.067m，其中主线桥长446.551m，匝道桥长3329.516m。该标段地面桥系统采用先张法预制梁板，在项目施工前，项目设计团队先利用三维建模软件Revit搭建BIM可视化模型，对桥梁结构进行数据化模拟，通过碰撞检测分析和动态吊装过程仿真，有效指导施工，提前发现施工过程中存在的问题。在施工阶段的项目管理过程中，利用BIM虚拟4D技术，根据项目管理软件Microsoft Project编制施工进度计划，按照现场实际情况进行实时动态调整，为进度计划编制提供具有较高可靠性、准确性与真实性的依据，初步实现了二维进度计划的可视化和集成化。
　　 通过该实例可见，BIM技术与其特有的可视化、协调性、模拟性、优化性等特点在装配式建筑的建设管理过程中，能够得到较好的發挥以及融合应用，BIM与装配式技术的深度结合是对传统建筑施工工艺的一次提升。
　　2 国内外装配式桥梁施工BIM技术应用及研究现状
　　2.1 国外装配式桥梁施工BIM技术应用及研究现状
　　 Seongheum Yoon等为了解决由于桥梁预制构件自然变形，剪切口和剪切连接器在施工现场不能精确匹配的问题，使用3D激光扫描仪获取预制桥面板和预制梁的扫描数据，并使用DBSCAN和混合像素滤波算法估算其尺寸，使用RANSAC和K均值聚类算法从预制梁的扫描数据中提取剪切连接器的位置。最后，通过求解非线性最小化问题来确定甲板相对于大梁的最佳布置。
　　 Clyde Zhengdao Li等利用射频识别设备（RFID）启与BIM技术的联用平台，集成各预制房屋建筑（PHC）工程参与方信息/数据流、预制流程和最先进的施工技术，简化预制构件制造、物流和现场装配施工三个层次的操作，同时使用实时捕获的数据形成同时具有闭环可见性和可追溯性的管理模式，不同终端的用户可以实时监督施工状态，提高PHC管理中日常运营和决策的成功率，从而减轻关键的进度风险，确保预制工程项目及时交付。
　　 Xiaodan等设计了一套完整的桥梁健康监测系统，实现该系统的实时监控和安全分析的可视化，以现代软件工程系统开发方法为基础，以各种设计模式为骨架，在MFC平台上集成使用3D建模和渲染技术以及GDI+和SQL数据库技术。研究表明该系统大大提高了桥梁监控系统的效率，可较为准确地预测及排查桥梁在建设过程中存在的安全隐患。
　　2.2 国内装配式桥梁施工BIM技术应用及研究现状
　　 我国对BIM技术的研究起步较晚，BIM技术在我国桥梁领域的应用尚处于探索阶段，随着人们越来越多地认识到智能化和信息化在工程建设新技术研究领域的重要地位，许多单位开始积极组织培养BIM团队，同时也对该技术在部分工程中的应用进行了分析与研究。 　　 孙振堂[4]依托某公路桥梁预制梁场，结合BIM技术的可视化施工、质量、进度管理及动态监控系统等功能，创建智能化管理的“智慧梁场”，借助地理信息技术进行动态监控，以提升梁场的信息化管理水平和工作效率，从而提高了装配式桥梁构建预制的工程质量。
　　 袁观富[5]等以武穴长江公路大桥主塔钢锚梁为背景，通过BIM建模软件将主塔、斜拉索、钢锚梁等构件转换成精细化三维模型，分析构件空间位置关系、型钢打孔参数等，并归纳总结提炼钢锚梁各型钢零件的加工参数及工艺，从而指导钢锚梁工厂化生产预制及现场精确吊装，以提升钢锚梁加工安装效率、工厂预制和现场安装的管理水平。
　　 林光明[6]以怀芷快速干道太平溪大桥为实际案例，研究BIM技术在跨河桥施工中的应用优势，在分析水上施工钢平台、桩基溶洞、预制箱梁架设等施工重难点的基础上，通过软件模型制定“流动+固定”式组织架构，在项目施工阶段运用BIM技术虚拟布置施工场地、加强质安管控等，分别模拟钢便桥、溶洞处理、箱梁架设的施工全过程，不断优化施工方案。
　　 李晓丹[7]将精益建造和并行工程理论与方法引入装配式建筑，提出两者结合应用于装配式建造的实施框架，研究装配式建造计划与控制方法，借助BIM的有利支撑，研发装配式建造计划与控制系统，分析BIM的核心功能对精益和并行工程的支撑作用，指导装配式建造的各个过程的活动计划优化与控制、促进参与方的沟通与协调、信息共享。
　　 任璐[8]以一钢管混凝土拱桥为例，运用三维扫描技术和Revit软件搭建可视化三维模型，并与Navisworks数据交互，实现BIM4D施工模拟。通过与结构计算软件Autodesk Robot Structural Analysis数据交互，从而检测桥梁结构的安全性。研究证明BIM技术能够有效监测桥梁施工阶段可能存在的问题，并提供良好的施工管理。
　　 汪逊[9]为了实现桥梁BIM核心三维模型与受力简化梁元模型的自动转换，基于几何造型软件Rhino、AutodeskRevit的桥梁BIM参数化设计流程，运用参数化插件Grasshopper和结构分析软件MIDAS/Civil及Navisworks等，探索了基于BIM的节段预制拼装桥梁信息管理系统。
　　 张华[10]等将BIM技术应用于DSC建筑体系中，搭建装配式建筑数字化模型，制定基于BIM技术的施工图标准出图模板，并通过对项目模型的专业构件编排二维码。
　　 目前，国内相关案例大多是选择能较大程度满足桥梁工程应用的主流软件，通过二次开发等手段，与其它相关专业软件数据互通，实现BIM技术的应用，或者是开发专门的软件，再借助计算机算法模型，对通过软件挖掘的数据库进行参数化的处理，形成装配式桥梁全寿命周期的BIM技术应用。相比之下，国外许多国家由于较早开始对这类技术的研究应用，对信息化技术的开发更加深入，相关制度更为完善，BIM技术在建筑生命周期各个环节灵活运用也呈日益增长的快速发展趋势。
　　3 BIM技术在装配式桥梁施工中的应用前景
　　3.1 协调与监测
　　 通过BIM技术建立虚拟数据库，各项目参与方能够实时交换在各个阶段生成的工程信息，有助于有效地集成构建系统所需的协作环境，便于整合外部环境和内部条件[11]，以在各方均可接受的范围内提供所需的装配式建筑性能需求。工程信息的无缝交换能够帮助满足工程项目从设计审查、建筑性能分析到项目实施管理及竣工验收过程中特定性能要求、工期要求和成本要求。将BIM技术作为工程信息载体，建立相应的传感器模型，能快速定位传感器，通过建立信息化桥梁健康监测系统，实时获取桥梁构件及结构的变化、车辆荷载等安全信息，形成完备的桥梁安全预警系统。
　　3.2 桥梁系统冲突检测
　　 冲突检测功能是基于BIM技术的深化设计核心应用点，碰撞检查的主要目的是消除设计过程中的失误对整体结构的影响[12]，建模软件中一般自带碰撞分析功能，比如预制构件的Revit模型可以通过NWC格式导入结构分析软件Naviswork中，设置碰撞規则进行碰撞分析，可以直观的地找到冲突位置。在实际施工之前对装配式建筑系统碰撞状态的早期检测将节省提供所需建筑性能的时间和成本，还可以防止潜在的建筑性能的损失[13]。
　　3.3 施工模拟评估和风险规避
　　 装配式桥梁施工过程中受环境因素影响较大，随着施工的展开，大量的预制构件和拼装机械需要进场，众多限制因素和工期和造价的要求，往往会导致施工方案的变更。BIM提供的虚拟3D、4D和5D技术可以在实际施工之前对设计的成本、时间和质量影响进行早期评估，并将模型转换为动态演示文件来模拟施工[14]，不仅可以在虚拟环境中指导现场施工，通过利用BIM虚拟模型中构件信息自识别、数据提取、内嵌物理信息自统计等功能，还可以实现桥梁工程智能动态管理，进一步提高施工管理效率及精确性。同时，针对外部环境的变化及内部施工方案的变更，在BIM虚拟模型中可以进行变更前后工程量对比，提高工程变更管理效率及准确性的同时，通过建立风险分解结构（RBS）和BIM之间的联系，传统方法和BIM可以合并为风险管理的综合解决方案，经过数据挖掘过程以及进一步评估和解译数据来开发风险数据库，能够减少不必要的风险，为后期工程决算提供依据。
　　3.4 高水平的装配式桥梁构件系统定制
　　 BIM技术提供的虚拟3D、4D和5D技术可以根据项目的特定要求，研发高水平的预制构件族库，通过大规模定制（MC）生产模式，将大批量预制构件分类编号形成能够统一管理的BIM信息数据库，如果需要更改设计或规范以满足可持续建筑性能要求，BIM数据库将有助于无缝更换订单变更请求。BIM技术在按单设计（ETO）预制建筑构件上的应用就是将精益生产（LP）原理与建筑信息化原理相结合形成具有模型控制、物流规划等功能的预制建筑现场装配系统，能够精准地实现项目综合需求分析，以实现更为合理的、柔性的配置建模和求解过程。此外，一些创新技术，如全球定位系统（GPS）和射频识别（RFID），已在该领域得到有效应用，在未来能够更加因地制宜地成为改善装配式桥梁实践性能的有力工具。 　　3.5 精准数字化模型力学响应
　　 BIM模型可结合数值模拟软件、有限元分析软件、C#编程语言等通过基于物理引擎功能的Unity 3D，动态仿真模拟桥梁吊装的施工环境和施工过程，实现实际工程在计算机中施工预演，提前发现、解决施工中存在的隐患或者可能发生的问题。比如通过在有限元软件ANSYS中通过相应命令自动生成几何实体，或从已建好的模型中提取几何信息并转换成计算机程序能够解读数据格式，然后通过边界表达的方法描述有限元分析软件的几何实体模型，再经过深入的解析和仿真模拟后，实现提取Revit三维结构预制构件关键点信息的目的。
　　4 BIM技术在装配式桥梁中的应用发展建议
　　4.1 全面推广IPO模式在信息化装配式桥梁中的应用
　　 综合项目交付（IPD）是一种将人员、系统、商业架构以及实践操作整合在一个过程中，将所有参与方的才智整合并积极促进实现项目成果最优化、效率最大化的项目交付方式。众多学者研究表明BIM技术的应用是实现IPD的前提，将IPD的概念更深入地推广到信息化装配式桥梁建设中，为工程信息充分共享交互提供了更为合法化、便利化的协作环境。在IPD模式下，各参与方通过早期介入、共担风险、开放交流、共同参与项目的全寿命周期管理，可以有效避免预制构件设计阶段由于意见冲突和方案变更造成的大量损失，同时减少构件运送及构件搭接过程中的资源的浪费和工期的不合理安排，增强团队成员之间的相互信任与尊重，并能充分考虑到项目维护和运营阶段的需求。BIM的功能能够为IPD模式的实施提供技术支撑，BIM技术要能够应用也需要IPD提供良好的平台。
　　4.2 利用BIM技术创新装配式桥梁预制构件节点连接方式
　　 装配式桥梁相比混凝土现浇整体抗震性能较差，装配式结构的稳定性很大程度上取决于搭接节点连接方式。桥梁预制构件拼装时，受外部环境包括风力、水文等因素的影响较大，此外预制构件的自然老化徐变和运输过程中产生的磨损，也会造成拼装时难以精准定位等问题。目前国内装配式桥梁中墩柱、预制梁片、节段箱梁等构件之间的连接方式普遍采用湿接缝方法施工[15]，湿接缝是通过对混凝土结合面进行施工预处理来实现新老混凝土的连接，接缝破坏了混凝土结构的连续性，且接缝处往往是PC桥梁结构受力最为薄弱部位。接缝的处理方式很大程度上决定了装配式结构的极限承载力和长期使用性能。BIM技术提供了更具灵活性、可视化的三维构件设计平台，在预制构件设计阶段，结合精益生产理论、三维实体打印、力学分析及环境模拟等先进技术，为创新预制构件拼装节点连接方式提供了条件。
　　4.3 利用BIM技术完善装配式桥梁施工的多维监管平台
　　 BIM技术与物联网（IoT）平台的概念具有良好的结合点，从RFID和GPS收集的实时信息可以在物联网平台上与BIM连接，以此开发物联网和BIM集成的预制结构现场装配服务平台。通过开发平台，主要承包商能够便捷地了解预制组件的实时信息，现场数据收集变得更为有效、可靠且更具附加值，主要承包商的整个现场团队在面对变更时可以更具弹性，也为有效的工程监控提供了支持。目前已投入使用的BIM5D技术能够基本实现在项目成本和工程进度上的管控，而项目安全、质量和施工环境的管理对预制建设项目也很重要，将BIM信息化平台与其他先进的工程管理技术有机结合，建立相应的预防和预警系统，不断完善和开发安全、质量和环境上的多维监管平台是实现全面智能化装配式桥梁施工管理的必要条件。
　　5 结语
　　 在飞速发展信息化时代，BIM技术为装配式建筑的发展提供了更为广阔的平台。BIM技术与装配式桥梁的有机结合能够有效提高施工质量的效率和管理水平，深入开发BIM技术的应用契合我国装配式建筑快速发展的需要，必然有着长远而光明的应用前景。
　　 本文通过对国内外BIM技术应用于装配式桥梁建设案例进行系统的研究，对BIM应用于装配式桥梁的施工技术进行了综述，同时给出了相应的建议，为该技术以后的发展提供支持。
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　　作者简介：丁寿文（1969-），男，江苏扬州人，本科，工程硕士，董事长，总经理，高级工程师，国家注册一级建造师，研究方向：交通领域。
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