BIM技术在山区峡谷大型铁路桥梁施工中的应用

袁 帅

(中铁十八局集团有限公司 天津 300222)

1 引言

建筑信息模型building information modeling、building information model(BIM)是“在建设工程设施全生命期内，对其物理和功能特性进行数字表达，并依此设计、施工、运营的过程和结果的总称”[1]2。经过十余年的发展，在我国已从最初的示范应用与推广引导阶段升级到全面推进及多政策融合发展阶段[2]。

在铁路领域，BIM技术作为数字铁路、铁路工程建设信息化的主要技术发展方向[3]，自2014年以来，国家铁路集团有限公司组织进行了标准研究与制定以及铁路BIM应用实践，在设计阶段多个专业协同、全专业交付等方面取得系列成果[4]，受限于各种条件，多阶段协同应用尚未取得大的突破。因此，施工阶段的BIM应用基本采用基于工程实践的BIM应用方式P-BIM进行[1]20，在桥梁、隧道、站场、四电[5-7]等专业方向，通过试点探索总结出系列施工过程BIM应用价值点。

本文基于大瑞铁路怒江特大桥，利用BIM技术进行施工组织策划、施工方案编制与优化、施工工艺模拟，旨在总结出一套桥梁技术BIM应用解决方案，推动我国桥梁数字化施工技术的发展。

2 工程概况及施工重难点

2.1 工程概况

新建大理至瑞丽铁路怒江四线特大桥位于云南省保山市施甸县与龙陵县交界处，桥梁全长1 024.2 m，桥面宽24.9 m，桥上设会车站。全桥孔跨布置采用(7×41)m连续钢混结合梁+(14×37.2)m连续钢箱梁+(5×41)m连续钢混结合梁(见图1)，主桥采用490 m上承式钢桁拱桥跨越怒江[8]。

图1 怒江特大桥效果图

2.2 工程实施难点

(1)施工环境恶劣

①地势条件

桥位处为典型的构造剥蚀高中山陡坡地貌，左右岸最大高差820 m，江面到桥面230 m，高空作业多。怒江水流湍急，无航运条件，也无满足施工生活、生产条件的场地。

②交通条件

距离桥位1.4 km的主要道路为老滇缅公路，山路崎岖、道路狭窄、转弯半径小，需对近50 km道路、桥梁进行加宽加固。

③气象条件

桥位地区雨雾、雷暴、大风天气多，日内温差最大超过20℃，全年极端温差达37.1℃；局地最高风速达21 m/s，姿态及线形控制困难，高空作业安全风险高。

(2)结构及工艺复杂

主桥是全桥施工的重点，其中主拱圈采用上承式提篮4片桁拱结构，内倾3.657 8°，由926根杆件通过73万颗螺栓连接组成，重达27 000 t。4片桁每2片组成1肋，每肋的2片桁间距3.4 m，通过横杆连接成整体；主桁为N型桁架，节间水平投影长12.4 m。拱顶处主桁中心距18 m，拱角处主桁中心距32 m(见图2)。

图2 拱肋标准节段

3 BIM应用策划

BIM策划立足于解决项目需求，以此为基础实现桥梁技术数字化升级，推动“数字铁路”在施工阶段的落地。

3.1 团队组成

十八局集团筹建BIM技术暨智能建造中心，派专人负责实施，内外联动组建BIM攻关团队，内部3个小组为专业技术组、BIM实施组、IT支持组；外部顾问团队为BIM咨询及桥梁专家。

3.2 应用方向

(1)施工组织是工程建设的重要环节，关系着进度、质量、安全等多方面的工作成效[9]。山区地形大型铁路工程大多环境复杂、施工管理难度大，存在现场调查效率低、场地规划粗放等问题。采用BIM+GIS技术进行总平面布置，确保场地规划和临建布置信息完整、精确[10]。

(2)主桥施工总体顺序为锚碇→拱脚支架法施工→悬臂拼装→合龙→拱上结构。缆索吊系统及斜拉扣挂系统的布置直接影响全桥施工的关键线路。

(3)鉴于峡谷地形不具备整节段吊装条件，只能采用单件或组合起吊的方式施工。杆件起吊到位后需调整仰角、内倾角及杆件自身的旋转角，然后插入对接，杆件间隙仅为2 mm。因此杆件组合方式、起吊顺序是可视化模拟的关键，而且杆件起吊、运输、调整、就位的路径和姿态模拟必须实现参数化操作和交底。

(4)由于桥位处气象条件极端恶劣，高空作业时间长、频次多、安全风险大，因此对工班进行可视化技术交底也是BIM应用的重点，尤其是杆件对接、缆索吊横移、扣锚索安装及拆除等重难点工艺应进行详实的可视化、参数化描述。

(5)以BIM技术为基础，探索与物联网、大数据乃至智能建造等技术融合，总结桥梁数字化施工技术。

3.3 资源配置

(1)软件配置

根据应用目标，建模、模拟主软件采用达索3D Experience平台，综合考虑地形处理、可视化渲染等需求配置软件，如表1所示。

表1 软件配置

(2)硬件配置

配置专业工作站，为了确保数据安全及网络可靠，软件服务器设置在集团总部，通过VPN专线与现场项目部协同。硬件配置见表2。

表2 硬件配置

4 BIM实施与分析

4.1 模型创建

(1)主体模型

BIM模型是应用的基础条件，对应BIM应用目标和范围，必须有明确对应的模型细度，对于动辄数拾GB的BIM施工模型，“够用就好”是BIM应用的基本策略[11]。

在利用Catia软件建模时，一般利用知识工程模板通过参数化快速建模，但是建模的逻辑与工程施工方法不相符。因此建模前必须根据工程EBS分解以及施工方法制定统一的模型命名规则与制图标准，明确施工组织、施工方案、施工工艺不同需求的模型精度。

(2)临时设施模型

大型桥梁施工采用的吊具、模板系统等一部分来自既有机械设备模型库，与新建部件构成设施模型构件库，建成缆索吊装系统、斜拉扣挂系统，结合计算分析可形成临时设施三维正向设计能力。

(3)模型集成

土建、钢结构、临时设施模型由各组分部建模后在统一坐标系内集成，实现施工过程建模协同，如图3所示。

图3 主体及设施模型集成

4.2 基于BIM+GIS的场地规划

工程实施阶段所需的GIS数据可分为低、中、高三种精度。针对不同的需求采用对应精度的数据与BIM模型结合，解决项目策划中的实际问题。

受地形限制，桥位处没有钢构件制造及试拼场地。通过低精度GIS数据配合实地查勘，在50 km外建厂，进行加工制造后用汽车运至桥位，低精度GIS数据一般来源于谷歌地球、卫片数据、电子地图等。

通过无人机搭载多镜头倾斜摄影相机采集进场便道影像，生成点云文件，经过多次处理形成三维场景[12]。导入至Fuzor软件，可模拟道路运输情况(见图4)，发现拱脚部位下弦杆太长导致车辆无法过弯，最终将该杆件优化为2根组合式，确保运输畅通。

图4 杆件优化前后道路通行对比

4.3 施工方案模拟

(1)斜拉扣挂总体方案

主拱圈采用“支架+悬臂拼装”方式施工，斜拉扣挂系统承受最大荷载约为23 000 t，共设27层108束扣锚索。因后锚布设点有限，引桥施工与锚索存在空间冲突。经过模拟确定5#桥墩第1层横梁以下先作为辅助扣塔施工(见图5)，待斜拉扣塔体系拆除后再完成全部墩身，保证了全桥施工进度和安全。

(2)标准节段吊装方案

主拱圈由41个标准节段和1个合龙段组成，标准段吊装顺序依照“先内后外、先下后上”的原则。经过模拟、优化，总结出最优的组合吊装顺序，即内下弦、下平联、内斜腹、内竖腹、内上弦、横联斜撑、上平联、外下弦、外斜腹、外竖腹、外上弦，相对单杆件吊装方案减少吊装156次，节约工期78 d，且避免了杆件就位冲突碰撞。

(3)拱脚支架安装方案

拱脚预埋段与0#、1#节段采用钢管支架拼装，预埋段底部设置码板，通过横、竖向千斤顶精调定位，最后施工混凝土，确保了精度及线形(见图6)。

图5 扣塔与5#墩空间冲突及工序优化

图6 拱脚支架段施工模拟

(4)拱圈合龙方案

依照标准吊装顺序，合龙段上弦、上平联需临时存放在扣塔顶部，再依次进行杆件吊装。为保证平台及杆件之间连接满足安全施工要求，临时存放平台与杆件之间采用导链捆扎固定。

4.4 重难点工艺

采用Delmia对仰角、倾角、路径进行调整，实现每次吊装的路径规划和姿态调整、对接就位。

4.5 基于BIM的管理

4.5.1 进度管理

大型桥梁工程往往施工周期长，且施工进度受各种因素影响较大。采用BIM技术能更直观反映进度计划与实际进展动态关系，找出关联因素，便于及时调整施工计划。

4.5.2 安全质量管理

BIM应用于安全质量管理，一般分两种模式：一种是采用BIM技术进行安全质量风险源的模拟和交底；另一种是基于BIM项目管理平台的安全质量业务流程管理。

(1)高空操作平台优化

通过模拟人员高空装配螺栓时的三维空间关系，在高空狭窄空间条件下依据安全性、经济性、易操作性原则优化操作平台，确保人员安全。

(2)不利工况模拟

将BIM模型与力学模型融合，模拟杆件在极端风荷载情况下的运动轨迹和碰撞干涉情况，为邻近拱圈的杆件在吊装施工时遭遇突发大风这一不利工况提供安全风险分析和应急预案参考。

(3)3D激光雷达虚拟预拼

采用3D激光雷达对钢板、杆件进行扫描，经过处理后生成三维模型与BIM模型验证进行质量验收，并进行虚拟预拼以消除累计误差。

5 结束语

怒江特大桥在项目实施过程中充分利用BIM技术可视化、参数化的优势，对技术管理包含的施工组织、施工方案、施工工艺、安全质量控制要点进行全方位、标准化模拟，在防范安全风险、强化质量控制、提高作业效率等方面发挥了极大作用，总结出钢桁拱桥数字化施工技术和适合山岭地形的桥梁施工全阶段BIM技术解决方案。

建筑信息技术已经历自动化、数字化、网络化走向智能化[13-14]，但目前BIM技术应用还存在模型与信息隔离、不同阶段分离的“孤岛现象”。从施工方的视角，至少有三方面的工作值得深入：一是摆脱软件桎梏，分领域形成BIM应用综合解决方案；二是转换思维，推动以施工方法和单元为核心的BIM标准贯穿全生命阶段，真正实现“一模到底”；三是基于BIM项目，进行施工重点要素的大数据管理与分析，探索施工阶段的智能辅助决策方案。