BIM 智慧工地的叠加联动——信息化技术在大型悬索桥的应用

随着技术的发展， BIM信息化技术已应用于各个领域。 目前，新型建筑工业化通过新一代信息技术驱动，以工程全寿命期系统化集成设计、精益化生产施工为主要手段，整合工程全产业链、价值链和创新链，实现工程建设高效益、高质量、低消耗、低排放的建筑工业化。 同时，在加快信息技术融合发展方面，提出了大力推广建筑信息模型（BIM）技术，加快推进BIM技术在新型建筑工业化全寿命期的一体化集成应用。充分利用社会资源，共同建立、维护基于BIM技术的标准化部品部件库，实现设计、采购、生产、建造、交付、运行维护等阶段的信息互联互通和交互共享。 试点推进BIM报建审批和施工图BIM审图模式，推进与城市信息模型（CIM）平台的融通联动，提高信息化监管能力，提高建筑行业全产业链资源配置效率。

深中通道是继港珠澳大桥之后，集“桥、岛、隧、水下互通”四位一体的又一世界级跨海集群工程。该项目在施工阶段通过应用BIM技术，减少了人工计算带来的误差，以及人工采集、处理数据工作的繁杂。通过自动采集数据，融合物联网、云计算、大数据等技术，对工程结构施工进行实时监测、海洋环境实时监测，实现了信息化施工管理，助力大型悬索桥施工精益管理，提升项目管理水平。

BIM技术是一种应用于工程设计、建造、管理的数据化工具，通过对建筑的数字化、信息化模型整合，在项目设计、施工和运营维护的全生命周期过程进行共享和传递，使工程技术人员对各种建筑信息作出正确理解和高效应对，为设计团队及建筑、运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础，在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用。

1.质心的计算

深中通道伶仃洋大桥索塔采用门塔设计，塔高270m。塔柱分节施工，标准节高度6m，钢筋采用部品预制，现场整体吊装、整体拼高施工工艺。塔柱截面为不规则八边形，塔柱截面由下往上，按一定的斜率进行收缩。因此各节段的部品钢筋质心不处于同一个地方，部品钢筋吊具设计困难。该项目运用BIM技术，对部品钢筋进行建模，通过BIM软件的计算功能，对各节部品钢筋理论质心进行精准计算，减少人工繁杂的计算过程。另外，不规则的支架，同样也可以用建模的方式进行计算。如现浇盖梁支架施工，支架吊装安全风险性高，如果吊点位置计算不准确，对三角支撑架安装会产生较大误差。同时，吊装时因为吊点位置的不准确，也会使支架受力不合理。因此，吊点位置的确定是吊装过程中一个关键步骤。

部品钢筋的重心计算

支架重心计算

2.荷载的计算

伶仃洋大桥门塔塔高270m，设置三道横梁，其中中横梁采用领结形设计，矩形截面。横梁端部顶标高+149.5m，中部顶标高+146.75m，端部高度13.6m、宽12.0m，跨中高度8.5m、宽7.5m，内部挖空高4.5m、宽3.9m，跨度约40m，中间由顶底面两段直线过渡。中横梁采用箱形构造，横桥向设置三道隔板，其中腹板壁厚2m～4.5m，顶底板壁厚2m～5.35m，三道横隔板壁厚分别为3m+3.5m+3m，混凝土总设计方量4363.7m3。根据西索塔中横梁特点，项目采用了牛腿桁架法以及混凝土分层浇筑施工。由于中横梁方量大，荷载重，对托架在施工过程中受力的安全性和刚度具有很高的要求，且结构为不规则形体，混凝土方量计算难度较大。因此项目通过BIM技术原尺寸建模，自动计算各分层混凝土方量，做到施工过程中对混凝土浇筑方量精准把控，控制各阶段托架所受的荷载，提高托架的安全性系数。

中横梁混凝土方量计算

项目实施过程中建立了标段内实体结构的BIM模型，通过对模型的碰撞检查，发现施工过程中的实体碰撞，通过模拟来减少后续施工的问题，避免返工等事项。其中通过建模，及时发现钢箱梁、猫道与主缆三者存在的碰撞冲突问题，如果钢箱梁按原设计方案制造及安装，提前架设锚碇区域钢箱梁，会导致猫道无法架设、主缆很难牵引且无法紧缆缠丝；若猫道先行架设，则在猫道架设和服役期，致使锚碇区域钢箱梁无法安装到位，须等到猫道拆除后，方可就位。由于锚碇区域钢箱梁安装实施占用主线工期，所以会严重影响桥梁贯通计划工期及通车时间。通过模型进行多次模拟检查，优化方案设计，可使得工程顺利开展。

钢箱梁和主缆（猫道）位置关系示意图

利用 BIM 模型对专项施工方案或重要施工作业方案进行模拟、验证、分析，可提高其可行性；同时利用 BIM 模型的三维可视化特点，可辅助方案评审及技术交底，提高沟通及工作的效率。该项目运用BIM技术对基础围堰、索塔部品施工以及上部构造施工等多项重大施工方案进行了动画模拟,通过将方案视频模拟化，各项工艺、工序详细讲解，使方案在安全技术交底中更加具体。

筑岛围堰施工方案模拟

索塔施工模拟

伶仃洋西锚碇采用重力式锚碇，且全部位于水中。锚碇基础采用8字形地下连续墙基础，直径2×65m，基础顶标高+3.0m，基础底标高-38.0m，锚碇基坑深度达到41m，土体开挖总方量为219046.6m3，单层（层高3m）开挖方量约为16026m3。该项目采用了海上人工筑岛围堰，形成陆域施工场地后进行锚碇施工。锚碇基坑距离护岸最近约14m，需监测开挖过程对护岸的影响，基坑开挖监测控制要求高。项目通过预先埋设监测元件，在人工岛锚碇基坑开挖过程中，收集监测元件信息，通过接口程序自动上传至信息化监测系统处理数据，实时监测围堰结构的受力情况。同时将数据信息实时同步至手机APP，现场人员实时查看数据分析及预警状态，确保施工过程中结构的安全性。

基坑开挖实时监测

大桥所在地气温较高、日晒充足，混凝土浇筑温度控制难度较大；同时项目内构件体积大，单次浇筑厚度较大，混凝土温升控制不当时，极易因内表温差产生较大温度应力而导致开裂。其中，西锚碇单幅锚体总方量达到了37016m3，单次最高浇筑混凝土4945m3（层高3m）。因此，项目采用了埋设传感器，实时采集混凝土浇筑后的内部温度，实时上传混凝土温控系统，通过系统内高效数据处理分析，及时对现场混凝土温控措施修正。

大体积混凝土温控系统

为提高上部结构系统智能化运行程度，实现系统整体运行过程的物联网监控与后续基于数据的信息化应用管理，建设物联网智能数控平台的核心需求，利用云计算服务和大数据平台的高效处理能力，基于完善的数据采集传输与分析处理服务，通过建立各项数据的关联分析和对系统运行过程的数据可视化监管和智能化响应预警，实现信息化施工管理，提升项目管理水平，提高对机电设施、运行管理、突发事件的快速处理与自动控制，是该项目信息化数据监控应用服务所需达到的建设目标。

信息化系统平台整体架构设计

1.索股温度监测

索股温度监测将过江索股束分成9个断面进行监控，利用PT100测温探头实时监测其温度变化，其中每个索股束断面监测5个温度值（分别分布在断面的中心与中心四周）。确保在相同温度科学合理地安排各个断面监测的位置，掌握整条索股牵引绳的温度变化与数据。平台按温度分析模型自动评估断面是否达到调索要求，下达调索指令至相关人员执行。

上部构造信息化监测系统

2.风速监测

大桥地处珠江口，横跨伶仃洋，位于海中间，属于纯离岸工程。桥址区降水量多且强度大，气候复杂多变，灾害性天气频繁。每年5月至9月雷暴天气频发，降雨多，持续时间长。上部结构施工受雨季、台风影响非常大，风速越大，索股晃动幅度越大。通过风速仪实时监控风速，将风向、风速等信息及时推送至管理平台，相关人员通过风速等级，判断是否达到调索要求，下达调索指令至相关人员执行调索任务。

本项目在施工阶段应用BIM技术，减少人工计算带来的误差，以及人工采集、处理数据工作的繁杂；通过自动采集数据，融合物联网、云计算、大数据等技术，对工程结构施工进行实时监测、海洋环境实时监测，实现信息化施工管理，助力大型悬索桥施工精益管理，提升项目管理水平。