基于BIM的铁路转体桥梁施工精细化管理

     

     

     

     

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 Foun dation 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。

     

     

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。

     

     

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

     

     

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。

     

     

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。

     

     

表1 净空校正值计算

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。

     

     

图5 接触网拆改方案模拟

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。

     

     

图6 Revit桥梁模型

（1）Revit上部结构参数化建模

     

     

图7 上部结构箱梁模型

（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。

     

     

图8 下部结构模型

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Clash Detective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。

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

     

     

图9 转体施工可视化交底

（2）进度成本管控

     

     

图10 BIM进度成本管控

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。

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。

     

     

图11 BIM协同管理平台界面

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。

     

     

表2  BIM施工精细化管理效益表

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。