桥梁智造背后：“BIM ”多元化整合——“BIM ”技术在平陆运河旧州特大桥项目中的深度应用

在桥梁工程领域，BIM技术的基础应用早已发展至相对成熟水平，但在创新应用方面仍存在技术短板。为满足当下智能化、数字化、信息化施工需求，BIM技术与其他前沿技术的整合应用才是促进发展的必由之路。

为提高智能化建设水平，打造智慧广西的新名片，平陆运河旧州特大桥项目在建设过程中，将BIM技术与倾斜摄影、数字孪生、三维激光扫描等多项前沿技术创新整合，将智能建造理念贯彻于特大桥施工建设全周期。“BIM+”技术的创新整合，在平陆运河旧州特大桥拱肋节段低位立拼、中段拱肋整体提升合龙等多个重难点施工过程中得到了深度应用，做到了施工关键数据多元化采集、信息化实时分析、数字化辅助决策、智能化指导施工，为施工工作高质高效开展提供了强有力的技术支持。

图1 平陆运河旧州特大桥施工现场航拍图

施工方案模拟比选是BIM技术的一个常规应用点，但在实际应用过程中时常出现BIM建模沙盘模拟与现场实际施工出现偏差的情况，归根结底的原因在于BIM建模无法准确反映出施工现场地形情况、临时结构物布设情况、施工机械设备排布情况、施工材料存放管理情况，导致方案模拟比选演变成了“纸上谈兵”。而BIM建模沙盘模拟想要贴近施工现场实际情况需要耗费大量的时间、人力、成本才能达到效果，且沙盘更新存在一定的滞后性，不利于实际指导施工。

基于这一现状，项目引进了倾斜摄影技术，与BIM技术创新整合应用。参考现场施工临时结构物布设情况、施工场地范围、现阶段施工重点分部工程等多个因素制定了航测方案，使用量测级无人机并搭载专业量测相机对施工现场影像数据进行采集，利用采集数据建立施工现场实景三维模型，确保能1:1还原施工现场实际情况。进一步通过模型轻量化、数据格式转换等技术手段将BIM模型、实景三维模型在同一软件中载入，以实景三维模型为电子沙盘基座，BIM模型为参与模拟的动态模块，完成真正意义上的施工方案模拟比选。通过倾斜摄影技术得到的实景三维模型仅需要半天的时间及两名测量人员就可以完成高精度的建模工作，需投入的人力、时间较低，可以通过周期性建模形成施工过程中的数字化档案，在应用时更具备时效性。

在拱肋节段低位立拼施工过程中，通过“BIM+倾斜摄影技术”的应用，完成了缆风绳、自重式地锚等施工临时结构物的布设模拟，成功规避了电缆线、水管线路、河道等多处障碍物，实际施工放样位置坐标与方案模拟提取位置坐标偏差小于1cm；整合技术的创新应用还使施工现场设备使用效率提高约百分之二十九；通过合理规划场地布设方案，优化结构运输轨道，在完成节段运输的同时，将有限的场地最大化利用。

图2 BIM+倾斜摄影技术应用于方案设计

中段拱肋提离立拼支架到完成合龙的过程中，重达1800t的中拱大节段始终处于悬浮状态，如若提升就位后无法快速高精度合龙，在外部荷载（如风荷载）影响下，将会产生巨大的安全隐患。而提升就位后才开始进行拱肋节段轴线偏差的调整、控制合龙精度等工作，需要承担巨大的施工安全风险。因此，必须从拱肋节段低位立拼这一工序开始，就对拱肋轴线偏差进行有效控制。传统的拱肋轴线偏差测量方法存在不小的技术弊端，通过立杆测量无法保证立杆位置处于弦管轴线位置上，且以测量点反映整体轴线偏差存在一定的测量误差。

BIM技术与三维激光扫描技术的整合应用恰好可以攻克这一技术难题。在完成拱肋节段拼接后，使用高精度三维激光扫描仪对已拼装节段进行全局扫描，将扫描得到的三维点云数据进行去噪、修整等精细化处理。将处理后的三维点云模型与BIM模型进行3D拟合对比，以三维视角了解正向BIM模型与逆向三维点云模型偏差，提取偏差值并确定偏差分布范围。以此为依据，对当前已拼装拱肋节段的轴线偏差进行纠正，并在后续拱肋节段的拼装过程中预留焊接收缩量，对后续拱肋节段的拼装进行有数据支撑的精细化管控。在全部拱肋节段拼装完成后，可通过扫描边段拱肋与中段拱肋的三维点云数据，在计算机中完成模拟预拼装，为整体提升就位后的高精度快速合龙打下坚实基础。

图3 节段拼装过程三维激光扫描

图4 BIM模型与点云模型3D拟合对比

通过“BIM+三维激光扫描技术”的应用，全桥共16个合龙口的最大合龙轴线偏差为9mm，合龙时调整对接仅用时约30分钟。“BIM+三维激光扫描技术”的应用使中段拱肋在提升就位后，实现了与边段拱肋的快速高精度合龙，在保证施工质量的同时，很大程度上规避了施工过程中的安全风险，以数字化手段克服了实际施工难题。

中段拱肋整体提升施工工序是平陆运河旧州特大桥施工过程中的最难点，施工过程中需要实时关注中段拱肋姿态变化情况、提升塔架受力情况、地基沉降情况等多方面数据，且施工时间长达数十小时，很难依靠个人或团队完成施工过程中的关键数据判断分析，同样无法实时根据数据做出最佳调整决策。

项目通过引进数字孪生技术，与BIM技术整合应用，完美解决了这一技术难题。为实现特大桥整体提升时的智能监测，精确控制中拱大段在整体提升过程中的结构状态。项目建立了“数字孪生智能显控系统”，数字孪生系统可对提升过程中的各项数据进行实时监测并自动做出反馈调整。基于BIM技术对整体提升过程中涉及的主体、临时施工结构物进行精细化建模（LOD400+），以BIM模型作为数字孪生系统场景基座。在施工场地范围内选择最佳监测点，布设自动追踪测量机器人、形变雷达、高清摄像测量仪等多元监测设备。通过自主开发的4G数据传输模块将数据传输至SQL数据库，数字孪生系统直接从数据库中获取数据进行实时分析，并通过系统场景内的BIM模型进行三维可视化展示。同时，系统配备了基于C#语言开发的数据智能分析模块，通过模块内的智能阻断算法，在施工关键监测数据达到临界值时，自动给出调控建议。在指挥人员授权下进行自动化智能调控，当施工关键监测数据达到超限值时，系统通过阻断算法判定并发出阻断指令，停止当前施工，对如中段拱肋侧面碰撞剩余距离，偏航角、俯仰角、翻滚角等数据进行调整纠偏后，通过指挥授权方可继续施工。

通过数字孪生系统的应用,实现“状态感知、数据融合、算法分析、反馈输出、设备响应、精准调控”的大段拱肋整体提升高精度、高效率、智能化、可视化施工。在数字孪生系统助力下,中段拱肋实现拱脚四点毫米级高程偏差的稳定提升。

图5  数字孪生智能显控系统

图6 VR技术

为加强平陆运河旧州特大桥施工期间的各项管理力度及提高管理效率，通过与“BIM+”技术的整合应用，开发了“基于BIM的钢管混凝土拱桥管理系统”。系统主要针对项目产值进度、大桥工程进度情况、安全生产、大桥进度节点动态等内容进行全方位管理。

其中，安全管理主要是让管理人员通过人工管理，对安全交底、每日的安全巡检记录等留痕手段进行控制。质量管理主要通过施工组织计划，工程试验记录文件，施工材料、机械的计划管理等手段控制。其中最主要的是系统根据特大桥不同的部位构件都配备了对应的施工工艺流程图，流程图中留存了管理人员上传的现场质量检测试验资料等，让施工管理人员真正参与到信息化管理制度中并留痕，方便以后资料的可溯源。工程进度管理可通过查看特大桥BIM模型进行，模型关联现场施工管理人员填报的数据，可直观地了解到特大桥已施工的分部工作，及正在施工进行中的主体工程。不仅如此，系统还配备了特大桥施工现场720云信息展示模块，记录了特大桥从开始施工到当前施工阶段的全景数据，为后期施工信息追溯留下数字化档案。

图7 钢管混凝土拱桥管理系统界面图

图8 虚拟仿真

基于BIM技术研发的钢管混凝土拱桥管理系统在实际应用过程中效果良好，系统收集归档的数据均为施工现场一手数据。具备真实数据是做出准确决策的前提条件，通过该系统的应用，使施工工期与前期计划相比节省了20天以上，累计节约施工成本36万元以上，实现了以信息化技术促进降本提效生产。

“BIM+”技术的多元化整合应用，不仅助力项目攻克了平陆运河旧州特大桥重难点施工过程中的一个个技术难题，还提高了常规施工工作的管理效率及质量。倾斜摄影、数字孪生、三维激光扫描等前沿技术与BIM技术的融合交汇，也在实际应用过程中碰撞出了更具有创新性的火花。多元化整合应用为桥梁工程建造技术的发展提供了新的可行思路，也为“交通强国”这一伟大愿景的达成添加了强有力的发展动力。