专业论文｜郑济高铁长清黄河特大桥设计及施工阶段BIM技术研究

齐成龙

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300308）

中图分类号: U442.5; U445 文献标识码: A

DOI: 10.13238/j.issn.1004-2954.202202080005

1、项目背景

郑济高铁长清黄河特大桥位于我国山东省境内，依新建郑州至济南铁路工程（山东段）跨黄河主槽而设，引桥由多联预制装配式及现浇连续梁组成，主桥总体设计为(108+4×216+108)m多塔双索面预应力混凝土矮塔斜拉桥，主梁为预应力混凝土结构，桥塔采用钢筋混凝土结构，桥塔根部设置型钢，斜拉索采用扇形布置，桥上铺设CRTSⅢ型板式无砟轨道。本工程BIM 技术应用面临以下3个难题。

综上，重点从BIM标准部署、辅助设计软件研发、施工阶段BIM技术应用3个层面进行研究。

2、BIM标准部署

铁路BIM标准体系框架如图1所示，以技术标准和实施标准作为分类原则。技术标准分为数据存储标准、信息语义标准、信息传递标准^[16-18]，其主要目标是为实现铁路建设项目全生命周期内不同参与方与异构信息系统间的互操作性^[19]，用于指导和规范铁路BIM软件开发，主要面向IT工具。实施标准是从资源、行为、交付物、协同管理四方面指导和规范铁路行业规划、设计、施工、建设管理、运营企业实施的BIM标准。

图1 中国铁路BIM标准体系

为实现BIM技术标准在通用软件平台中的部署，考虑铁路BIM标准尚在发展中，由厂商硬编码实现容易造成大量的资源浪费，也不利于标准的迭代优化。为此，制定了由BIM平台提供客户化定制的机制，继而通过试点工程迭代优化标准的代理方案。

在此代理方案中，将信息的扩展分为两大类型，一种是行业标准信息，一种是企业标准信息。企业标准信息并不包含在最终的对外交付模型中，但在具体企业协同平台中是存在的。如此，既保证信息向下游传递时的有效性，满足企业内部协同，同时也有利于保护企业知识产权。

平台管理端提供手动添加IFC的扩展方式，依次建立扩展Package、Type、Extension 和 Attribute。将标准提交应用后，在平台管理端和客户端同时支持新的标准定义。

3、辅助软件开发

将计算机图形学理论、BIM软件的数据结构及其开发框架，与专业化铁路桥梁设计流程融合，开发具备简支梁、连续梁、桥墩、基础设计功能的桥梁BIM设计系统。

3.1.1 简支梁BIM设计

在BIM生产项目实践过程中，逐渐积累丰富的模板库，使用达索系统软件catalog功能高效管理模板设计成果。综合运用等截面实体、多截面实体、拉伸、剪切、布尔运算等三维几何造型功能创建简支梁精细化BIM模型，调用达索系统软件Assembly Pattern功能，分别选择简支梁模板与装载坐标系的几何图形集，最终完成各类简支梁的批量实例化。

3.1.2 连续梁BIM设计

基于达索系统CAA架构，开发预应力混凝土连续梁桥BIM设计工具，该工具嵌入到达索系统软件内部，以用户界面对话框和Excel表格作为数据输入媒介^[20]。在模块设计方面，通过界面模块、特征模块、节段拓扑模块，使用户定义特征从虚拟的可派生基类逐步具体化成为可视的拓扑形状，并最终组装成全桥BIM模型，交互界面如图2所示。

图2 连续梁BIM设计工具用户交互界面

3.1.3 桥墩BIM设计

首先，通过达索系统软件Component Family模块将桥墩一级模板分解为离散于数据库中的二级模板，同时为二级模板的几何参数和属性赋值；继而，进行CAA二次开发，编制桥墩二级模板组装程序，该程序从数据库调取满足属性要求的二级模板，并将二级模板移动至与骨架坐标系重合，循环操作，实现全桥桥墩的快速、批量BIM建模。

3.1.4 基础BIM设计

使用达索系统CAA架构开发基础批量BIM建模及审核程序，本程序具备批量创建基础模型并以excel表格的形式输出设计数据以供审核的功能。从开发角度上讲，本程序同样分为界面模块、特征模块、几何拓扑模块3部分^[21]，几何拓扑模块用于生成承台和桩的CATBody类型拓扑结果；特征模块将桩和承台各自封装为一种面向对象的模型，并调用几何拓扑模块实现特征显示；界面模块调用特征模块实现批量建模。

提出一套铁路预应力混凝土桥梁结构精细化BIM建模方法，并开发精细化BIM设计软件；提出一种与施工紧密结合的钢筋优化设计方法。

3.2.1 钢筋及预应力钢束三维精细化设计

研发梁体钢筋空间分布算法，精确计算钢筋在混凝土结构内的分布坐标，继而采用以横断面节点连线为大样、纵向节点为间距的空间布置方式，快速创建混凝土梁体钢筋BIM模型，如图3所示。对于预应力钢束，通过分别描述两垂直平面内投影曲线的线型，并编写空间曲线拟合算法，将两个垂直平面线型合成为空间曲线^[22]，实现空间预应力束的参数化建模。获取重新排序后的预应力束空间节点坐标后，引用预应力钢束规格数据，建立预应力钢束BIM模型，如图3所示。

（a）普通钢筋BIM模型

（b）预应力钢束BIM模型

图3 普通钢筋及预应力钢束BIM模型

3.2.2  钢筋优化设计应用

利用钢筋混凝土桥梁结构精细化BIM设计软件开发成果，通过BIM技术提供的可视化、可优化功能，对钢筋混凝土结构开展深化应用，从结构安全、技术方案及工程措施3个层面进行优化设计，可以解决局部复杂位置钢筋与钢束及其他构造干扰的问题，以及连续梁零号节段振捣不密实、蜂窝麻面等质量通病问题，提高了钢筋混凝土结构的施工质量。

如图4所示，为便于连续梁的混凝土浇筑，创建包含混凝土、钢筋、预应力钢束、下料孔、振捣孔在内的BIM模型，采用干涉检查的方法发现下料孔（蓝色）需避开纵向预应力管道（粉色），施工前精确分析各构件的空间位置关系，提前采用三维参数化手段并结合有限元计算优化钢筋设计，调整下料孔周围钢筋布置，避免施工过程中混凝土蜂窝麻面情况。

图4 下料孔与纵向预应力立面关系示意

4、施工阶段BIM技术应用

在BVBS基础上研发一种新的钢筋自动加工数据格式，该数据格式包含了编号、数量、等级、直径、弯曲规则、弯钩情况等加工所需信息，而上述内容恰恰完整体现在钢筋混凝土结构精细化BIM模型中。因此，开发数据处理程序，通过解析BIM模型，从设计信息自动化、批量化地提取加工数据。

开发钢筋加工数据智能管理云平台，实现基于云端的数据管理、加密与交付。钢筋加工管理系统从云端接收到数据后，对数据进行分配，最终驱动设备完成钢筋加工，完整的技术流程如图5所示。

图5 钢筋自动化加工技术流程

通过GIS平台二次开发，形成具备三维可视化功能的工艺级4D仿真软件。以BIM设计成果和三维数字地形为输入条件，基于桥梁结构EBS分解，并与施组紧密结合，结合4D仿真软件开发成果，实现桥梁工程4D施工仿真解决方案。

4.2.1 基于GIS的仿真软件开发

基于3DGIS和BIM技术，开发三维可视化施工仿真软件，实现铁路桥梁工序级及常规工艺级虚拟施工。开发成果操作更简便、场景真实度和准确性更高、使用成本更低^[23]；数据接口丰富，可直接使用勘察设计坐标系、DEM、DOM、倾斜摄影三维实景模型、地理矢量标注、BIM模型成果；具有可视化、可演示的功能，既可为虚拟施工视频提供图片、动画素材，也可独立进行演示，修改便捷，可用于桥梁工程技术交底、施工方案优化等，如图6所示。

图6 高铁桥梁施工仿真

4.2.2  4D施工仿真技术路线

桥梁工程4D施工仿真解决方案为一套完整的基于BIM和三维GIS技术的桥梁工程施工仿真技术路线，具体包括以下步骤：

该技术路线能够实现高精度、完整、大范围桥址环境下的施工仿真，并在信息化系统集成方面具有优势。

4.2.3  桥梁4D施工进度模拟

以桥梁4D施工进度模拟为例，介绍本解决方案在应用过程中的关键步骤。

①基于施组的桥梁工程模型分解。遵循EBS分解原则对结构模型进行分解，分解过程中需要满足结构类型、轻量化需求等约束条件；为便于应用及管理分解后的各部分模型，制定分解后模型的命名规则；最后为表达出分解模型之间的逻辑层级关系，建立桥梁工程分解模型结构树组织规则。 

②工序级施工计划编排。根据施工工艺流程，将施工过程分解为施工准备、下部结构施工、梁部结构施工、拱部结构施工、附属结构施工等5个子过程。

③施工工序表现。通过工程主体模型、工程辅助模型的分解和构件级显示控制，表现施工工序。通过信息树对象开关控制模型的显示，或事先设定每个构件显示的时间段，然后通过时间过滤实现工序的关键帧动画表现。

④施工工法动画模拟。将构件模型按照相对定位方式导入到三维GIS平台，通过模型移动、关节旋转控制，实现可控的过程模拟。基于三维GIS平台的API接口，开发动画脚本工具，进行特定类型动画的任意编辑和控制。

⑤施工机械模拟。为实现机械参数和模型动画的封装，根据施工机械的作业动作，按关节进行模型分解，如图7所示；对关节和分解模型进行层级划分，并根据层级关系建立上下级模型的空间附着关系以及关节类型、参数变量。

图7 施工机械模拟

4.3.1 平台功能概述

本平台是基于“云+端”技术体系，结合BIM、GIS、云计算、大数据、物联网、人工智能等技术开发的项目综合管理平台。其原理是将BIM模型和设计属性信息导入3DGIS平台，形成三维信息数据库，赋予用户在web端、移动端进行模型及信息的浏览和查询权限。将桥梁施工管理流程与系统开发架构融合^[24]，实现三维可视化的项目进度管理、安全管理、质量管理、计价管理、资料管理、信息管理等功能。通过视频监控、门禁系统、环境监测设备、机械设备等的挂接及数据分析，实现数字工地建设。

4.3.2 三维电子沙盘

平台的“电子沙盘”模块通过模型浏览功能展示全桥三维建造场景，该场景完整保留了BIM设计成果的几何、材质、属性、资料信息。同时，施工过程逐渐产生的进度、质量、安全信息也可以在当前模块以三维交互的方式查询。如图8所示。

图8 三维电子沙盘

4.3.3 经营分析管理

平台将计价清单填报结果和工程实际施工进度情况相结合，在后台计算出各时间点的产值，以直方图对比展示月度计划完成产值、实际完成产值、开累完成产值，以饼状图展示项目总产值和开累完成产值情况。如图9所示。

图9 经营分析统计结果展示

4.3.4 数字工地功能

本施工管理平台与现场的环境监测设备、门禁设备、视频监控设备关联，动态获取、存储、统计环境监测数据，劳务人员身份数据、出勤数据、作业队隶属关系数据，以及视频流数据。实现对施工现场的实时环境状况、历史环境监测结果统计、查询，劳务分析、人员统计、作业队工作情况的宏观分析，并通过远程视频的方式查看现场施工情况。如图10所示。

图10 环境监测数据统计分析

5、结语

以郑济高铁长清黄河特大桥工程为背景，从BIM标准部署、辅助设计软件研发、施工阶段BIM技术应用3个层面对高速铁路桥梁 BIM 技术进行了较为全面的探索。最终形成一套覆盖标准部署、三维设计、仿真模拟、施工管理的完整BIM解决方案，并将上述解决方案在实际项目中进行应用验证，有效提升了高速铁路桥梁工程设计与施工阶段的质量和信息化水平，推动中国铁路由传统建设体系向新时期智能建造模式的探索和转变。

后续将进一步基于全生命周期理念，加深人工智能、数字孪生等技术在桥梁建造、运维方面应用研究，实现BIM信息由设计阶段向施工阶段、竣工交付阶段、运维阶段的无损传递，进一步提升高铁桥梁工程信息化水平。