跨越磁悬浮轨道桥梁工程涉及专业众多、安全要求高、施工组织复杂, 国内外的研究几乎为零, 将BIM技术应用在跨磁悬浮轨道桥梁工程中, 基于参数化建模和信息共享平台, 进行深化设计、精确统计工程量、模拟施工过程等, 不但可保证工程的质量安全, 还能建立科学的管理体系, 培养一批技术卓越的人才, 为以后相关领域的项目开发与建设提供有价值的借鉴。

长沙市黄花国际机场大道枢纽工程主线高架桥pm48～pm51为等高等宽的连续钢箱梁, 孔跨布置为 (23.85+39.15+27) m, 全长89.9m, 梁高2m, 梁面宽17.8m。主跨39.15m (49～50号墩) 上跨磁悬浮轨道桥, 梁底距磁悬浮轨面约4.2m, 采用双导梁顶推法进行钢箱梁架设, 顶推长度50.4m, 边跨采用吊装法架设, 吊装长度分别为21.45, 18.05m, 全段钢梁均采用Q345qD钢, 总重约835t。

在国内, 跨越磁悬浮轨道桥梁工程缺少先例, 可借鉴的资料匮乏, 经验不足;预制钢箱梁的工程量大, 施工作业场地狭小, 增加连续顶推的技术难度;既要按时完成项目建设, 又要保证既有线路运营, 使得工期更加紧张;由于磁悬浮轨道安全保障要求高, 需时刻注意施工对周边道路、交通、环境等造成的影响, 使得干扰因素不断增加, 给施工带来不便。

传统CAD图纸反映的是二维平面图形, 图层繁多, 抽象难懂, 需要丰富的想象力和工作经验。应用BIM技术后, 可以发挥其可视化特征, 将各专业、各平立剖面图纸整合到一个公共的三维立体模型中, 跨磁悬浮轨道桥梁工程的BIM效果如图1所示, 施工前便在管理与施工人员脑海中留下深刻的视觉印象, 便于技术交接。模型构建后, 可随时进行各视角的缩放查看, 不仅形象生动, 而且关于项目的所有数据都会附着到模型中, 如构造、材质、厂家等, 大大提高信息化水平与效率, 增强协调性。

将图纸上的二维平面转换为三维立体模型时, 图纸中隐藏的许多问题便会显露出来, 变得直观可视。在本项目中, 工程部提供并确认各专业的施工图纸, 由专业BIM顾问建立项目的三维模型, 并与图纸进行核对, 若发现问题, 及时向工程部发出图纸疑问报告, 待工程部与设计方确认后, 将反馈信息传达给BIM顾问, 由其对模型进行更新维护, 使得工程图纸得以完善, 从而达到深化设计。如图2所示, 通过BIM技术发现图纸中预埋钢板尺寸133cm×117cm大于垫石尺寸115cm×115cm, 因此决定上、下垫石尺寸暂按165cm×165cm处理。

对于图纸工程量的获取, 传统手算不仅工作量大, 还易出现多算、漏算、错算等问题。而BIM技术建立的模型能识别不同种类构件, 按照构件的不同性质、尺寸、体积等分别统计工程量, 提供精准详细的数据信息, 一旦更改某处设计, 其他地方内容也会立刻更改, 并在表中反映, 从而配合项目做好工程量管控工作。本项目中, BIM顾问通过建模输出工程量清单, 统计后整理成报告, 并对模型量和设计量差别大的构件重新审核, 确认哪个量有误, 将有量差部分构件反馈给项目部, 由项目部做出修改批复。本项目在工程量对比时发现的差别如表1所示, 可见桥墩的设计量与模型量相差较大, 均达到20%以上, 需引起重视。

传统CAD设计会存在许多构件碰撞问题, 但由于平面图纸的局限性难以发现。应用Navisworks等软件, 设置一定的碰撞检查规则, 便可快速找出相应的碰撞点, 并生成碰撞报告, 其中每条碰撞信息都包括碰撞类型、碰撞深度、具体三维情况等内容。本项目针对需检测的部位分类型建模, 然后导入Navisworks中进行碰撞检测, 获取报告, 整理后向项目部反馈。项目部将信息传达给设计人员, 帮助他们及时合理地调整方案, 避免工期延误或返工。如图3所示, 检测到50号桥墩的预应力钢筋与箍筋碰撞。

本项目属于黄花国际机场大道枢纽工程主线高架桥pm48～pm51桥段, 其钢箱梁上跨磁悬浮轨道, 为尽量减小钢箱梁施工对磁悬浮轨道列车运营的影响, 钢箱梁中跨39.15m选择顶推施工, 两端边跨采用汽车式起重机吊装的方法进行梁体就位。由于钢箱梁是在浇筑好的混凝土箱梁上拼装并顶推, 因此, 顶推到位后需落梁, 落梁高差约3.3m, 具体施工工艺如图4所示。应用BIM技术后, 可形象地模拟施工过程, 打破文字和流程图的冗长杂乱, 使得整个过程具体、生动, 便于管理者、施工人员理解和记忆, 提前注意到施工中的关键节点, 待实际施工时可从容面对各种问题。

在BIM平台中, 可查看顶推系统中各组成示意图与标识, 如顶推器、导梁、纠偏装置、滑移胎架等, 为顶推过程的模拟奠定基础, 胎架布置如图5所示。为尽量减小顶推施工对磁悬浮运营的影响, 顶推施工需在磁悬浮天窗期进行, 天窗期为深夜至凌晨, 时间短而间断, 因此利用BIM技术提前模拟一遍起到重要作用。虚拟施工通过一系列连续的动画展示整个顶推过程, 如图6所示, 色彩鲜明易于区分构件, 顶推细节也可着重观察。同时, 在实际施工中, 可将真实顶推过程与模拟图像做对比, 发现存在出入的地方不断完善BIM技术。

在本工程中, 由于中跨钢箱梁是在浇筑好的混凝土箱梁上拼装, 因此水平顶推到位后需落梁, 利用落梁系统将钢箱梁下放至设计标高, 落梁高差约3.3m。这一过程在实际施工中因速度慢而导致观察效果不明显, 应用BIM技术可超越现实中时间维度的局限性, 以视觉可捕获的速度展示落梁过程, 如图7所示, 清晰明了, 印象深刻, 有利于技术交接。

在BIM模型中, 将钢箱梁的每个节段分为6块, 如图8所示。根据场景模拟, 可直观看出两侧场地较为开阔, 故安排吊装节段7, 8时吊车始终在左侧, 吊装节段1, 2时始终在右侧。对于吊装顺序, 先横向吊装1个节块, 然后吊车后退一定距离, 吊装下一节块, 如吊装节段2时, 吊车横向吊装顺序为2-5, 2-4, 2-6, 2-3, 2-2及2-1;吊装节段7时, 吊车横向吊装顺序为7-2, 7-1, 7-3, 7-4, 7-5及7-6。待全部节块吊拼完成后, 整体进行焊接并涂装, 涂装完成后拆除支架, 全桥合龙。可见, 单凭文字和数字描述吊装过程显得十分复杂, 但有了BIM技术的动画模拟, 便显得逻辑清晰、简洁易懂, 如图9所示。施工单位可在吊装时用BIM视频做指导, 能够很好地把控吊装顺序与时间, 提高施工效率。

质量安全是跨越磁悬浮轨道桥梁工程施工中重要的控制对象, 可利用BIM数字化模型在检索、判别、数据整理等方面的优势, 对施工项目进行质量跟踪, 将现场采集的信息通过手机端上传共享云端进行发布, 对存在的质量安全问题展开责任认领、及时整改, 并设置已读、未读标注。

本项目中, 现场检查人员将现场施工情况录入BIM模型, 用BV移动端拍摄照片上传至BE平台, 并通过专业APP、微信、QQ及短信等方式提醒相关人员进行整改, 通过APP上传质量安全问题记录。相关人员收到整改信息后, 到现场将问题改正, 并拍照上传回复;检查人员查看整改后的照片, 确认无误后再结束本次协作。项目人员可在系统中查看整个问题的解决流程, 从而把控工程质量安全。

项目的施工进度直接决定工期长短, 与质量、成本息息相关。在BIM-3D模型中加入时间这一维度, 达到BIM-4D的效果, 即在确认好现场构件施工工序和沙盘的工序状态后, 运用移动端BV, 将现场施工情况录入BIM信息平台, 对施工过程进行仿真模拟, 同步显示施工进度情况, 如图10所示, 方便项目管理人员随时随地查看现场施工情况。当某阶段的施工完成后, 可对比实际进度与计划进度, 若存在较大偏差, 则需立即查找原因, 调整后期计划, 以便控制整体施工进度。

BIM技术具有高度的信息共享性, 能将项目建设过程中所有资料通过数据形式汇集在同一个平台上, 完善管理制度, 提高管理效率。在跨磁悬浮轨道工程中, 工作人员通过BE平台制定资料分类标准后, 再分类上传现场及竣工验收资料, 并将项目过程资料与模型进行关联, 便于检索, 提高利用效率。同时, 为了确保部分资料的安全性, 在BE平台中设置权限, 只允许相关人员查看。

在项目建造过程中, 人员配备、调动等是关键环节, 尤其面对大型或高难度项目时, 合理的人员调控可提高施工管理效率。采用BIM技术对劳务人员展开信息化管理, 创建“一人一证”的管理模式。将工人的电子身份证信息通过计算机端与手机端进行录入及查询, 快速获取工人的基本信息、安全状态信息、进出场时间、工种等数据, 并将关于每名工人的全部电子文档有序归纳, 生成端口独有的二维码贴到安全帽上, 便可通过BV随时查看、更新人员信息, 加强对现场人员信息化管控。

在日常工程管理中, 项目人员需随时获取各类动态信息、了解工程进展情况、把控关键部件制作质量、维护现场设备等, 如果采用传统方法进行管理, 不但费时费力, 还会出现信息难记录、难统计、难查询等一系列问题。二维码结合BIM技术实现全过程可追溯的管理理念, 将所有机械、设备均以唯一的“二维码电子身份证”进行全面覆盖, 如图11所示, 达到“一机一证”效果。在施工现场, 可通过手机扫描二维码的方式记录信息, 满足施工过程中人员、设备、流程管理及工程信息展示的需求。所有关于机械维修、文件传达、人员调动等信息都可在平台上查询, 还会自动提醒机械的定期保养时间。

提前设定无人机的拍摄航线, 获取现场各时段内人、材、机的布置及进度情况, 并与BIM施工模拟进行对比, 便于掌控和调整施工进度及部署, 加强总平面管理, 保证进度目标。应用虚拟现实引擎技术, 将BIM模型及其数据快速融入VR平台, 无缝对接, 以VR方式浏览模型, 如同游戏一样可接入VR头盔。通过全景三维激光扫描技术, 在不同阶段分别扫描施工现场的整个工作面, 得到的全景图形经软件处理后生成点云模型, 再同全站仪实测数据和BIM模型展开精度对比, 从而得到三者间的差距, 检测施工质量。基于虚拟现实, 应用AR人机交互技术, 将虚拟数据信息同真实环境叠加起来, 向用户输出一种极具感官效果、场景丰富的画面, 增强现实, 烘托现场施工效果。

本项目在应用BIM技术模拟顶推、吊装施工过程时, 虽然动态性与真实性较强, 但流动的画面不易于吊装顺序的凸显, 容易混淆记忆、忽略细节。因此, 项目组参照模拟视频绘制CAD抽象图纸, 将各关键环节的逻辑关系梳理成静态图示, 专业指导性强, 重点突出, 再与BIM施工模拟结合应用, 效果更佳。

BIM虚拟施工只是单纯的模拟本段施工工艺, 未考虑其他因素, 在实际操作中会存在偏差。本项目因旧桥拆除、道路交叉、车流量大等因素, 使得施工会影响正常交通, 因此, BIM小组在调研基础上建立现场交通疏解模型, 如图12所示, 对车辆实行分流, 其中出机场车辆在磁悬浮底红绿灯处左转进入临空南路, 进入机场车辆由临空南路右转直接进入, 有效减缓项目施工对机场交通带来的影响, 提高施工进度模拟的精准性与可靠性。

目前, BIM技术主要应用于翻模、计量计价、施工模拟几个方面, 但都是较浅显操作, 应用深度不够, 且在前期方案策划、后期运维中尚未涉及, 在实际施工中的应用也很低, 难以做到全过程真正指导施工。若前期能合理应用BIM技术, 让各方参与进来, 不仅能更好地满足业主要求, 还能充分结合施工方的经验与建议, 不断优化设计方案;若施工阶段能全面应用BIM技术, 做到实时监督、动态管控, 能有效简化环节, 提高施工效率, 节约成本。

本文以长沙黄花国际机场大道枢纽工程为例, 研究BIM技术在跨越磁悬浮轨道桥梁工程中的应用。在搭建BIM模型的基础上, 核对图纸、对比工程量、进行碰撞检验, 从而达到深化设计的效果。在项目施工过程中, 可通过BIM技术模拟顶推、落梁、吊装等具体施工工艺, 形象生动, 加深关键节点的印象;发挥BIM技术具备的检索、判别、数据整理等优势, 对项目施工进行质量跟踪, 及时整改问题;运用移动端BV, 在BIM共享平台中录入现场施工情况, 进行仿真模拟, 同步显示施工进度。通过资料共享、劳务人员信息调控、二维码编制等过程完成BIM技术的协同管理, 同时结合无人机、AR、三维激光扫描、AR其他新技术, 不断完善BIM的应用。但是, BIM应用存在单一性、局限性、表面性问题, 需结合其他工具, 考虑多方因素, 不断加大研究与应用力度。