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BIM技术在蒙华铁路施工中的应用—应用篇

日期 Date :2017-11-27 分享 Share:

  蒙华铁路MHTJ-16标段一工区

  BIM (Building Information Modeling)是建筑业的新兴技术之一,目前在欧美等西方发达国家取得了较好的应用,并不断被革新与推广。近年来,BIM技术在我国得到了初步应用,良好的应用效果使得BIM技术越来越被我国政府重视,住房和城乡建设部在2011年5月宣布BIM技术为建筑信息化的重要组成部分,并将其列为“十二五”的重点项目。在此背景下,国内市政行业逐渐意识到BIM技术的重要性,开始尝试将BIM技术引入到工程项目中,借助新技术来突破现有的行业瓶颈,占据行业技术的至高点,在市场竞争中脱颖而出。

  蒙华铁路MHTJ-16标段一工区是公司重点项目,领导高度重视,为了为提高本工程设计图纸质量、减少工程洽商和设计变更、节约施工成本,领导班子决定在本项目中采用BIM技术。

  现有的BIM技术解决方案提供方较多,国外有Autodesk、Bentley、Dassault等,国内有鲁班、鸿业、广联达等,不同方案有着各自的优势。Autodesk公司的Revit建筑、结构和机电系列,在民用建筑市场占有率较高;Bentley公司在基础设施(道路、桥梁、市政、水利等)和工厂设计(石油、化工、电力、医药等)有更好的支持;Dassault公司的CATIA是高端机械设计制造软件,应对复杂体型和超大规模建筑有着明显优势;国内各种解决方案分别基于自己在二维绘图时代的核心产品,在Revit等核心建模软件基础上进行了二次开发,优点是单专业能力较强,不足之处是缺乏全平台整合能力。

  经过多方调研和比选,领导班子最终选择Bentley平台作为本项目BIM实施的解决方案。考虑到现场实际情况,硬件和人员还暂时未达到全范围使用BIM的条件,因此采用“以点带面”、“两线并行”的方式开展BIM工作,以杨家岭左线、右线大桥为对象,BIM和施工同步进行并互相协调。BIM技术应用内容为:

  1)使用点云技术生成施工现场三维模型;

  2)采用参数驱动方式建立连续箱梁及钢束三维模型;

  3)根据图纸建立钢筋以及施工支架及挂篮三维模型;

  4)从建立的模型中导出材料工程量以及施工模拟;

  5)通过Projectwise服务器进行协同工作。


  BIM在施工中的应用价值主要来源于对BIM模型的信息提取、模拟以及优化,本次BIM技术的应用主要实现了工程量统计、施工模拟、碰撞检测、可视化、施工优化以及协同工作等应用。


  一、工程量统计

  在创建BIM模型的过程中,对各个专业的相应构件输入需要的工程属性,这些属性在需要的时候能够被计算机自动抽取,分门别类地进行相应统计和报表归类。Bentley平台中的工程量统计通常是在各专业软件中完成的。

  软件中的工程量统计功能可按照桥梁为单位统计当前项目的工程量信息,统计范围包括桥梁大师导入的三维模型以及软件自身创建的模型。工程量统计对话框中包含桥梁列表、混凝土工程量标签页、钢束工程量标签页、其他附属结构工程标签页。

  桥梁构件类型分为上部结构和下部结构。上部结构按名称又分为空心板、T梁、小箱梁和箱梁。下部结构按名称分为盖梁、墩台身、承台、系梁和基础,列表中列出所有具有此名称的构件,并显示对应构件的工程量。


  图1工程量统计


  ProConcrete软件支持自动给构件编号,也可以手工对构件编号。自动编号时程序会自动识别相同的构件,并统计零件的总量,这些信息均将被输入到材料表数据库中。

  生成的材料表将会根据选择的材料表模板创建。创建时根据材料表模板中所包含的过滤条件筛选材料表库文件中的数据,然后组成用户所需要的材料报表。并且这些材料表模板可以通过内嵌的“材料表模板编辑器”订制或修改的。

  材料报表的表头中包含“项目名称”、“施工单位”等信息,而材料报表的模板是可以通过“材料表模板编辑器”修改的,因此,即使在开始建模的时候不设置“项目管理”,也可以在此处设置不同项目的表头信息。

  图2 原始材料表数据库


  二、快速提量

  杨家岭大桥完成建模后,可以通过软件快速提取模型中任意部分的工程量,节约计量员时间,大幅度提高工程量统计的效率,还可以轻而易举的完成变更前与变更后工程量和工程造价的计算、差异比较分析,降低算量人员处理变更的工作量。

  如图3,在软件中建立右幅3#桥墩模型,通过查询其属性,可以快速、准确地提取其工程量。

  图3 提取工程量


  三、精确控制用量

  按杨家岭大桥实际施工阶段针对性建模,精细预算工程量,指导每个阶段工程用量。从以往的做法来讲,杨家岭大桥施工图纸有全桥工程数量统计表。但是光有一个总量是远远不够的,施工过程中需要的往往是施工到某一个阶段之后,下一个阶段的钢筋混凝土材料用量。即使是分节段悬臂施工的主梁,在施工图中有各梁段分段施工的工程数量统计表,还是不够完全和细致,而且也不一定百分之百准确。对于杨家岭大桥的高大且有变截面的桥墩,施工中不可避免地要分段浇筑,而且随着时间的推移,工程的进展,每一个阶段的施工用量都需要精确掌握,这样才方便指导施工现场工程用量。杨家岭大桥根据实际施工节段,利用BIM针对性建模算量,精准预估结构混凝土方量。

  杨家岭大桥右幅3#桥墩为46m的变截面空心桥墩,桥墩下大上小,纵横方向都按1:40的比例收坡,施工中每5m一节,分节浇筑。为了指导施工过程中的具体用量,建模时完全遵循施工过程进行,采用分节段建模时,从软件中截取的3#桥墩第一节建模截图如图4。这样就能准确快速提取工程量,达到了指导3#桥墩现场每一施工阶段的工程用量,降低材料偏多偏少所造成的浪费现象。

  图4 3#桥墩第一节模型


  四、三维模拟现场布置

  传统的施工场地布置是在二维空间内进行规划,对于原地形地貌无法充分考量。本次杨家岭大桥施工区域地形较为复杂,连续梁部分将跨越已通车的三淅高速,部分桥墩与高速桥梁之间距离较近,并且地势起伏较大,如果不能有效得组织材料堆放场地和施工道路,将对工程进度照成影响。

  通过无人机航拍生成的三维实景模型可以很好的解决上述问题,实景模型中物体均与实际中一致,设计现场布置时可以在软件中模拟多个方案进行对比。并且三维实景模型完整还原了原地形地貌,在二维图形中无法解决的三维空间问题得到了有效解决。

  如图5,在传统的平面布置图中,描绘出堆场和材料存放区的大概位置,但是单从平面图上无法正确判断存放区域的位置、周边环境是否有影响、是否有更合适的区域作为选择。为了解决该问题,此次使用实景模型技术,通过生成的实景模型,直接在上面布置设备、材料存放区,直观的反映出每个设备、存放区的位置以及与周边环境的关系,并可从该模型中直接选择最合适的位置。


  图5 场地布置在二维和三维中的对比


  五、实际工程进度与计划进度对比

  Navigator是用于审阅和施工模拟的软件,能够直接(原始数据格式)或间接(XML 等开放数据格式)数据导入项目进度计划数据,支持Microsoft Project,可将施工计划与构件模型关联进行模拟并为其制作动画,分析进度计划的合理性。

  本次项目中将已有的《跨三淅高速公路连续梁施工计划》作为数据源导入到Navigator中,如下图所示:

  图6 Navigator中导入时间进度


  从传统的角度来讲,工程在汇报进度时,一般是依据进度计划与现场照片来表达,但是该方式缺乏直观、全面的效果,特别是在计划完成进度与实际完成进度两者的对比,需要审核者有较强的三维空间能力。为解决该问题,本次采用三维方式用于汇报工程进度。

  如图11,按照计划2016年10月27日需要完成左幅3#桥墩,如图7是2016年11月2日制作的实景模型,从这个角度看,工程滞后了。


  

图7 计划完成的进度


  图8 实际完成的进度


  六、模拟各项施工工艺

  传统的施工动画制作往往需要先制作三维模型和场景文件,然后设置灯光、材质和镜头。而运用BIM制作施工动画时,大大简化了工作内容,桥梁和施工设施的BIM模型包含完整的几何和材料信息,可以直接用于动画制作,省去了建立三维模型的工序。同时,使用无人机航拍生成的三维实景模型作为场景,既和现场情况完全一致,又节约了制作场景文件的时间。

  Microstation中带有简单的动画制作工具,可以定义角色的平移、旋转以及路径动画也支持关键帧的定义,其中角色的定义范畴不经包含三维模型,也包括镜头等其他动画内的元素。同时,动画支持使用视图显示模式或者Luxology进行渲染输出序列帧。使用自带的动画制作器可以制作简单的工艺或者漫游动画,但如果需要添加更丰富的效果,则需要使用专业的动画制作软件进行编辑和渲染。

  为了实现更好的动画效果,本项目中使用MAYA作为施工动画制作工具,其是世界顶级的三维动画软件,应用对象是专业的影视广告、角色动画、电影特技等。Maya功能完善,工作灵活,制作效率极高,渲染真实感极强,是电影级别的高端制作软件。

  通过杨家岭大桥施工工艺动画,清晰明了的展示了采用旋挖桩施工以及环切法桩头凿除工艺、悬浇箱梁0号预埋托架的施工、挂篮的安装及移动、边跨现浇段支架搭设以及合拢段劲性骨架安装等重点施工工序,既展示了施工过程,便于施工安排和交底,又可以作为工艺展示资料,作为展示和技术交流。

  图 9 MAYA中渲染效果


  七、静态碰撞检查

  在施工中存在大量的物体位置干涉问题,严重时还会造成返工等严重后果。其原因是二维绘图需要通过不同的图纸去表达各个层次的信息,但对于图纸信息的汇总缺乏有效的手段,传统施工中往往依靠经验丰富的工程师读取图纸中的信息,然后在脑海中进行模拟判断。然而随着工程复杂程度的不断提高,通过人的经验判断能够解决的问题却有限,复杂的空间关系往往难以凭借脑海去定量分析。

  在BIM技术中,所有工程对象均以真实的三维尺寸表示,并且含有对应的空间位置信息,这是二维绘图无法做到的。通过相应的软件,不同专业、不同部位的模型可以整合到一起,就像用不同的零件组成一个整体,而这个整体正是我们实际的工程对象。通过软件的三维碰撞检测功能,我们可以自由的设置碰撞检查的方式和范围,以此减少施工过程的问题。

  图 10 碰撞检测界面


  悬浇箱梁中钢束和钢筋之前的位置关键冲突往往也是施工中碰到的常见问题,通过静态碰撞检测,可以提前知晓碰撞位置,在问题出现之前作出决策。


  八、动态碰撞检查

  施工中还有许多机械运行中可能发生的物体碰撞,例如大型设备的运输和吊装。Navigator可以对运动的物体进行碰撞检测。

  图 11 挂篮行进碰撞检测


  九、基于实景模型的考量

  通过无人机航拍生成的三维实景模型可以在Acute3D Viewer中进行游览,仅使用鼠标点击便可以方便操纵视图,同时软件中包含主要的测量工具,可以读取点坐标、两点之间距离、多段线包围面积以及多段线平面上的填挖方体积。

  图12 计算土方体积


  如图13,在采渣前先使用无人机航拍生成实景三维模型,再通过软件的测量工具,对计划采渣的区域进行计算,自动生成填挖方量,准确判断采渣的区域。

  图13 李子坪取渣场


  同时ContextCapture生成的文件格式也支持导入Microstation等BIM建模软件中,可以将桥梁BIM模型与现场实景模型相结合查看,并可以直观的演示新建桥梁与现有高速桥梁之间的位置关系。

  图14 实景模型与桥梁模型整合


  十、展示工程项目

  LumenRT是由E-on software公司开发的一款强大的实时渲染工具,Bentley于2015年收购后整合到BIM平台中,它是最理想的虚拟设计可视化解决方案。LumenRT功能与Lumion类似,是支持OBJ、 FBX 和DAE等多种格式,能配合Microstation等三维设计软件使用,利用自带的海量模型包可轻松帮助用户在模型基础上添加真实的自然环境,如栩栩如生的植物、树木、人物、动物、车辆、天空和水等环境效果,随心所欲的将其渲染成高品质的视频、图形或者几乎完全互动的真实三维世界。而且在展示过程中,用户能随时利用LumenRT储存的功能将设计方案打包成独立的的可执行文件,方便用户进行展示或携带。

  图15 LumenRT灵活的发布和导入功能


  相比其他实时渲染软件,LumenRT优势在于可以和BIM建模软件无缝对接,安装了LumenRT之后软件会自动在已有建模软件中添加一键导入选项卡,如下图所示。

  BIM模型建立后,建模软件中的显示效果往往比较单一,而静态的渲染虽然可以提现光线和材质,模拟真实环境,但是无法满足动态漫游的需求。使用LumenRT可以通过其强大的实时渲染模块,动态地查看渲染后的三维模型,作为预判项目落成后的重要依据。

  图16 LumenRT漫游界面


  十一、三维技术交底

  构造复杂的杨家岭大桥悬浇连续梁,如果其二维施工图全靠技术员发挥空间想象力,对于经验丰富的工程师,尚且需要花费较多的精力去吃透图纸。对于新入职或者入职不长时间的年轻技术员,由于没有大桥施工的工程经验,势必导致读图用时较长且难免有读错图的情况发生,从而使得技术交底出现偏差,出现返工现象。

  杨家岭大桥运用BIM技术后,将二维图纸转换成3D模型,不但方便了技术员读图,也使技术交底变得简单。提高了技术员读图的效率和准确度,实现了可视化技术交底,减少了返工。

  图17 合拢段劲性骨架三维交底


  除此之外还可以有变截面空心薄壁桥墩、变截面箱梁等结构构造较为复杂的模型,建模可以做到全面客观细致地展示内部构造。

  采用BIM模拟演示混凝土施工过程,让施工过程明了化。技术人员可以提前合理安排人力、物力,统筹各工作班组进行流水作业。提高管理水平,加快施工进度,节约成本。

  根据钢筋模型模拟演示钢筋绑扎过程,可以准确计算钢筋用量,并依据钢筋模型准确编制材料用量计划,在钢筋多且密的情况下合理优化布置钢筋位置。二维图纸均显示在一个面上,而三维实体图纸者清晰显示钢筋的尺寸大小位置,通过建模可以预排箍筋位置,指导工人优化钢筋绑扎。

  预应力孔道预留模型能清晰展示梁体内预留位置,可避免工人埋错波纹管和各相邻部位的相对位置关系,做到精准预留。对施工现场部分临时施工措施,比如预埋型钢牛腿法施工桥墩,可以建立模型提前展示,指导工人准确无误地预留,并且Microstation支持将模型打印到三维PDF文件,只需要电脑中安装有Adobe Acrobat Reader便可查看。

  图18 将模型发布为PDF文档


  十二、施工方案优化

  根据施工动画中的工序预演,可以提前发现问题,本次挂篮跨高速浇筑是项目难点之一,在没有完全确定挂篮厂家的前提下,通过施工动画预演,提前模拟施工过程,发现施工工序中存在问题或者隐患的部分,并提前做出调整。

  图19 边跨合拢段施工模拟


  十三、图纸错误检查

  传统的二维设计图纸往往存在一定的设计错误,由于这些设计错误产生的设计变更会造成施工单位停工或窝工,也会给建设、施工单位带来巨大的经济损失,杨家岭大桥也同样难免出现类似的情况。通过三维建模,提前发现了问题,找出了错误,规避了损失和风险的发生。建模过程中很容易发现图纸中的一系列或大或小的设计问题。


  十四、协同工作

  通过Projectwise平台,搭建项目目录,并且对于分处于异地办公的项目人员使用各自不同的设置。项目人员可以通过标准配置设置创建并访问项目文档,同时通过Projectwise命名向导按预设标准自动生成文件。保证用户中在一个在线工作区办公,因而可提供一致的标题栏、属性和元数据供应商和客户提取。本项目在现场部署了Projectwise分布服务器,可以缓存访问过的文件,提高下次访问速度。

  Projectwise可作为协作团队所有项目信息共享的可靠来源,在云环境中,不会存在谁控制主文件、谁更新它和谁有最新版本的问题。项目人员可拥有基于角色的访问权限,同时审查人员可以轻松地下载或对文档进行批注,因而加快了管理环境中的工作流处理速度。

  Bentley平台下BIM软件均和Projectwise有内嵌接口,打开软件时会自动选择登录数据库,建模和修改均可以直接对工作目录下的文件进行操作,并且服务器会自动记录文件修改记录和历史版本,即使操作失误也可以方便的恢复为历史版本。

  图20 Navigator中Projectwise登录界面


  本次项目中,所有BIM模型以及文件均按照标准目录结构存放于Projectwise服务器中,并且实时更新版本,技术人员只要接入网络便可随时提取最新的模型文件,有效提高了文件传递效率,解决了传统分散式文件储存存在的文件版本碎片化、传输和交流效率低下等不足。

  同时实现使用IE浏览器直接浏览文件,不需要单独安装桌面程序,不需要电脑高配置,只需要一台普通的电脑,在有网络的条件下,可以实时访问到ProjectWise,直接在浏览器上查看文件或者模型,了解项目的进度以及问题。

  基于Projectwise服务器的搭建,本次项目中主要实现了以下技术点的运用:

  1)文件版本控制;

  2)多用户协调操作文档;

  3)误删找回;

  4)连接设计与施工;

  5)多角色人员权限管理;

  6)提资、审图、发布。


  结语

  蒙华铁路项目中BIM技术的应用虽然只是整个工程中的一小部分,但却是公司在新建筑业革命中迈出的一大步,充分贯彻了“科技兴企”战略,广泛采用新技术,不断将科研成果转化为科技竞争力。

  BIM技术的可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性等特点,也可以与施工管理有机的结合,提高工作效率,创造更大价值。本项目中BIM技术应用还在日益深入的应用中,后期将继续分享BIM技术在施工阶段应用的心得体会,以供参考。


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