BIM技术在桥梁专业的应用案例赏析

福厦高铁位于福建省沿海地区，北起福州市，途经莆田市、泉州市，南至厦门市和漳州市，该线既可构建京福厦高速铁路客运通道，也是东南沿海铁路客运通道的重要组成部分。该项目是福建省进一步加快经济社会发展的重要工程，也是加快福建省沿海新型城镇化建设、推进路地协同发展的示范工程，有利于增强海西经济区辐射力和对台吸引力，强化福建省对外高速客运网，并在促进沿线城市开发、路网建设中发挥突出作用。

福厦高铁全线总长277.8.km，其中桥梁占比达65.3%。全线桥梁在常规路段广泛采用通用结构以提高标准化和工程效益，在跨海、跨河、立交路段则根据工程条件采用形式各异的特殊大跨桥梁结构，这为BIM技术的应用提供了丰富的场景。从设计到施工，工程参与方积极探索BIM技术的应用范围，在标准结构构件库的建设、复杂桥梁的参数化建模、结构仿真分析、景观优化、可视化交底、施工模拟、工程进度控制、软件开发、标准实施等诸多方面取得了丰硕成果，积累了宝贵的经验。

福厦高铁全线桥梁种类多样复杂，包含大跨度复杂斜拉桥，拱桥，钢桁梁，连续刚构，T构，常规三跨连续梁以及道岔、渡线、多跨等特殊连续梁，标准以及非标简支梁；桥墩、桥台、承台、桩基础等诸多桥梁结构。 桥梁专业 特殊结构多位于曲线线路上，曲线造型结构较多。

基于参数化、模块化设计思路，运用Revit进行桥涵BIM精细化建模，建立高速铁路桥梁构件库以及各种特殊结构桥梁，基于线路模型进行参数化装配集成，从而实现BIM技术在桥梁设计、施工阶段的应用。

采用通用图选型的设计思路进行模块化设计，前期建立一套自适应族库，包含标准梁、桥墩、桥台、基础、涵洞等，设计建模过程中仅需调用并修改参数，再进行基于线路模型的装配。

项目围绕Dynamo For Revit可视化编程技术，攻关研发了一系列建模工具插件，充分利用桥梁设计计算软件的成果数据，进行参数化BIM设计，在拱桥、斜拉桥等复杂桥梁以及曲线结构桥梁的设计建模过程中发挥了较大作用。

（1）墩台及基础

福厦高铁区间正线墩高小于20m的桥墩采用流线形圆端型实体桥墩，墩高20～26m采用斜坡实体桥墩，墩高大于26m采用圆端型空心墩。正线、联络线及动走线均采用矩形空心桥台，基础主要采用桩基础。针对上述结构均建立了参数化构件库，见图2.1（1）（2）。

（2）梁部及附属

正线标准简支梁采用《时速350公里客运专线铁路无砟轨道后张法预应力混凝土简支箱梁》【通桥（2016）2322A】。简支梁建模，利用公制结构框架-梁和支撑标准构件族样板创建简支梁的构件族。具体步骤为：新建一个族，选择公制结构框架-梁和支撑，定义有助于控制对象可见性的族的子类别；布局有助于绘制构件几何图形的参照平面，添加尺寸标注以指定参数化构件几何图形；绘制不同梁段位置横截面形状，拉伸或融合创建实体单元，最后添加材质。32.6m简支梁模型见图2.1（3）。

福厦高铁常见连续梁跨度有（32+48+32）m、（40+56+40）m、（40+64+40）m、（48+80+40）m、（60+100+60）m、（70+125+70）m等。连续梁建模依节段划分，分别创建公制结构框架-梁和支撑构件族；在结构样板项目文件中按照线路依次生成各节段。（70+125+70m）连续梁模型见图2.1（4）。

正线桥面布置、桥面附属等构造，按《客运专线铁路常用跨度梁桥面附属设施》【通桥（2016）8388A】图和《新建铁路福州至厦门铁路 预制装配桥面设施施工图》【福厦施（桥）变-B3】图实施，桥面附属见图2.1（5）。

（3）拱桥

以梅山特大桥的钢管混凝土系杆拱桥为例，拱圈主要构造线为空间曲线，采用Dynamo For Revit可视化编程技术进行BIM设计。

首先建立主梁空间轴线。在获取线路平面的基础上，通过偏移高程值以获得实际线路空间曲线，此曲线即为主梁轴线。

建立拱肋模型时，首先获取线路空间曲线的局部坐标系，根据偏移空间坐标从而获得拱肋的拱轴线；然后建立垂直于拱轴线的平面并赋予拱肋截面以形成拱肋实体模型。

建立横撑模型时，采用拱肋轴线与横撑在主梁上纵向坐标确定的垂直于主梁轴线的平面交点确定空间坐标，横撑之间的杆件通过相对坐标定位并赋予截面，然后通过放样各点的连线生成实体模型。

建立拱桥吊杆时，先确定吊杆在拱肋和主梁中的端点，再通过相对坐标定位并赋予截面特征，最后通过放样各点的连线生成实体模型,见图2.1（6）。

建立拱脚模型时，通过节点形成闭合多边形，然后放样形成实体模型。建立主梁模型时，由梁节段沿主梁轴线装配而成。所有拱桥构件装配可生成完整的拱桥模型，见图2.1（7）。

（4）钢混组合梁斜拉桥

以安海湾特大桥主桥为例，桥跨布置（40+135+300+135+40）m的双塔双索面钢-混结合梁斜拉桥。基于钢混组合梁斜拉桥的结构特点，通过参数化、族库化的技术手段，实现精准、高效的快速化BIM设计。

斜拉桥主要由主梁、桥塔、拉索及 墩台基础 组成。建立梁节段时，以参数化加劲肋板件族为例，首先在Revit公制常规模型中参数化建立板件轮廓，再通过拉伸、融合、旋转、放样等操作建立参数化模型。将各个参数化构件族导入到一个公制常规模型嵌套族中，并进行参数化定位，形成二级参数化横隔板嵌套族。将各个二级参数化嵌套族导入到一个公制常规模型嵌套族中，并进行参数化定位，生成一级参数化主梁节段嵌套族，见图2.1（8），斜拉桥主梁细部构造见图2.1（9）（10）。

建立桥塔模型时，根据桥塔造型划分桥塔节段，并使用公制常规模型样板来建立桥塔构件族，同时拼装成桥塔整体模型，见图2.1（11）。

建立桥墩和基础时，采用公制体量标准构件族，对模型进行参数化设计，以满足不同类型桥墩的要求。

桥梁整体拼装时，根据桥梁平纵面线形，在考虑桥梁纵坡的情况下，拼装各个构件族形成主桥模型，主桥模型与引桥模型装配成全桥模型，见图2.1（12）。

图2.1

2.2 BIM技术服务

桥梁专业沿线模型建立后，与轨道、接触网、声屏障、勘察等专业模型在Navisworks、Infraworks软件中进行整合，形成福厦高铁全线BIM模型。

(1)通过BIM软件完成全线桥梁的BIM模型创建工作，完成结构方案与工程量、图纸联动修改，见图2.2（1）。

(2)建立各连续梁模型，模型的建立及集成顺序符合施工工序要求。模型精度均控制在毫米误差。结合BIM技术的可视化、协调性、模拟性、优化性、可出图性进行数据的分析与提取，见图2.2（2）。

(3)混凝土方量设计方量、BIM建模方量、实际施工方量形成三量对比，精准指导施工现场混凝土浇筑方量，达到节能环保的效果，见图2.2（3）。

(4)核对连续梁预应力钢束布置是否有错漏项；各预应力管道之间是否存在互相干扰（锚具、夹具和连接器）；腹板预应力张拉槽口开口位置是否正确，减少钢筋与锚口碰撞，利用BIM提高施工质量，见图2.2（4）。

(5)优化钢筋布置避让预应力管道安装，精准定位。分析钢筋布置优化混凝土下料管道，实现顶板竖向方向、侧模预置振捣通道及过人孔天窗等进行多孔振捣，提升连续梁浇筑质量，见图2.2（5）。

(6)对连续梁预应力体系进行建模分析，优化挂篮及钢模板对拉孔洞布置位置。杜绝后期施工时碰撞问题发生，见图2.2（6）。

(7)进行钢筋与预应力、梁体预埋件碰撞检查；设计图纸钢筋安装是否满足保护层要求；各钢筋之间搭接错位后是否影响梁体其它构件施工，是否会产生因钢筋密集，导致布设困难进行分析；通过建模模拟观察分析，检查钢筋工程量是否存在错漏项及可优化空间，见图2.2（7）。

(8)可实时提供结构任意角度、任意位置剖面二维施工图，便于施工阶段指导现场施工，见图2.2（8）。

(9)3D建模优化成果可导出PDF模型，导出的模型可使用电脑和手机端查看模型数据、安装部位等关键信息。

(10) 以BIM技术为基础数据源，搭建信息化网络平台，将钢筋加工所发生的业务都纳入平台管理，BIM人员通过建立精确化模型，提供准确的钢筋数据，现场人员根据现场排产情况进行下料订单，配送中心根据订单要求及BIM数据安排内部综合生产及管理，见图2.2（9）。

2.3 BIM成果应用

（1）精细化分析设计

针对福厦高铁泉州湾跨海大桥的斜拉桥主桥，将BIM与有限元结合，通过将BIM模型导入有限元软件，进行模型网格划分、边界条件设置和荷载加载，计算结构的整体受力，同时对复杂节点进行局部应力分析，见图2.3（1）。

（2）结构景观优化

针对福厦高铁大跨度斜拉桥，结合BIM进行了景观设计。索塔是斜拉桥的灵魂支柱，不仅起到支撑和传力的作用，也是决定大桥景观效果的重要因素。以泉州湾主桥索塔为例，运用BIM技术对比各索塔方案，更直观地展示不同类型索塔的外观效果。经比选索塔最终采用贝壳型。贝壳形混凝土桥塔造型新颖、美观，蕴含海洋元素。塔柱和横梁的圆弧元素的融入，克服了索塔高宽比较大所致比例不协调的问题，见图2.3（2）。

栏杆造型在功能上考虑福建沿海气候，减少栏杆的风阻，考虑到与索塔造型呼应，还应反应海洋与地域文化。通过BIM设计建模比选，提取波浪、帆船、水、贝壳等元素，进行艺术化的加工，泉州湾主桥选定了波浪形栏杆造型，见图2.3（3）。

通过 BIM建模 ，将首次采用的连续刚构叠合拱体系直观展示。上下两层拱肋组成“月牙形”结构，线条更明朗，外形更加简洁美观，模型见图2.3（4）。

从海洋文化、古谯楼和莆田荔枝中汲取灵感。系列桥梁整体使用白色，与海洋文化的大背景相呼应，局部使用红色，红色既是中国的象征，又是福建省省内著名景点古谯楼的主体色，还是福建特产莆田荔枝的主体色。除钢桁架桥外，红色只应用于栏杆扶手贯穿于整条铁路线始终，将铁路的所有元素通过两种色彩变为一个整体。

（3）可视化交底

基于斜拉桥BIM设计成果，进行了施工进度及工序的动态模拟，进入施工阶段后，在BIM设计成果的基础上开展更为全面的施组深化模拟。以桥塔施工为例，进行了下塔柱翻模法施工模拟、中塔柱和上塔柱液压爬模施工模拟、下横梁和上横梁附塔支架分层浇注施工模拟，开展可视化交底，见图2.3（5）。

（4）工艺仿真模拟

结合地形数据文件，建立了梁场范围内的真实地形场景；融合制存梁台座、简支梁及整桥模型，以及梁场边坡防护模型，建立了梁场综合BIM模型。

将梁场三维模型导入至Navisworks，导入项目施工进度计划，利用内置Timeliner模块进行制运架梁施工仿真模拟，见图2.3（6）。

2.4 执行铁路BIM联盟标准

执行铁路BIM联盟技术标准，是铁路建设项目的内在要求。为满足BIM设计成果与“铁路工程建设管理平台”之间数据传递的要求，福厦高铁的每一个BIM构件宜有一个唯一身份证，即实例化编码，也称元数据编码。每一个实例化编码都由公共的IFD编码（类码）+福厦项目特有编码组成。为此将《铁路工程信息模型分类和编码标准》中的IFD编码进一步结构化后，存储在设计协同平台的公共数据库中，面向各专业提供标准编码查询服务。同时，结合福厦高铁BIM设计应用需求，遵照联盟标准框架，增加了85个信息分类和编码。新增的IFD编码是BIM设计交付成果的一部分，将同步到“铁路工程建设管理平台”。

福厦铁路的BIM设计模型中共包含有数以万计的构件，如此大量的构件要按“铁路工程建设管理平台”的要求组织成一棵BIM模型结构树，并把每一个实例化编码都绑定在Revit文件中对应的BIM构件上，是一个巨大的挑战。为此，专门开发了数据编码自动赋值插件，解决手工赋予编码的效率问题，见图2.4（1）。

图2.4

施工阶段的过程管理方面，可以建立全桥4D施工进度模型进行施工过程模拟，直观体现BIM技术的可视化交底、碰撞检测、施工材料统计、施工场地布置、可视化施工模拟、施工可视化管理等方面的应用，对实际桥梁工程的施工能够起到一定的优化作用。

施工阶段的质量控制方面，在制定施工控制总体施工监控方案和实施细则时，应充分考虑桥梁的结构特点和施工特点，以主梁线形控制为主、兼顾结构内力，对制造、安装的全过程实施控制。采用基于几何控制法的大跨度斜拉桥的自适应控制体系，尽量使成桥结构线形、内力的大小和分布与设计目标相吻合。采用数字化施工控制技术对于保证结构安全，确保施工顺利实施具有举足轻重的作用。

3.1  乌龙江特大桥 施工BIM应用

乌龙江特大桥开展了BIM管理应用，基于BIM模型在大临工程选址、可视化交底、碰撞检测、重大方案比选方面进行深化应用，优化施工组织，有效降低施工作业成本，提高施工生产效率。

（1）大临工程

大临工程建设前期采用BIM技术进行模型搭建，提前模拟基地各项使用功能，使分区更加合理。

（2）可视化交底

通过对工序的模拟演示来制作三维作业指导书用作施工人员学习与培训教材，以提高施工人员技术水平与施工过程的安全与质量。借用BIM技术 三维可视化 的优点，针对混凝土浇筑及振捣施工工艺做成动画对施工人员进行可视化技术交底，增强现场施工人员对工艺要求的理解认识，保证技术交底的可实施性和易操作性。

（3）碰撞检测

通过BIM技术对现场施工进行指导应用，针对钢筋与预应力管道、预应力管道与钢筋定位网片、钢筋与预埋件、预应力管道与通风口、泄水孔等位置进行钢筋碰撞模型试验，进一步优化箱梁钢筋布置。

（4）重大方案比选

通过施工工艺的推演、进度模拟、图纸分析等，对项目进行合理化分析，从而选出高效、经济的最优施工方案，帮助施工方节省施工成本，提高工程安全质量。

针对乌龙江大桥管理需求，建立了主塔、钢梁、混凝土梁及斜拉索等的BIM模型，并在建模期间综合考虑和施工过程模拟和管理需求，对模型进行了进一步划分和处理。

（5）BIM实施效果

乌龙江特大桥施工BIM管理应用实现了包括施工管理、BIM模型浏览、设计管理、碰撞模拟、技术管理、质量管理、智能制造、安全管理、进度管理、资源管理、三维技术文档、数据分析等效果，促进了生产进度。乌龙江整体模型见图3.2（1）。

图3.2

3.2 泉州湾跨海大桥施工BIM应用

泉州湾跨海大桥BIM技术应用：具体流程为，全息模型的创建与深化→模型二次深化→施工技术管理→优化与整合→基于E-BIM平台的协同管理。通过可视化的过程模拟，碰撞监测，分析施工工序等一系列BIM技术的运用，进而不断改善施工方案，节约工期，提高生产效率。

（1）全息模型的创建与深化

利用Autodesk Revit软件建立BIM全息模型的核心建模软件。在BIM模型施工阶段应用的过程中，首先是完善设计阶段附带信息的三维模型。见图3.3（1）。

（2）模型二次深化

在交付模型的基础上，根据实际施工情况进行模型二次深化，用于指导现场施工、方案比选优化、施工交底等内容。见图3.3（2）。

（3）施工技术管理

桥梁工程施工BIM技术管理的主要目的是确保施工方案的可行性，并提高施工效率、减少资源浪费和管理水平。通过可视化的过程模拟，碰撞监测，分析施工工序等一系列BIM技术的运用，进而不断改善施工方案。

① 碰撞检查

基于BIM技术优良的三维可视性，对复杂构件间的空间位置关系清晰可视。在复杂结构区域运用BIM碰撞检查技术对各构件间的空间关系进行检查，提前发现问题，及时提出调整方案，减少返工率，降低成本，节约工期。

② 三维漫游检测

通过BIM技术开展动态的三维漫游监测，模拟施工仿真环境。管理人员及相关施工人员可根据漫游检测提前发现问题，提出解决措施。

③ 施工图纸核查

在项目施工前，通过全息模型的可视化功能，快速查找施工图纸中存在的错漏碰问题，提高图纸审核质量，避免施工过程中因为图纸信息不明确造成的错误施工与工期延误。

④ 施工方案模拟

施工作业模型的基础上附加施工方法、施工工艺和施工顺序等信息，进行施工过程的可视化模拟，并充分利用建筑信息模型对方案进行分析和优化，提高方案审核的准确性，实现施工方案的可视化交底。见图3.3（3）。

（4）优化与整合

对模型进行优化，然后再将模型整合，加入时间周期，形成4D BIM进度管理。见图3.3（4）。

（5）基于E-BIM平台的协同管理

基于施工方E-BIM平台进行BIM协同管理，主要在协同办公，信息共享，进度管理等方面展开应用。可以对项目的施工机械配置规划、制定材料供应计划、编制构件安装工序、安排材料的运输堆放等。可视化的场地模拟对前期大临建设的规划具有较大的意义。

（6）应用取得的效果

BIM技术的应用，对数据信息进行统一分类管理，满足施工不同的管理需求，对施工过程中的信息进行收集，能实时、有效地掌握及跟进项目动态，及时发现问题并解决问题。同时，BIM技术的应用也是一个将各种资源整合的过程，能极大地提高各种资源的使用效率，为建造优质铁路打下坚实基础。明显提升安全质量管理能力和水平，帮助解决实际施工问题，如：减少材料损耗，节约施工工期，减少工序返工，提高生产效率，在建设中发挥重要的保障作用。

图3.3

3.3 安海湾特大桥BIM数字化管理系统

创建综合BIM模型（模型精度：LOD400），开展碰撞检查、创建碰撞检查报告，创建项目全景漫游视频；利用施工BIM模型进行设计图纸复核与深化；创建安海湾特大桥施工BIM管理云平台，开展施工进度模拟、施工方案模拟、进度管理、质量管理、资源管理、安全管理等。

（1）BIM+钢结构智能制造

利用钢结构模型，预先解决碰撞，提前考虑余量，通过数字化加工设备进行一键加工，提高加工效率，节约人工、材料成本。

（2）BIM+智能化健康监控监测

健康监测系统分为动态和静态两种监测设备管理功能。

动态监测设备管理通过预先关联到工程节点的设备编号，将接入到网络中的施工监控设备连接到平台，通过BIM模型构件反向查询工程节点所有关联的监测设备，以及对超过预警值的工点进行报警操作。静态监测设备管理通过手动线下检测的数据报表进行数据上报，并关联到工程节点与BIM模型关联，对施工过程的施工情况进行过程留痕。

（3）BIM+GIS桥梁数字化应用

利用BIM技术创建主桥BIM模型和梁场BIM模型，结合卫星影像模拟并生成周边环境场地模型，对场地作业区进行合理优化和布置，见图3.4（1）。

（4）应用取得的效果

对安海湾特大桥主桥进行全专业建模并进行碰撞检测，发现多处硬碰撞，分别位于钢箱梁横隔板与底板加劲肋，腹板等部位、加重区钢筋与剪力钉的碰撞，塔吊附墙撑与上塔柱之间等部位，并对相应节点进行了优化。

利用BIM技术进行施工过程中的碰撞检查并对方案进行预演和论证，找出不同方案的优缺点，帮助项目方迅速评估方案的可行性，并提高了施工的安全和效率，并降低了施工协调难度。

图3.4