BIM（Building Information Modeling）已成为铁路全生命周期数字化应用的关键技术，在铁路设计、施工、运营维护（简称：运维）等各个环节均得到了有效应用^[1-2]。BIM技术可有效提升工作协同水平，提高工程质量^[3]。BIM的应用促进了高速铁路向智慧铁路建设转变，并可与物联网结合^[4]，进一步提高桥梁工程建设的信息化管理水平。

郑州—济南高速铁路（简称：郑济高铁）黄河特大桥主桥跨度为（108+4×216+108）m，为我国首座五塔混凝土斜拉铁路桥，也是我国联长最长、规模最大的多塔双索面预应力混凝土矮塔斜拉桥，引桥部分采用目前国内规模最大的3×56 m等跨预制胶拼预应力混凝土连续梁，跨越黄河边滩。该桥作为郑济高铁建设项目的难点及重点，存在设计难度大、施工风险高、管理数据杂等问题。本文结合工程实际需求，提出郑济高铁黄河特大桥基于BIM的数字化应用技术路线，实现了空间锚块三维设计、与施工组织相关深化设计、节段梁吊杆力监测等应用，以期为同类项目BIM应用提供参考。

1   总体路线

本文从应用标准、设计应用、施工应用、建设管理4个方面对郑济高铁黄河特大桥开展数字化应用研究，全面提升项目建设管理水平。其中，BIM应用标准是实现全过程数字化应用的基础，能够保证BIM信息在建设各阶段的有效传递；BIM设计应用为工程化应用提供了数字化资产，帮助实现精细化设计；结合工程难点开展的BIM施工应用能够提升施工质量；基于BIM开展的建设管理应用可助力实现土建工程信息化管理。数字化应用总体路线如图1所示。

图  1  数字化应用总体路线

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2   BIM应用标准

BIM模型中包含了大量的构件信息，若缺乏科学的模型构件分类及一致的代码规则，将会显著降低构件识别、信息传输的准确性和效率。因此，根据BIM应用需求，定义构件分类及代码标准十分关键^[5]。

为实现黄河特大桥的BIM全过程数字化应用，依据铁路BIM标准体系^[6-8]，本文从BIM命名标准、分类标准、组织结构标准、属性信息、编码标准及骨架设置6个方面，确定项目实施标准。以斜拉桥BIM实施标准为例，如图2所示。

图  2  斜拉桥BIM实施标准

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（1）标准命名，图中黄色部分实例名为BridgeTower 1.1，参考名为BridgeTower 1；（2）标准分类，图中铁路图标代表的是铁路工业基础类（IFC，Industry Foundation Class）分类，其中，空心铁路图标代表空间结构类型，实心铁路图标代表构件类型；（3）标准组织结构，如一座桥包含梁、墩台等，一个墩包含墩身、顶帽、垫石、支座等，模型中的构件都是单体物理构件；（4）标准属性信息，图中IfcCRPset_IfcBridgePart/Pier，用于跨平台属性分类的有效传输；（5）标准分类与编码，图中红色部分为标准的国际字典框架（IFD，International Framework for Dictionaries）编码；（6）骨架与模型有清晰的区分，结构树下的3D shape原则上只允许存放骨架点、线及概念体量模型，不允许存放实际物理模型。

3   BIM设计应用

BIM设计总流程一般包含设计准备、现状建模、骨架设计、模型设计、BIM应用、成果交付6个环节，需要结合模型设计内容特点选择不同的BIM软件，发挥其各自优势，实现协同设计。

3.1   方案设计

斜拉桥采用塔墩固结、塔梁分离的半漂浮结构体系，主梁采用8 m长大节段结构，桥塔及斜腹板主梁采用外倾式设置，斜拉索采用扇形布置。每个索塔设8对斜拉索，斜拉索借助索鞍在索塔内通过，两侧对称锚固于梁体腹板外侧，锚固区设锚固横梁。依托BIM设计软件的可视化、参数化、精细化建模能力，基于BIM协同设计平台（达索3D-Experience-R2017X）快速完成梁部、桥塔及锚固横梁等结构方案设计、初步设计及施工图设计，零号块方案设计如图3所示。

图  3  斜拉桥零号块方案设计

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郑济高铁黄河特大桥斜拉索采用可换式锚具，以满足规范要求的千斤顶张拉斜拉索，基于BIM可快速实现张拉千斤顶操作空间校核，满足施工要求；借助BIM三维可视化手段，校核拉索与竖墙、栏杆基础是否干扰，实现拉索与桥面系的空间校核，减少设计阶段的差错漏碰。

3.2   精细化设计

采用新型无湿接缝胶拼技术^[9]，胶拼连续梁每联全长167.85 m，共37片节段，节段预制数量总计为814片，为目前国内预制长度最长的胶拼梁。胶拼梁节段出图困难，且后期修改工作量大，本文基于Tekla软件开展胶拼梁钢筋及预应力钢束的BIM设计、出图及算量一体化应用，从模型中提取数据，直接绘制CAD施工图、统计工程数量。

郑济高铁黄河特大桥线位存在竖曲线，且斜拉索为空间布置，造成拉索锚块为空间异形结构。本文基于达索内嵌企业知识语言（EKL，Enterprise Knowledge Language）研发三维出图模块，实现一键生成5个桥塔共计80个锚块的结构尺寸，如图4所示。

图  4  空间锚块三维出图示意

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3.3   三维技术交底

采用Composer、NavisWorks等BIM软件，以及PowerPoint、Adobe Acrobat等常规软件相结合的BIM可视化和信息化交底方法，在虚拟数字环境下全面表达工程设计意图、技术标准和施工注意事项，有利于建设单位对工程的全面把控^[10]。斜拉桥及胶拼梁等特殊结构借助3D PDF实现设计技术交底，将BIM模型、设计说明、图纸及规范等集成在一个PDF文件上，提升了设计技术交底的效率和质量。

4   BIM施工应用

基于同一BIM平台在设计成果基础上开展施工深化应用，重点开展大型临时（简称：大临）设计、4D施工仿真、现场放样、振捣孔设计等工作，实现BIM的工程化应用。

4.1   大临设施设计

郑济高铁黄河特大桥的铁路胶拼预制梁场需要统筹考虑项目总工期、施工组织设计、制存梁能力等相关因素，合理划分钢筋加工区、绑扎区、制梁区、养护区、存梁区、提梁区等功能区。因此，本文基于Revit软件开展拌和站及胶拼梁梁场等大临设施BIM设计，实现梁场快速重构与优化，在提供足够安全作业空间的同时，设计出合理的施工动线，最大化梁厂的生产效率。

4.2   施组相关深化设计

借助BIM技术开展精细化设计的同时，对斜拉桥和胶拼梁节段开展振捣孔、下料孔设计，提升混凝土浇筑成型的质量，实现BIM数据的施工延伸服务；针对现场桥梁预应力钢束空间定位不准确的难点，通过BIM技术生成梁体及预应力管道，输出任意截面空间坐标，实现管道精确定位，加快现场施工进度；基于斜拉桥塔身和索鞍的BIM，实现索鞍位置钢板4个角点绝对坐标点的空间放样，确保索鞍施工位置的准确性，如图5所示。

图  5  索鞍端部钢板的空间放样

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4.3   施工工序仿真

基于BIM实现胶拼梁无湿接缝逐跨拼装工艺关键工序仿真，针对节段梁架设、预应力张拉、安装密封圈及涂胶等实现虚拟建造，利用模拟过程对施工组织方案及时间安排进行分析和优化，验证设计方案的合理性，提高方案审核的准确性。

5   基于BIM+GIS的建设管理

基于BIM+GIS的建设管理是基于“云+端”技术体系，将三维的BIM模型和属性信息导入3D GIS平台，形成三维电子沙盘，可在网页端、移动端实现模型及信息的浏览、查询。通过各管理流程的开发，实现三维可视化的项目进度管理、成本管理、安全管理、质量管理等。同时通过信息技术与施工现场管理的深度融合，建设数字工地，形成互通互联、信息共享的项目管理体系，显著提升建设质量，保障施工安全，助力施工管理方式全面升级^[11]。

5.1   电子沙盘

以国际通用IFC格式为中间媒介，基于同一构件在BIM和GIS环境下Global ID属性不变的特点，实现跨平台的BIM数据轻量化转换及工程结构分解。基于BIM深化模型导出IFC格式数据，采用自主开发程序一键生成超图UDB格式文件，支持自主定义构件颜色等属性；应用国产超图软件对模型进行优化处理，同时在软件中挂接属性信息，最终导入施工建设管理平台，开展建设管理工作。

5.2   综合管理

斜拉桥和胶拼梁工程规模大、复杂程度高、工期安排紧，项目参与方对工程进度的把控尤为重要。因此，将施工组织信息与BIM模型关联形成4D虚拟施工过程，实时检验施组，同时，实时录入项目实际进度信息、施工日志等施工信息，与计划进度进行对比，通过BIM模型可视化特性进行表达，实现对整个工程施工进度、资源和质量的统一管理和控制，从而缩短工期、降低成本并提高工程质量^[12]。

通过建立完善的安全、质量管理审批流程，与项目管理中的分部分项模块进行挂接，结合BIM构件可视化、可模拟特性，形成并行处理、信息集成、风险提前规避及问题责任到人的工程管理系统^[13]。

5.3   深基坑监测

斜拉桥主墩深基坑采用锁口钢管桩进行基坑防护，围堰设置3层围囹及内支撑。深基坑施工作为铁路施工的重点危大工程，必须实时监测基坑本身和周围环境的受力及变形工况，为工程动态化设计和信息化施工提供所需的数据，保障建设安全。基于BIM的深基坑监测涵盖基坑位移监测、基坑支撑轴力监测、桩身内力监测、围堰内外水位监测等内容，通过在线分析，将超过安全阈值的信息及时反馈给建设管理者，实现对施工过程的全面监控和有效管理。基坑监测情况如图6所示。

图  6  深基坑监测

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5.4   塔机监测

基于WebGL技术开发塔机模型并在Web中实时呈现，塔机模型采用平面建模的方式精细化制作，实现虚拟化、动态化实时显示。后端采用Spring Boot框架开发数据服务，在后台请求塔机接口获取实时数据，并将高度等数据实时同步给前端模型。

搭建集互联网、传感器、数据库等应用技术为一体的塔机安全监控管理系统，实现多方实时监管、防碰撞、防倾翻、防超载、实时报警、实时数据无线上传及记录等功能。通过实时监控塔机运行中的高度、幅度、转角、风速、倾角、吊重、力矩等实时参数，对违反操作的塔机实时预警，为高效处置提供较大便利。

5.5   架桥机监测

架桥机监测能够显示架桥风速等环境信息及架桥机最大起吊高度等设备信息，吊杆力模块可以实时远程查询和记录各施工阶段最多15个节段共计60组吊杆的全过程悬拉力值。支持显示上传的吊杆力理论计算值，并通过植入算法实时判断吊杆力与理论值的偏差是否超过规范值，程序自动判断并以不同颜色显示偏差量，实时发现和调整施工过程中吊杆力偏差。通过吊杆力值的实时记录和下载等便捷功能，全面提升桥梁建造的数字化水平。

基于Cesium的3D WebGIS三维场景加载，架桥机和桥梁等模型采用三维建模的方式精细化设计，并结合地理位置信息精确显示在3D GIS中。后端采用Spring Boot框架开发数据服务，请求架桥机接口获取实时数据，并将吊杆数据实时同步给前端3D GIS。

6   结束语

本文依托郑济高铁黄河特大桥项目，从BIM应用标准编制、BIM设计应用、BIM施工应用及基于BIM+GIS的建设管理等方面开展工程化实施，提出了涵盖BIM标准、设计、应用及平台的解决方案，实现了特殊桥梁的全过程数字化应用。研究成果可为同类土建工程建设项目的数字化综合应用提供参考。

下一步，将继续探索以BIM为核心的数字化应用，开展技术创新攻关，实现BIM+应用。同时，开展基于BIM的黄河主跨斜拉桥及大规模胶拼梁运营期间的健康监测研究工作，实现BIM与运维实时数据的集成显示，以期提升工程运维的数字化水平和管理效能。