引言

2016年交通运输部印发了《关于打造公路水运品质工程的指导意见》，制定总目标围绕BIM技术发展和行业发展需要，有序推进公路水运工程BIM技术应用，在条件成熟的领域和专业优先应用BIM技术，逐步实现BIM技术在公路水运工程广泛应用。交通运输部指出了我国交通运输行业在应用BIM 过程中的探索方向，阐述了BIM 的基本原则和发展目标^[1]。

近年来BIM 技术在桥梁领域的应用也在逐渐增多，比如夜郎河双线特大桥、沪通长江大桥、湖北鄂东长江公路大桥、土坎乌江大桥、中心滩黄河大桥、北盘江特大桥等都已或正在运用BIM 技术服务于项目^[2]。这些项目不同程度上应用了BIM 技术，利用BIM 技术解决了不少工程中的难点和重点，为以后使用BIM 技术的工程提供了现实依据^[3]。

根据交通运输部有关要求，结合我司在公路行业的发展现状和目标，科学制定BIM技术发展规划，以项目示范试点、标准化、技术研究等为先导，在条件成熟的领域优先应用 BIM 技术，总结经验，统筹推进，逐步实现 BIM 技术在我司公路工程广泛应用。赤水河大桥是四川路桥集团投建一体化示范项目，路桥集团以该项目为依托探索投建一体化项目BIM技术应用新模式，寻找一条有效推广BIM技术的路径。

1  工程概况

赤水河大桥位于习水县习酒镇，横跨川黔两省界赤水河，连接贵州江习古高速与四川叙古高速，大桥全长2009 m，主桥设计为1200 m双塔单跨钢桁梁悬索桥，造价17亿元，是江津经习水至古蔺高速公路重要控制性工程。大桥建成时是世界山区同类型桥梁中第一高塔、第二大跨的峡谷大桥。

赤水河大桥主桥为（325 m+1200 m+205 m），宽27 m，主梁为板桁结合钢桁梁，带竖腹杆的华伦式桁架结构。贵州岸引桥跨径布置为2×30 m+4×(4×40 m)，四川岸引桥跨径布置为3×33 m，引桥宽24.5 m，两岸引桥均为先简支后结构连续T梁。全桥共2根主缆，主缆采用预制平行高强钢丝索股结构（PPWS），主缆紧圆后直径737 mm。主塔采用C50混凝土，贵州岸主塔高243.5 m，四川岸主塔高228.5 m。主塔均采用钻孔桩基础形式，贵州岸为重力锚碇，锚碇采用扩大基础形式，四川岸为隧道锚碇，锚碇长度78.35 m，总体布置见图1所示。

图1  总体布置图（单位：cm）

赤水河大桥在同类型桥梁中具有示范意义，其工程特点突出，表现在桥位处地形地质情况复杂，施工地势险要，项目选线难度高，悬索桥结构体系复杂。

赤水河大桥是整个项目的控制性工程，对桥位的选择关系到整个线路的走向。本桥段主要受控因素是两岸的岔角滩煤矿采空区及压矿影响，桥位选择从穿越采空区及避绕采空区两个思路拟定，其中Q、K、S为穿越贵州境采空区的方案，Y、X为穿越四川境采空区的方案，V线为避绕采空区的方案。

赤水河大桥位于不对称的峡谷地形，贵州岸为缓坡地段，四川岸为陡崖，设计高程与地面高程之间的最大高差约为300 m。根据工程地质测绘勘察，赤水河特大桥桥位区主要有崩塌、危岩及岩溶等不良地质。桥位四川岸地形陡峭，局部坡面最大坡度接近90°，平均坡度40°左右。主塔顶距赤水河面约450 m，桥位正下方为车流量较大的县道X013古习路，施工安全风险大，且索塔设计直接关系到工程开挖防护的规模。

在结构体系方面，悬索桥是目前跨越能力最大的一种桥型，主要由悬索、索塔、锚碇、吊杆、桥面系组成。悬索桥的锚碇属于隐蔽工程，预留孔洞多而且定位复杂，同时锚碇内部的钢筋、预应力钢束、冷却水管等构件穿插交错，极易产生“错、漏、碰、缺”等问题^[4]，一旦出错可能造成后期返工甚至延长工期。此外，隧道锚是空间变化曲面，现场测量人员依据实际施工进度自行推算锚碇构造截面空间曲面坐标和众多索股的空间坐标，放样效率低下，且易于出错。其次，悬索桥钢桁梁结构复杂、杆件多、螺栓多、节点散件多。最后，本桥索夹种类多、数量多，全桥索夹多达158个，且每个索夹耳板角度不一样。

基于悬索桥设计过程中存在的困难，在设计过程中引入BIM技术，辅助工程师进行设计工作。

2  BIM实施路线

依托本项目探索投建一体化BIM应用新模式，建设伊始应用BIM技术的目标是提高项目设计质量，减少施工阶段变更，提升沟通效率和设计施工效率，节约建设工期，从而节约投资，同时兼顾考虑特大桥建、管、养全生命周期的建设理念，发挥投建一体化的优势。具体应用目标主要有以下几方面：

1) 建立高精度BIM模型，进行设计深化应用，解决悬索桥设计难点、痛点，提高设计质量，同时为特大桥建设-运维提供模型载体。

2) 探索二三维结合的出图模式，保障设计意图的高效传达；利用三维模型及其参数信息，自动生成所需要的图纸及文档。

3) 研发项目管理平台，打通各软件厂商数据互通壁垒。二次开发建模插件及出图插件，提高建模及出图效率。

根据应用目标，制定项目实施方案，利用BIM技术辅助解决悬索桥重难点设计，实施路线如图2所示。

图2  实施流程图

项目团队依托本项目组织制定企业内部《BIM协同设计管理体系》、《BIM建模标准》、《BIM信息模型应用与编码标准》三部标准。

在项目应用过程中，为了满足项目的实际需求，主要运用了Bentley等软件，其中，采用Bentley的MicroStation、PowerCivil（现为OpenRoads Designer）、ProStructures建立线路、测绘、地质、桥梁主体BIM模型。

在公司技术中心及项目组等多方支持下，项目BIM团队配备了高性能的工作站、服务器、VR设备等硬件环境。

3  BIM设计应用

根据项目特点，采用Bentley等软件完成全桥建模工作，全桥模型精度为LOD300。通过软件建立精确的桥梁模型实体，能够根据模型进行构件的加工制造，构件信息包括几何尺寸、材料类别、工程数量、构件编码等产品信息，模型信息量与施工图设计完成时的CAD图纸上的信息量保持一致。利用模型进行主桥复杂构件的三维出图与钢结构的加工制造，同时对主索鞍、散索鞍、索夹和钢桁梁等钢结构做深化设计，能够精确统计用钢量。模型完成后将模型上传至二次开发的GIS平台，进行BIM+GIS展示。

图3  三维地质图 

运用多旋翼无人机加上倾斜相机航拍项目现场，对项目场地做三维地形测绘，可视化采集桥位区地形地貌。无人机航拍的数据导入ContextCapture进行实景建模，建立场地的三维数字模型。采集和可视化现有场地条件，形成详细、精确的三维数字模型。项目初步设计阶段测绘精度为1:2000，施工图设计阶段测绘精度为1:500。利用这些数据辅助科学决策，加快方案设计流程。通过三维场地测绘，能够解决现场险要地势测绘困难及采样点不足，加快方案设计效率和降低成本。

通过基于MicroStation自主研发的三维地质模型生成模块，基于地质钻孔数据，快速生成场地范围内的地质模型，如图3所示。三维地质模型展示复杂地质结构，如溶洞不良地质、结构物与管线关系、任意地质剖面切割，二次利用可进行岸坡数值模拟计算、土石方量精确计算，如图4所示。

图4  四川岸数值模拟

另外赤水河大桥桥位选址是整个线路的控制性节点，本段线路考虑的控制因素较多，同时受控于岔角滩煤矿采空区及压矿区影响。项目采用ORD生成Q、K、S、Y、X、V六条路线方案后导入GIS平台，如图5所示。GIS技术能够直观反映主线方案桥位处不良地质和采空区的分布情况，运用三维可视化技术快速分析出路线节点工程如桥梁、隧道、高边坡等三维数字场地，便捷查询桥梁主要构件位置处的地形地貌，辅助桥址选择。结合三维倾斜摄影，对索塔、锚碇设置场地的施工难度和合理性进行分析，实现精细化设计。

图5  主线方案

赤水河大桥桥位处地势陡峭，现场踏勘困难，为了缩短便道方案设计周期。借助于GIS三维可视化技术辅助便道方案比选，如图6所示。GIS平台快速统计工程数量，确定工程规模，缩短便道的设计周期。本次方案高效确定了隧道长度最短，造价最低的方案四作为实施方案。

图6  便道方案

同时三维数字场景直观呈现桥位区地形地貌、构造物空间位置关系，运用BIM技术快速、合理规划场地大临设施布置，如图7所示，优化施工组织。

图7  施工场地布置

BIM技术在深化设计方面也有其独特的优势，如锚碇精细化设计、索夹设计、钢梁设计等方面。

悬索桥锚碇混凝土断面尺寸大、单次浇筑混凝土方量大、浇筑时间长，锚碇施工属于大体积混凝土施工，如果分层浇筑时间较长，混凝土水分蒸发过快，导致混凝土收缩开裂。而传统设计只提供分层原则，逐层数量统计困难。在建立锚碇时，按照构件拆分原则将重力锚分为散索鞍支墩、支墩基础、锚体后浇带。建立锚碇模型，依照分层浇筑原则，锚碇分为15层，每层模型为一个对象，对象有几何属性和非几何属性，三维设计能够高效统计逐层数量如图8所示，优化材料供应，严控浇筑水化热，提升浇筑质量与品质。

图8  锚碇分层和工程统量

锚碇系统精确定位是施工难点，传统设计图纸提供相对坐标、施工累计误差大、放样效率低。根据预应力管道中心线定位锚碇拉索，确定各拉索的相对位置，锚碇模型根据道路中心线组装后确定其坐标。三维模型可精确输出索股空间坐标如图9所示，解决二维设计索股定位困难，提升设计效率。同时，通过三维模型可动态查询隧道锚曲面任意空间截面控制点坐标，施工单位无需根据进度自行计算控制点坐标，可直接导入全站仪进行现场放样，随时修正模板定位，提高放样精度与效率。

图9  锚碇定位

另外，由于锚固系统的钢绞线拉索、索股锚固件数量繁多且空间位置复杂。对锚碇模型按照“系统、构件、零件”层级进行结构拆分，通过BIM模型建立锚碇钢筋三维模型，避免索股、冷却水管、定位型钢和钢筋的空间碰撞如图10所示，优化索股角度和钢筋布置，提高设计质量。

图10  锚碇索股精准设计