一种基于BIM的桥梁施工管理系统
技术领域
本发明涉及桥梁施工管理技术领域，特别是一种基于BIM的桥梁施工管理系统。
背景技术
当前，BIM技术已经在工程建设行业应用得如火如荼，但是仍然存在一个比较尴尬的现象就是设计单位和施工单位根据需求各自建模，在设计和施工单位之间还无法建立起一套基于同一BIM模型的数据传导和信息传递机制，存在着信息传递的孤岛，也就造成设计模型价值不大、施工单位重复建模的尴尬局面。特大桥梁作为公路项目的关键控制性工程，社会关注度高、技术复杂、工程量大、投资额高，影响着公路项目的顺利进行，如何充分利用BIM技术发挥模型数据在设计和施工阶段的价值，提高桥梁工程建设的效率和质量成为了亟待解决的问题。
发明内容
本发明的发明目的是，针对上述问题，提供了一种基于BIM的桥梁施工管理系统，通过BIM技术应用，解决桥梁设计和施工过程中的难点、痛点问题，打破设计和施工之间在模型交付、信息传递、数据互用方面的技术壁垒，建立设计与施工之间有效的BIM协同应用和交流机制。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于BIM的桥梁施工管理系统，包括有设计阶段和施工阶段,所述设计阶段用于实现设计桥梁的方案骨架，在所述方案骨架基础上将其拆分至施工安装单元并形成参数表，建设桥梁BIM模型并进行三维数值有限元分析，对桥梁BIM模型进行工程量计算并生成造价数据，根据桥梁BIM模型形成零部件图纸以及根据桥梁模型实现三维施工仿真；
所述施工阶段用于实现加工详图、提料零件图的制作，指导拼接安装，对比材料利用率，对关键工艺进行三维可视化仿真并模拟施工机械的动态过程、物料运输过程，进行场地布置，利用VR技术对一线施工人员实现可视化交底，通过点云模型并结合桥梁BIM模型进行误差校核，利用无人机与BIM技术进行土石方工程量的核算得到精确的填挖量。
作为优选，所述设计阶段通过以下手段实现：
S1、三维方案设计；所述三维方案设计通过以下手段实现：通过骨架驱动配合文档模板的形式，以点、线、面等基本元素建立大桥的设计方案骨架，所述文档模板为有设计规律的分部分项结构构件，能够进行参数化控制；
S2、三维参数化建模和精细设计；所述三维参数化建模和精细设计通过以下手段实现：在桥梁设计方案确定后，进行桥梁结构和部件的拆分，以满足加工和施工要求为前提条件，拆分至施工安装单元；桥梁部件的精细化设计以零件设计的方式进行，设计精度达到施工图要求，桥梁部件均以参数化的方式进行控制，同一类型、不同参数的桥梁部件做成参数化模版文件，以参数表的方式驱动模型参数，通过定义输入条件的方式进行实例化；
S3、基于BIM的三维数值分析；所述基于BIM的三维数值分析通过以下手段实现：依托三维平台，利用建好的桥梁BIM模型，在Abaqus软件中进行三维数值有限元分析，根据计算分析结果对桥梁的设计方案进行修改和调整；
S4、基于BIM的工程算量；所述基于BIM的工程算量通过以下手段实现：结合桥梁部件的BIM模型进行工程量统计，通过调取产品文件和零件文件的属性信息，按设计和施工的需求提取相关信息数据统计形成工程量表，进一步结合定额文件，生成造价数据；
S5、三维图纸交付；所述三维图纸交付通过以下手段实现：基于桥梁部件的模型，通过投影或剖视的方式生成相应部件的图纸，对同一类型、不同参数的零部件进行出图样式的定制，形成该部件的标准二维图样板，通过不同位置生成不同的实例，得到通用构件的不同位置的实际图纸；通过参数变化可以快速生成对应参数的零部件图纸；
S6、三维可视化交底；所述三维可视化交底通过以下手段实现：基于桥梁的三维模型，直观地展示三维模型设计成果，用于设计与施工方方便地就设计方案进行沟通和讨论；
S7、三维施工仿真；所述三维施工仿真通过以下手段实现：基于Catia的施工仿真模块，对桥梁设计模型进行三维施工仿真，模拟施工安装过程，检验设计成果的合理性，以提供优化的方案。
作为优选，所述施工阶段包括有以下步骤：
S1、钢桥加工；所述钢桥加工通过以下手段实现：根据设计的桥梁模型和图纸进行复核，导入预拱并修正模型；根据模型进行工艺设计、采购钢材、加工详图制作、指导矢高图绘制、指导胎架图绘制、指导拼接安装，同时提供提料的零件图；
S2、三维可视化施工仿真；模拟施工机械的动态过程，模拟物料运输的过程；
S3、场地布置；所述场地布置通过以下手段实现：项目前期阶段，利用无人机倾斜摄影技术获取大桥两岸的三维地形，将桥梁的BIM模型以及三维地形导入SuperMapiDesktop 9D软件中，得到电子沙盘；项目临建阶段，利用所述电子沙盘结合桥梁的BIM模型布置现场，通过在临建区域放置按设计方案搭建的BIM模型同时在临建区域放置效果图；
项目施工阶段，定期采集施工区域的地形，不断更新电子沙盘，通过电子沙盘即可了解到整个项目的进展情况；
S4、三维可视化增强交底；所述三维可视化增强交底通过以下手段实现:结合施工模型设计VR漫游，对大桥工人开展缆索系统等复杂结构三维可视化交底；打造VR安全教育体验馆，结合现场实际情况，还原真实施工现场，开展VR安全教育；当虚拟三维可视化交底无法起到作用或结构复杂时，通过3D打印技术，进行实体交底，增加工人的认知，从而加快交底效率；
S5、误差核算；所述误差核算通过以下手段实现：
在拱肋进行预拼装阶段，利用三维激光扫描仪对总成节段进行扫描，通过软件将各测站扫描到的点云数据，拼接成点云模型，通过预先定位的基准点，将拱肋的点云模型与BIM模型叠合，通过着色深浅，来反映加工构件与设计的偏差并生成误差分析报告；
在拱肋扫描阶段，视现场实际情况进行扫描，如现场方便操作，则进行拱肋全节段扫描校核，如不能全面扫描拱肋节段时，则扫描节段的主要关键位置或关键控制点，校核关键位置的加工精度。
作为优选，所述施工阶段还包括有钢桥焊缝管理，所述钢桥焊缝管理通过以下步骤实现：
S1、建立每条焊缝的模型，构建焊缝地图；
S2、在桥梁施工阶段记录焊缝属性、焊缝加工信息、焊缝质量数据；
S3、开发接口，将S2步骤所记录的数据信息导出至管理平台。
作为优选，所述施工阶段还包括有土方量计算，所述土方量计算通过以下手段实现:当工程出现大方量的填挖工作时，使用无人机采集数据并结合BIM技术进行土石方工程量的核算，在清表后项目提出需求，即可利用无人机采集原始数据，开挖完成后再进行数据采集，为项目计算出精确的填挖量。
作为优选，所述施工阶段还包括有建设智慧展厅，所述建设智慧展厅通过以下手段实现：利用BIM技术设计智慧展厅布置，并进行优化，为项目提供优化后的展厅设计，用于展示内容为项目重难点、项目亮点、新工艺以及项目科技应用，能够充分展示出项目建设情况。
作为优选，在所述施工阶段的后期还设有建设企业定额库阶段，其主要步骤为：研发并实施本桥对应的企业定额库，并将企业定额与BIM模型建立参数关联关系。
作为优选，所述施工阶段的三维可视化增强交底还包括有以下步骤：在项目的整个建设工期，利用720全景技术，将场地布置等方案生成720度全景，并通过点击网址链接、手机扫码的方式进行传达汇报，进行三维可视交底；同时，可根据项目需求，在720度全景中关联视频监控，实时查看各个部位的施工情况，定期地对项目进行实景720度制作，记录施工过程，向外界传递施工进展情况。
作为优选，还包括有依次设于所述设计阶段之前的数字化集成交付阶段和设计与施工协同工作阶段，所述数字化集成交付阶段用于实现设计施工一体化、设计方案的持续优化、施工组织设计的持续优化，所述设计与施工协同工作阶段用于实现优化管理，获取设计与施工版本的不同之处，进行及时修改。
作为优选，所述设计与施工协同工作阶段通过以下手段实现：依托三维平台，实际结构按结构树建立实际的结构树；在结构树上挂接实际的模型，通过对比二次不同发布的结构树下各节点各构件的版本，获得模型修改处并进行相应修改。
由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
基于BIM技术应用建立设计与施工之间有效的BIM协同应用和交流机制，打破设计和施工之间在模型交付、信息传递、数据互用方面的技术壁垒，使得设计施工一体化、设计方案的持续优化、施工组织设计的持续优化。
基于设计阶段，实现桥梁设计方案的快速修改和调整，快速调整的模型方案对应着快速调整的计算模型，大大降低修改过程所需时间，在源头上实现大幅节约造价；通过参数变化可以快速生成对应参数的零部件图纸，提升出图的效率，特别适合设计参数发生变更时，模型的变更关联到二维图纸的变更，极大地提升了效率。
基于施工阶段，实现进度质量安全管理，对关键工艺进行四维可视化仿真，模拟施工机械的动态过程，模拟物料运输的过程，提前发现潜在的动态碰撞，帮助业主、设计、施工方查看主体结构、临建结构布置是否合理，辅助项目各方进行设计调整，保证项目的顺利实施；同时，通过还原真实施工现场，开展VR安全教育，让工人从感知到交互，从学习到理解，增加工人的认知，从而加快交底效率，让一线施工人员尽可能避开工地现场危险源，减少伤亡伤害；拱肋点云模型与BIM模型叠合，通过着色深浅，来反映加工构件与设计的偏差并生成误差分析报告，保证构件精细制造，降低误差。
附图说明
图1是本发明桥梁施工管理系统的原理框图；
图2是本发明桥梁施工管理系统设计阶段的原理框图；
图3是本发明桥梁施工管理系统施工阶段的原理框图。
附图中：1、数字化集成交付阶段；2、设计与施工协同工作阶段；3、设计阶段；301、三维方案设计；302、三维参数化建模和精细设计；303、基于BIM的三维数值分析；304、基于BIM的工程算量；305、三维图纸交付；306、三维可视化交底；307、三维施工仿真；4、施工阶段；401、钢桥加工；402、三维可视化施工仿真；403、场地布置；404、三维可视化增强交底；405、误差核算；406、钢桥焊缝管理；407、土方量计算；408、建设智慧展厅；5、建设企业定额库阶段。
具体实施方式
以下结合附图对发明的具体实施进一步说明。
本申请的一种典型实施例，提供了一种基于BIM的桥梁施工管理系统，以龙滩天湖特大桥为试点，通过BIM技术应用，解决桥梁设计和施工过程中的难点、痛点问题，打破设计和施工之间在模型交付、信息传递、数据互用方面的技术壁垒，建立设计与施工之间有效的BIM协同应用和交流机制，形成工程BIM联合应用示范性项目。
该系统包括有数字化集成交付阶段、设计与施工协同工作阶段、设计阶段以及施工阶段。通过BIM技术实现IPD模式，使得设计施工一体化、设计方案的持续优化、施工组织设计的持续优化。在设计阶段、施工阶段之前设立设计与施工协同工作阶段，实现优化管理，获取设计与施工版本的不同之处，进行及时修改。
数字化集成交付阶段：建设项目的主要参与方在项目的前期尽早地参与到项目中，能在项目初期把各自的知识和经验充分运用到建设项目中。基于BIM模型设计施工协同，使得施工、加工方在第一时间就能参与到项目过程中，极大地降低了后期实施中的风险，同时在方案选择时可以选择更优的方案。项目所有参与方在建设项目的全生命周期内能够密切地合作，将共同制定的项目目标完成，并努力促使项目收益达到最大化。通过BIM技术实现IPD模式，以实现设计施工一体化、设计方案的持续优化、施工组织设计的持续优化。
设计与施工的协同工作阶段：依托达索三维体验平台，实际结构按结构树建立实际的结构树。在结构树上挂接实际的模型，通过版本管理来实现目前矛盾最突出的变更问题，发布后，结构树上的每个节点都有自己的版本。可通过对比二次不同发布的结构树下各节点各构件的版本，即可知模型修改处。
设计阶段包括有三维方案设计、三维参数化建模和精细设计、基于BIM的三维数值分析、基于BIM的工程算量、三维图纸交付、三维可视化交底以及三维施工仿真。
施工阶段包括有钢桥加工、三维可视化施工仿真、场地布置、三维可视化增强交底、点云数据与BIM技术制造的误差校核以及建设智慧展厅策划、土方量计算。
设计阶段与施工阶段的具体的实施步骤为：
基于BIM模型设计施工协同，使得施工、加工方在第一时间就能参与到项目过程中，在建设项目的全生命周期内，项目所有参与方能够密切地合作，将共同制定的项目目标完成，并努力促使项目收益达到最大化。
设计阶段：
步骤一，进行桥梁三维方案的设计，通过骨架驱动配合文档模板的形式，以点、线、面等基本元素建立龙滩特大桥的设计方案骨架，文档模板为有设计规律的分部分项结构构件，需进行参数化控制。根据节段的特点，设计合理的控制参数表。根据方案咨询、审查意见，通过快速调整骨架元素的控制参数以及参数表，实现桥梁设计方案的快速修改和调整；
步骤二，进行三维参数化建模和精细设计，在桥梁设计方案确定后，进行桥梁结构和部件的拆分，以满足加工和施工要求为前提条件，拆分至施工安装单元；桥梁部件的精细化设计以零件设计的方式进行，设计精度达到施工图要求，部件均以参数化的方式进行控制，同一类型、不同参数的部件做成参数化模版文件，以参数表的方式驱动模型参数，通过定义输入条件的方式进行实例化；编写自动化建模脚本，使得变更时只需快速批量调整参数，模型在脚本控制下自动批量生成；
步骤三，基于BIM的三维数值分析，由于传统的设计图纸与计算模型分离，设计变更时，模型改变会很费时费力，依托达索三维体验平台，利用建好的桥梁BIM模型，在Abaqus软件中进行三维数值有限元分析，根据计算分析结果对桥梁的设计方案进行修改和调整。快速调整的模型方案对应着快速调整的计算模型，大大降低修改过程所需时间，使得结构优化成为可能，从而在源头上实现大幅节约造价；
步骤四，基于BIM的工程算量，结合桥梁部件BIM模型进行工程量统计，通过调取产品文件和零件文件的属性信息，按设计和施工的需求提取相关信息数据统计形成工程量表，进一步结合定额文件，可以快速生成造价数据。
步骤五，进行三维图纸交付，图纸的表达有几何相关以及非几何相关的，几何相关的部分，可以基于桥梁部件的模型，通过投影或剖视的方式生成相应部件的图纸；非几何相关的部分，在研究数据规律的情况下，设计一个合适的数据结构，直接将非几何信息保存于模型中，再通过参数化批量化快速形成，然后再开发相关软件将这些信息在图纸中表达出来；
对同一类型、不同参数的零部件进行出图样式的定制，形成该部件的标准二维图样板，通过不同位置生成不同的实例，得到通用构件的不同位置的实际图纸；通过参数变化可以快速生成对应参数的零部件图纸，提升出图的效率；特别适合设计参数发生变更时，模型的变更关联到二维图纸的变更，极大地提升了效率；
步骤六，进行三维可视化交底和三维施工仿真，基于桥梁设计的三维模型，直观地展示三维模型设计成果，设计与施工方可以方便地就设计方案进行沟通和讨论，基于Catia的施工仿真模块，对设计模型进行三维施工仿真，模拟施工安装过程，检验设计成果的合理性，并给设计提供优化的方案和参考。
施工阶段：
步骤一,进行钢桥加工，接受设计院的模型并根据图纸进行复核，导入预拱并修正模型，根据模型进行工艺设计；根据模型进行提料，用于采购钢材；根据模型，进行加工详图制作；根据模型，指导矢高图绘制；根据模型，指导胎架图绘制；根据模型，指导拼接安装；同时提供根据提供的提料零件图，安排二家单位进行套料，对比材料利用率，优先选择利用率高的方案；
步骤二，进行三维可视化施工仿真，基于Delmia的施工组织设计可视化优化，建立三维桥梁模型、建立施工设备模型、建立施工过程的过程模型；进行三维可视化施工仿真；建立BIM模型的参数与施工工艺参数的关联关系，并开发软件进行联动；协助进行施工组织设计，优化施工组织方案，合理安排空间、干涉、资源；对关键工艺进行四维可视化仿真；模拟施工机械的动态过程，模拟物料运输的过程；提前发现潜在的动态碰撞；
步骤三，进行场地布置，在项目前期，利用无人机倾斜摄影技术获取龙滩天湖特大桥两岸的三维地形，再与一阶段设计图的BIM模型以及奥维地图三维地形一同导入SuperMap iDesktop 9D软件中，得到电子沙盘，再通过在电子沙盘上进行保护区、路线、文字标识，真实还原现场实际情况，整体展示出项目概况，帮助业主、设计、施工方查看主体结构、临建结构布置是否合理，辅助项目各方进行设计调整，保证项目的顺利实施；除此之外，在项目临建阶段，利用电子沙盘结合BIM模型布置现场，通过在临建区域放置按设计方案搭建的BIM模型，预先预测目前所建场地是否符合布置要求，以此来指导项目进行前期选线、场地规划等，同时在临建区域放置效果图，以达到推演汇报功能；
在项目施工阶段，定期采集施工区域的地形，不断更新电子沙盘，通过电子沙盘即可了解到整个项目的进展情况，利于项目进度汇报；
在项目临建方面，利用BIM技术对临建方案按照1：1实际大小进行模型搭建，生成临建布置效果图，通过对整体临建三维效果图的观感进行观察，对位置不合适的临建及时进行整体移位，最终达到现场临建布置美观、和谐的效果；如拌合站、钢筋厂等临建设施。
步骤四，进行三维可视化增强交底，在设计阶段，利用VR技术，结合一阶段施工图纸BIM模型，开展设计交底，让各参建方直观查看设计效果，进行设计优化；
在施工阶段，结合施工模型设计VR漫游，对大桥工人开展缆索系统等复杂结构三维可视化交底，提前预知施工过程中的难点、危险点，避免事故发生；
打造VR安全教育体验馆，结合现场实际情况，还原真实施工现场，开展VR安全教育，让工人从感知到交互，从学习到理解，让一线施工人员尽可能避开工地现场危险源，减少伤亡伤害，对大桥施工过程中遇到的复杂结构设计AR可视化交底，辅助交底，以此来提高项目交底效率；当虚拟三维可视化交底无法起到作用或结构复杂时，通过3D打印技术，进行实体交底，增加工人的认知，从而加快交底效率；
步骤五，在大桥施工期间的每个关键施工工序中，提前利用BIM技术对关键施工工序进行施工动画模拟，如高墩施工、塔架安装、拱肋节段吊装等方案进行模拟，在专家评审会或工人技术交底中增强交底，提高交底效率；
步骤六，进行点云数据的获取并结合BIM制造误差校核,在项目拱肋进行预拼装时，利用三维激光扫描仪对总成节段进行扫描，通过软件将各测站扫描到的点云数据，拼接成点云模型，通过预先定位的基准点，将拱肋点云模型与BIM模型叠合，通过着色深浅，来反映加工构件与设计的偏差并生成误差分析报告，保证构件精细制造。
在拱肋扫描阶段，视现场实际情况进行扫描，如现场方便操作，则进行拱肋全节段扫描校核，如不能全面扫描拱肋节段时，则扫描节段的主要关键位置或关键控制点，校核关键位置的加工精度。同时，如因仪器问题不能采集所有节段的点云模型时，则采集1/4节段的拱肋点云数据，校核单幅某岸的每一节段的加工精度。
步骤七，进行土方量计算，当工程出现大方量的填挖工作时，使用无人机结合BIM技术应用于进行土石方工程量的核算，在清表后项目提出需求，即可利用无人机采集原始数据，开挖完成后再进行数据采集，为项目计算出精确的填挖量，从而为工程预结算提供可靠的依据，达到降本增效的目的。
在施工阶段的三维可视化增强交底还包括有以下步骤：在项目的整个建设工期，利用720全景技术，将场地布置等方案通过手机进行传达汇报，进行三维可视交底的作用；同时，可根据项目需求，在720全景中关联视频监控，实时查看各个部位的施工情况，定期的对项目进行实景720度制作，记录施工过程，向外界传递施工进展情况。
在一种优选的实施例中，施工阶段还包括有设于钢桥加工和三维可视化施工仿真之间的钢桥焊缝管理，研发并根据项目定制，实现进度质量安全管理，并实现图形化展示，钢桥焊缝管理通过以下步骤实现：
步骤一、建立每条焊缝的模型，构建焊缝地图；
步骤二、在桥梁施工阶段记录焊缝属性、焊缝加工信息、焊缝质量数据；
步骤三、开发接口，将步骤二所记录的数据信息导出至管理平台。
在另一优选的实施例中，施工阶段还包括有建设智慧展厅，建设智慧展厅通过以下手段实现：利用BIM技术设计智慧展厅布置，并进行优化，为项目提供优化后的展厅设计，用于展示内容为项目重难点、项目亮点、新工艺以及项目科技应用，能够充分展示出项目建设情况。
在另一优选的实施例中，施工阶段的后期还设有建设企业定额库阶段，其主要步骤为：研发并实施本桥对应的企业定额库，并将企业定额与BIM模型建立参数关联关系。
本发明基于BIM技术应用建立设计与施工之间有效的BIM协同应用和交流机制，打破设计和施工之间在模型交付、信息传递、数据互用方面的技术壁垒，使得设计施工一体化、设计方案的持续优化、施工组织设计的持续优化。
基于设计阶段，实现桥梁设计方案的快速修改和调整，快速调整的模型方案对应着快速调整的计算模型，大大降低修改过程所需时间，在源头上实现大幅节约造价；通过参数变化可以快速生成对应参数的零部件图纸，提升出图的效率，特别适合设计参数发生变更时，模型的变更关联到二维图纸的变更，极大地提升了效率。
基于施工阶段，实现进度质量安全管理，对关键工艺进行四维可视化仿真，模拟施工机械的动态过程，模拟物料运输的过程，提前发现潜在的动态碰撞，帮助业主、设计、施工方查看主体结构、临建结构布置是否合理，辅助项目各方进行设计调整，保证项目的顺利实施；同时，通过还原真实施工现场，开展VR安全教育，让工人从感知到交互，从学习到理解，增加工人的认知，从而加快交底效率，让一线施工人员尽可能避开工地现场危险源，减少伤亡伤害；拱肋点云模型与BIM模型叠合，通过着色深浅，来反映加工构件与设计的偏差并生成误差分析报告，保证构件精细制造，降低误差。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。
