1. 项目背景
福厦高铁位于福建省沿海地区，北起福州，经莆田、泉州，南至厦门、漳州。线路不仅可以构建京福厦高铁客运通道，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项目，也是福建省沿海地区加快新型城镇化建设、推进路地协同发展的示范项目，有利于增强海西经济区的辐射力和对台吸引力，增强福建省对外高速客运网络，对沿线城市发展和路网建设具有突出的带动作用。
福厦高铁全长277.8公里，其中桥梁占65.3%，全线桥梁广泛采用常规区段通用结构，提高标准化程度和工程效益。跨海、跨江、互通式立交区段，根据工程情况采用多种形式的特殊大跨度桥梁结构，为BIM技术的应用提供了丰富的场景。从设计到施工，项目参与方积极探索BIM技术的应用范围，在标准结构构件库建设、复杂桥梁参数化建模、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的成果，积累了宝贵的经验。
2.设计阶段实施内容
福厦高铁全线桥梁类型多样复杂，有大跨度复杂斜拉桥、拱桥、钢桁梁、连续刚构、T形构、常规三跨连续梁，还有道岔、交叉口、多跨等特殊连续梁，标准和非标准简支梁；墩台、桥台、承台、桩基等桥梁结构形式多样。特殊桥梁结构多位于曲线上，曲线形结构较多。
基于参数化、模块化设计思想，利用Revit进行桥涵详细BIM建模，建立高铁桥梁构件库及各类特殊结构桥梁，并基于线路模型进行参数化装配集成，实现BIM技术在桥梁设计、建设阶段的应用。
2.1 参数化建模
采用通用选图的设计理念进行模块化设计，前期建立自适应族库，包括标准梁、墩、台、基础、涵洞等，设计建模过程中只需调用和修改参数，然后基于线模型进行装配即可。
项目以Dynamo For Revit可视化编程技术为核心，开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、曲线结构桥等复杂桥梁设计建模过程中发挥了重大作用。
（1）桥墩及基础
福厦高铁段正线墩高20m以下采用流线型圆头实体墩，20-26m墩高采用斜型实体墩，26m以上墩高采用圆头空心墩。正线、联络线、移动线采用矩形空心桥台，基础主要采用桩基。以上结构均已建立参数化构件库，见图2.1（1）（2）。
（2）横梁及附件
正线标准简支梁采用《时速350公里/小时客运专线无砟轨道后张预应力混凝土简支箱梁》[通桥（2016）2322A]。简支梁建模采用公制结构框架-梁及支撑标准构件族模板，建立简支梁构件族。具体步骤为：新建族，选择公制结构框架-梁及支撑，定义有助于控制对象可见性的族子类别；布置有助于绘制构件几何图形的参考平面，添加尺寸标注以指定参数化构件几何图形；在不同梁段位置绘制横截面形状，拉伸或合并以创建实体单元，最后添加材料。32.6m简支梁模型如图2.1（3）所示。
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。连续梁建模分段，分别创建度量结构框架梁及支撑构件族；各段按结构模板工程文件中的线序生成。（70+125+70m）连续梁模型如图2.1（4）所示。
正线桥面布置、桥面附件及其他结构按《客运专线铁路常用跨度梁桥面附件》【通桥（2016）8388A】及《新建福州至厦门铁路预制拼装桥面设施施工图》【福厦建（桥）改-B3】执行，桥面附件见图2.1（5）。
（3）拱桥
以梅山大桥钢管混凝土系杆拱桥为例，拱圈主结构线为空间曲线，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，在求得线平面的基础上，通过偏移高程值得到实际的线空间曲线，此曲线即为主梁轴线。
建立拱肋模型时，首先获取线空间曲线的局部坐标系，根据偏移空间坐标获取拱肋的拱轴线；然后建立垂直于拱轴线的平面并赋值拱肋横截面，形成拱肋实体模型。
建立交叉支撑模型时，通过主梁上交叉支撑的纵坐标确定拱肋轴线与垂直于主梁轴线的平面的交点，从而确定空间坐标，采用相对坐标对交叉支撑之间的杆件进行定位和赋截面，再通过连线放样生成实体模型。
在建立拱桥吊杆时，首先确定吊杆在拱肋及主梁上的端点，然后通过相对坐标进行截面特征定位及赋值，最后通过放出各点连线的方式生成实体模型，如图2.1（6）所示。
建立拱脚模型时，通过节点形成封闭的多边形，再通过放样形成实体模型；建立主梁模型时，沿主梁轴线方向对梁段进行拼装。所有拱桥构件拼装即可生成完整的拱桥模型，如图2.1（7）所示。
（4）钢-混凝土组合梁斜拉桥
以安海湾大桥主桥为例，其为双塔双索面钢-混凝土组合梁斜拉桥，跨度为（40+135+300+135+40）m。针对钢-混凝土组合梁斜拉桥的结构特点，通过参数化、族库技术，实现精准、高效、快速的BIM设计。
斜拉桥主要由主梁、桥塔、索、墩基础等组成。在建立梁段时，以参数化加劲肋板族为例，首先在Revit公制常规模型中参数化建立板轮廓，然后通过拉伸、融合、旋转、放样等操作建立参数化模型。将各参数化构件族导入到公制常规模型嵌套族中，进行参数化定位，形成二次参数化横隔板嵌套族。将各二次参数化嵌套族导入到公制常规模型嵌套族中，进行参数化定位，生成一次参数化主梁段嵌套族，如图2.1（8）所示。斜拉桥主梁详细结构如图2.1（9）（10）所示。
建立桥塔模型时，按照桥塔造型划分桥塔段，采用度量常规模型模板建立桥塔构件族，再组装成整体桥塔模型，如图2.1（11）所示。
在建造桥墩及基础时，采用度量体量标准构件族，对模型进行参数化设计，以满足不同类型的桥墩的要求。
整桥拼装时，根据桥梁横纵线形，考虑桥梁纵向坡度，将构件族拼装成主桥模型。主桥模型与引桥模型拼装成全桥模型，如图2.1（12）所示。
（1）圆端实心墩、圆端空心墩
（2）主线矩形空心桥台及桩基
（3）32.6米简支梁
（4）连续梁
（5）桥面附着物
（6）Dynamo 蓬勃发展
（7）钢管混凝土系杆拱桥
(8) 一级参数主梁段嵌套族
(9)钢梁节段细部构造
（10）锚固结构及栏杆细节
（10）安海湾桥塔
（12）安海湾大桥主桥及全桥模型
图 2.1
2.2 BIM技术服务
桥梁沿线专业模型建立后，在Navisworks、Infraworks软件中与轨道、接触网、声屏障、勘测等专业模型进行集成，形成福厦高铁全线BIM模型。
（1）利用BIM软件建立全线所有桥梁的BIM模型，并结合工程量及图纸修改结构平面图（见图2.2（1））。
（2）建立各连续梁模型，模型建立及集成顺序满足施工工艺要求，模型精度控制在毫米级误差内，结合BIM技术的可视化、协调、模拟、优化、输出等功能，进行数据分析与提取，如图2.2（2）所示。
（3）通过混凝土体积设计体积、BIM建模体积、实际施工体积三个量进行对比，精准指导施工现场混凝土浇筑体积，达到节能环保效果，如图2.2（3）所示。
（4）检查连续梁预应力钢绞线布置有无错漏；预应力管（锚、夹、连接件）间有无相互干扰；腹板预应力槽开设位置是否正确，减少钢筋与锚栓碰撞，利用BIM提高施工质量，见图2.2（4）。
（5）优化钢筋布置，避免预应力管道安装，并准确定位。分析钢筋布置情况，优化混凝土喂料管，实现顶板竖向多孔振捣，在边模上预置振捣槽，并设置人孔、天窗，提高连续梁浇筑质量，见图2.2（5）。
（6）对连续梁预应力体系进行建模分析，优化挂篮及钢模板孔位布置，防止后期施工时出现碰撞问题，见图2.2（6）。
（7）检查钢筋与预应力钢筋、梁的预埋件碰撞情况；检查钢筋安装是否符合设计图保护层的要求；分析钢筋间的搭接、错位是否影响梁体其他构件的施工，钢筋过于密集是否会造成排布困难；通过建模模拟观察分析钢结构连续梁，检查钢筋工程量有无错漏及是否有优化空间，见图2.2（7）。
（8）可实时提供结构任意角度、位置的二维施工图，便于施工阶段指导现场施工，见图2.2（8）。
（9）三维建模优化结果可以导出为PDF模型，导出的模型可以在电脑、手机上查看模型数据、安装位置等关键信息。
（10）以BIM技术为基础数据源，建设信息网络平台，将所有钢筋加工业务纳入平台管理，BIM人员通过建立精准模型，提供精准钢筋数据，现场人员根据现场生产调度下达物料订单，配送中心根据订单需求和BIM数据安排内部综合生产管理，见图2.2（9）。
（1）BIM模型创建
（2）连续梁模型
（3）三个量的比较
（4）预应力钢筋检查
（5）管线定位
（6）检查孔碰撞
（7）检查钢筋碰撞、遗漏
（8）提供图纸
（9）BIM技术实现路线
图 2.2
2.3 BIM成果应用
（1）精细化分析与设计
福厦高铁泉州湾跨海大桥主斜拉桥采用BIM与有限元分析相结合的方法，将BIM模型导入有限元软件，进行模型网格划分、边界条件设定及荷载施加，计算结构整体应力，并对复杂节点进行局部应力分析，如图2.3（1）所示。
（2）结构景观优化
福厦高铁大跨度斜拉桥结合BIM进行景观设计。索塔是斜拉桥的灵魂支柱，不仅起到支撑、传力的作用，也是决定桥梁景观效果的重要因素。以泉州湾主桥索塔为例，利用BIM技术对多种索塔方案进行比对，更直观地展示不同类型索塔的外观效果。经过比对，最终采用贝壳型索塔。贝壳型混凝土桥塔造型新颖美观，蕴含海洋元素，塔柱梁弧形单元一体化，克服了索塔高宽比大造成的比例不协调的问题，如图2.3（2）所示。
栏杆造型考虑福建沿海气候，降低栏杆风阻，呼应索塔造型，体现海洋与地域文化。通过BIM设计建模与选取，提取海浪、帆船、水、贝壳等元素并进行艺术化处理，泉州湾大桥主桥栏杆造型选取波浪形，如图2.3（3）所示。
通过BIM建模，直观展示首次采用的连续刚架组合拱体系，上下层拱肋形成“月牙形”结构，线条更加清晰，造型更加简洁美观，模型如图2.3（4）所示。
设计灵感来源于海洋文化、古碉楼和莆田荔枝。整个系列桥梁以白色为主，呼应海洋文化背景，部分区域采用红色。红色不仅是中国的象征，也是福建著名景点古碉楼的主色调，也是福建特产莆田荔枝的主色调。除钢桁梁桥外，全线铁路只有栏杆采用红色，通过两种颜色将铁路所有元素融为一体。
（3）视觉简报
基于斜拉桥BIM设计成果，对施工进度及工艺进行了动态模拟，进入施工阶段后，基于BIM设计成果进行了较为全面的施工组深入模拟。以桥塔施工为例，进行了下塔柱翻模施工模拟、中塔柱及上塔柱液压爬模施工模拟、下横梁及上横梁塔架分层浇筑施工模拟，并进行了可视化讲解，见图2.3（5）。
（4）过程模拟
结合地形数据文件，建立梁场内部真实地形场景；整合已制作并存储的梁座、简支梁及整桥模型钢结构连续梁，以及梁场护坡模型，建立梁场综合BIM模型。
将梁场三维模型导入Navisworks，导入项目施工进度计划，利用自带的Timeliner模块模拟梁的制造及架设施工，如图2.3（6）所示。
（1）BIM与有限元分析相结合
（2）塔设计
（3）栏杆设计
（4）拱桥景观设计
（5）BIM可视化简报
（6）Naviswroks集成梁场模型
图 2.3
2.4 铁路BIM联盟标准实施情况
贯彻落实铁路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》数据传输要求，福厦高铁每个BIM构件都应具有唯一身份证，即实例化代码，又称元数据代码。每个实例化代码由公共IFD代码（类代码）+福厦项目专用代码组成。为此，《铁路工程信息模型分类与编码标准》中IFD代码进一步结构化，并存储在设计协同平台公共数据库中，为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，按照联盟标准框架新增85个信息分类与编码。新增的IFD代码作为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BIM设计模型包含数万个构件，如何将如此大量的构件按照《铁路工程建设管理平台》的要求整理成BIM模型圣诞树状结构，并将各个实例化编码与Revit文件中对应的BIM构件进行绑定，是一项巨大的挑战。为此专门开发了数据编码自动赋值插件，以解决手工编码的效率问题，见图2.4（1）。
（1）数据编码自动赋值插桥实例化编码
图 2.4
3.施工应用
在施工阶段的过程管理方面，可以建立整座桥梁的4D施工进度模型，模拟施工过程，可以直观地体现BIM技术在可视化简报、碰撞检测、施工材料统计、施工现场布置、可视化施工模拟、可视化施工管理等方面的应用，对实际桥梁项目建设能够起到一定的优化作用。
在施工阶段的质量控制方面，在制定总体施工控制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、安装全过程进行控制。应采用基于几何控制方法的大跨度斜拉桥自适应控制系统，尽量使桥梁结构的线形、内力的大小和分布与设计目标相一致。数字化施工控制技术的运用，对保证结构安全和保证施工的顺利实施起着至关重要的作用。
3.1 五龙河大桥建设中的BIM应用
乌龙河大桥实现BIM管理应用，并基于BIM模型在大型临时工程选址、可视化交底、碰撞检测、重大方案比对等方面进行了深入应用，优化了施工组织，有效降低了施工作业成本，提高了施工生产效率。
（1）大型临时工程
大连项目在建设前期就利用BIM技术对基地各项功能进行提前搭建模型、模拟仿真，使区域划分更加合理。
（2）视觉简报
通过工艺的模拟演示，制作三维作业指导书，作为施工人员的学习培训材料，提高施工人员的技术水平和施工过程的安全质量。利用BIM技术的三维可视化，对混凝土浇筑、振捣施工过程制作动画，为施工人员提供直观的技术交底，增强现场施工人员对工艺要求的理解，保证技术交底的可行性和可操作性。
（3）碰撞检测
利用BIM技术指导现场施工，对钢筋与预应力管道、预应力管道与钢筋定位网、钢筋与预埋件、预应力管道与通风孔、排水孔等位置开展钢筋碰撞模型试验，进一步优化箱梁钢筋布置方式。
（4）主要方案比选
通过施工工艺推演、进度模拟、图纸分析等方式，对工程进行合理化分析，选出最高效、最经济的最优施工方案，帮助施工方节省施工成本，提高工程的安全和质量。
针对乌龙河大桥的管理需求，建立了主塔、钢梁、混凝土梁及缆索的BIM模型，建模过程中综合考虑施工过程模拟及管理需求，对模型进行了进一步的划分和处理。
（五）BIM实施效果
乌龙河大桥建设BIM管理应用，实现了施工管理、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。乌龙河大桥整体模型如图3.2（1）所示。
（1）电子地形图应用技术-实景融合
图 3.2
3.2 BIM在泉州湾跨海大桥建设中的应用
泉州湾跨海大桥BIM技术应用：具体流程为全息模型创建及深化→模型二次深化→施工技术管理→优化集成→基于E-BIM平台的协同管理。通过可视化过程仿真、碰撞监测、施工工序分析等一系列BIM技术的应用，不断完善施工方案，节省工期，提高生产效率。
（1）全息模型的创建与深化
Autodesk Revit软件是构建BIM全息模型的核心建模软件，在将BIM模型应用到施工阶段的过程中，第一步就是在设计阶段对三维模型进行完善，并附加相应的信息，如图3.3（1）。
（2）二次模型深化
在交付模型的基础上，根据施工实际情况进一步深化模型，指导现场施工、方案比选优化、施工简报等，参见图3.3（2）。
（3）施工技术管理
桥梁施工中应用BIM技术管理的主要目的是保证施工方案的可行性，提高施工效率，减少资源浪费，提高管理水平。通过运用可视化过程仿真、碰撞监测、施工工序分析等一系列BIM技术，可以不断改进施工方案。
① 碰撞检查
基于BIM技术优异的三维可视性，可以清晰直观地展现复杂构件间的空间位置关系。在结构复杂的区域，利用BIM碰撞检测技术检查构件间的空间关系，提前发现问题，及时提出调整方案，降低返工率，降低成本，节省施工时间。
②3D漫游检测
通过BIM技术进行动态三维漫游监测，模拟施工环境，管理人员及相关施工人员可根据漫游检测提前发现问题，并提出解决方案。
③施工图审核
在项目施工前，可以利用全息模型的可视化功能，快速发现施工图中的错误、遗漏、碰撞等情况，提高图纸审核质量，避免施工过程中因图纸信息不清而导致的误工、施工延误。
④施工方案模拟
在施工作业模型基础上添加施工方法、施工工艺、施工顺序等信息，对施工过程进行可视化模拟，充分利用建筑信息模型对方案进行分析优化，提高方案评审的准确性，实现施工方案的可视化公开。参见图3.3（3）。
（4）优化整合
优化模型，然后整合模型，添加时间段，形成4D BIM进度管理。如图3.3（4）。
（5）基于E-BIM平台的协同管理
BIM协同管理基于建设方E-BIM平台进行，主要应用在协同办公、信息共享、进度管理等，可以规划项目的施工机械配置、制定材料供应计划、编制构件安装程序、安排材料运输及堆放等。可视化现场模拟对于前期临时施工的规划具有重要意义。
（6）申请效果
BIM技术的应用，可以对数据信息进行统一分类管理，满足施工不同的管理需求，在施工过程中进行信息采集，实时有效掌握和跟进项目动态，及时发现问题并解决。同时，BIM技术的应用也是一个整合各种资源的过程，可以大大提高各种资源的使用效率，为高质量建设铁路打下坚实的基础。可以显著提高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、节省施工时间、减少工序返工、提高生产效率等，在施工中发挥重要作用。
（1）斜拉桥BIM模型
（2）BIM模型的深化
（3）钢锚梁吊装施工模拟
（4）基于Navisworks Manage的模型集成
图 3.3
3.3 安海湾大桥BIM数字化管理系统
创建综合BIM模型（模型精度：LOD400），进行碰撞检查，生成碰撞检查报告，创建项目全景漫游视频；利用施工BIM模型进行设计图纸审阅、深化；创建安海湾大桥施工BIM管理云平台，进行施工进度模拟、施工计划模拟、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
利用钢结构模型提前解决碰撞，提前考虑余量，利用数字化加工设备一键加工，提高加工效率，节省人工和材料成本。
（2）BIM+智能健康监测
健康监测系统监测设备管理功能分为动态和静态两种。
动态监控设备管理将接入网络的施工监控设备通过设备号预关联至项目节点的方式接入平台，通过BIM模型组件反向查询与该项目节点关联的所有监控设备，对超过预警值的工点进行报警操作。静态监控设备管理通过人工离线检测数据报表的方式进行数据上报，并将其与项目节点、BIM模型进行关联，记录施工过程。
（3）BIM+GIS桥梁数字化应用
采用BIM技术建立主桥BIM模型、梁场BIM模型，利用卫星影像模拟生成周边环境场地模型，合理优化布置现场工地区域（见图3.4（1））。
（4）适用效果
对安海湾大桥主桥进行了充分的专业建模和碰撞检测，发现多处硬碰撞，包括钢箱梁横隔板与底板加劲肋、腹板等部位的碰撞，受力区域钢筋与剪力钉的碰撞，塔吊附着墙式支撑与上部塔柱的碰撞等，并对相应节点进行了优化。
利用BIM技术在施工过程中进行碰撞检查以及方案预览论证，识别不同方案的优缺点，帮助项目方快速评估方案的可行性，提高施工安全性和效率，降低施工协调难度。
（1）电子地形图应用技术-实景融合
图 3.4
4. 总结和下一步
4.1 总结
BIM技术在福厦高铁桥梁建设过程中的应用取得了十分丰硕的成果。在设计阶段，设计院落实铁道BIM联盟的技术标准，掌握桥梁模型的建模技术，建立了丰富的构件库，在结构仿真分析、工程量计算、辅助工具软件开发等方面取得突破。在施工阶段，各参建方结合项目情况，搭建了BIM施工管理平台，开展施工进度管理和质量管控应用，也取得了良好的质量和经济效益。
（1）利用Revit对桥涵进行详细BIM建模，按照参数化、模块化设计思想，建立高铁桥梁构件库。
（2）基于Dynamo For Revit可视化编程技术，开发了充分利用设计成果数据进行参数化BIM设计的建模工具，大大提高了福厦线BIM设计的效率和质量。
（3）基于BIM模型成果，开展桥梁结构分析、景观设计、健康监测、施工模拟等BIM应用。将BIM模型导入建设管理平台后，可进行设计与施工之间的数字化交付。
（4）开发了数据编码自动赋值插件。为满足BIM设计成果与“铁路工程管理平台”设计施工协同需求，福厦客专每个BIM构件均有唯一标识码，即实例化码。每个实例化码由公共IFD码（类码）+福厦项目专用码组成。BIM模型导入施工管理平台后，可进行设计与施工间的数字化交付。
（5）建筑BIM管理应用已取得施工管理、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。
4.2 问题和下一步措施
任何新技术在其发展过程中必然会伴随一些新问题和矛盾，BIM技术也不例外。在将BIM技术应用到福厦高铁的过程中，确实遇到了一些需要进一步克服和解决的困难和问题。
（1）首先是BIM设计软件的问题，目前市场上还没有专门的桥梁BIM软件，使用通用的设计软件来搭建桥梁结构模型、由三维模型生成二维设计图、实现基于模型的工程量统计等需求需要进行专门的系统定制或软件开发。施工过程中还存在工具软件不完善的问题，包括施工管理软件、施工模拟软件等功能缺失。因此软件功能的改进和完善将大大提高BIM应用水平。
（2）其次是模型交付和数据传递问题。由于缺乏软件支持，模型数据（信息）在建立、赋值、转换时往往需要人工处理，工作量巨大，实际操作甚至不可行。有些时候，为了满足信息数据相关标准的要求，会给应用层面带来困扰，分散对更重要技术的注意力。因此，进一步完善数据编码自动赋值插件非常有意义。
（3）第三是施工阶段企业组织与文化变革问题。BIM技术的推行需要整个施工企业从管理层、专业工程师到所有施工人员的支持与参与，全面实现基于BIM的精细化建造还需要一个较长的转型过程，因此需要继续加大对BIM的投入与应用。
总之，BIM技术在福厦高铁桥梁专业的应用，为桥梁建设技术的提升奠定了良好的基础，随着该技术的不断进步和行业的不断发展，BIM技术必将在桥梁建设领域结出更加丰硕的成果。
