BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計中的應(yīng)用研究

王吉文，夏 楓

（中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計中的應(yīng)用研究

王吉文，夏 楓

（中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

分析BIM技術(shù)的優(yōu)勢和應(yīng)用特點(diǎn)，詳細(xì)總結(jié)橋梁設(shè)計的基本特征和難點(diǎn)，從而明確了應(yīng)用BIM技術(shù)對橋梁設(shè)計的改造優(yōu)化。從可行性和施工圖兩個階段詳細(xì)總結(jié)了BIM在橋梁設(shè)計中的應(yīng)用，凸顯基于BIM的全壽命管理理念。

BIM；橋梁設(shè)計；全壽命；應(yīng)用研究

0 引言

BIM即建筑信息模型（Building Information Model,BIM），已成為近年來整個土木工程領(lǐng)域發(fā)展的熱門。BIM利用計算機(jī)技術(shù)采用可視化手段呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)立體特點(diǎn)，由于這種可視化的信息模型可以應(yīng)用于全壽命設(shè)計的各個階段，從而極大地改善了目前二維模型信息溝通困難、執(zhí)行效率低、工作量大等問題。BIM技術(shù)最初在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域大力發(fā)展，近年來開始廣泛應(yīng)用到橋梁工程、地下工程、水利工程等領(lǐng)域[1,2]。

BIM技術(shù)可以應(yīng)用的范圍非常廣泛，包括最初的可視化設(shè)計、參數(shù)化建模、碰撞檢查、工程量統(tǒng)計和成本估算，發(fā)展到現(xiàn)在的安全分析、施工進(jìn)度設(shè)計、現(xiàn)場施工管理及運(yùn)維管養(yǎng)等，可以看到BIM技術(shù)發(fā)展得更加深入和廣泛[3]。橋梁結(jié)構(gòu)具有構(gòu)件類型多、施工環(huán)境復(fù)雜、設(shè)計施工及管養(yǎng)沒有高度協(xié)調(diào)的特點(diǎn)，相關(guān)學(xué)者已經(jīng)引入BIM技術(shù)解決橋梁設(shè)計、施工和運(yùn)維的問題，例如復(fù)雜橋梁可視化設(shè)計、橋梁施工全過程4D設(shè)計和基于BIM的運(yùn)營橋梁病害分析等方面，但還未形成系統(tǒng)的基于BIM的橋梁設(shè)計方法。

本文首先探討B(tài)IM技術(shù)優(yōu)勢和應(yīng)用特點(diǎn)，其次分析橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點(diǎn)以及BIM的應(yīng)用前景，最后詳細(xì)探討了基于BIM的橋梁設(shè)計方法和應(yīng)用，以期推進(jìn)BIM技術(shù)在我國橋梁設(shè)計中的應(yīng)用與實(shí)踐。

1 BIM技術(shù)優(yōu)勢和應(yīng)用特點(diǎn)

BIM是在計算機(jī)基礎(chǔ)上，利用數(shù)字化方法，對建筑工程項(xiàng)目全周期（設(shè)計、施工、運(yùn)營）中的信息進(jìn)行建模的過程。BIM建模的整體思路是：首先進(jìn)行信息識別，并把握住信息的質(zhì)量要求，然后進(jìn)行信息的采集、處理和利用，最后實(shí)現(xiàn)BIM模型的建立。BIM的實(shí)施，通過產(chǎn)生高質(zhì)量信息數(shù)據(jù)，同時高效率地交流項(xiàng)目信息，必然提高建筑工程的工作質(zhì)量，提高項(xiàng)目參與者的效率，節(jié)約材料、人力和資金，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

BIM模型中的信息必須滿足一定的質(zhì)量要求，這是整個BIM模型發(fā)揮價值的根本，也是BIM模型質(zhì)量要求的基礎(chǔ)。BIM的應(yīng)用價值體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）參數(shù)化。在BIM中，采用參數(shù)化建模，在各信息之間建立相關(guān)性，能夠做到一次創(chuàng)建、多次利用，一處修改、智能聯(lián)動。（2）可視化。BIM中可以做到在橋梁全生命周期中的可視化，包括橋梁結(jié)構(gòu)的3D可視、施工設(shè)計方案可視、施工實(shí)際過程可視。（3）節(jié)約成本。利用BIM，可以實(shí)現(xiàn)各設(shè)計與施工方案之間的成本對比，進(jìn)行成本估算，合理分配資源。（4）加快進(jìn)度。利用BIM，可以實(shí)現(xiàn)各設(shè)計與施工方案之間的進(jìn)度對比，進(jìn)行項(xiàng)目進(jìn)度分析，合理調(diào)整進(jìn)度。（5）提高質(zhì)量。在工程項(xiàng)目中，BIM有著廣泛應(yīng)用，可以進(jìn)行碰撞檢測、安全性分析、綠色建筑分析等，從而有效提高工程的質(zhì)量。因此通過應(yīng)用BIM技術(shù)平臺，可以極大優(yōu)化和改善現(xiàn)有的技術(shù)和方法。

2 橋梁設(shè)計特點(diǎn)與BIM應(yīng)用分析

2.1 橋梁設(shè)計特點(diǎn)

橋梁是線形結(jié)構(gòu)體系，其設(shè)計涉及大量構(gòu)件，為了滿足橋梁的安全要求，往往對各類構(gòu)件及構(gòu)件之間的連接要求較高，這使得構(gòu)造更加復(fù)雜。在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求下，往往很容易出現(xiàn)沖突，例如配筋、連接、安裝等，這些沖突對于預(yù)制安裝的橋梁構(gòu)件更加顯著。

隨著我國工業(yè)化建設(shè)的發(fā)展，越來越多的橋梁結(jié)構(gòu)開始將現(xiàn)場澆筑施工轉(zhuǎn)移到工廠預(yù)制和現(xiàn)場裝配，從而通過工廠高效率和高質(zhì)量的流水線式制造技術(shù)，保證橋梁構(gòu)件的施工質(zhì)量，同時極大減少了現(xiàn)場作業(yè)帶來的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染問題。工廠預(yù)制構(gòu)件在現(xiàn)場進(jìn)行連接裝配，形成結(jié)構(gòu)體系。這就要求各種連接構(gòu)件在設(shè)計圖紙下能夠很好地進(jìn)行匹配連接，而一旦連接質(zhì)量不能達(dá)到要求，或者出現(xiàn)不能連接的問題，則直接影響整個公路橋梁的建設(shè)質(zhì)量。

然而，目前我國的橋梁工程設(shè)計，仍然依賴傳統(tǒng)的二維設(shè)計圖紙，通過合并不同構(gòu)造圖、詳圖和總圖等檢查可能的沖突及構(gòu)造不合理之處。這種設(shè)計理念對工業(yè)化建造體系下的裝配式橋梁施工配合效率低下，一旦在施工中發(fā)現(xiàn)構(gòu)造沖突和不合理，只能通過修改設(shè)計圖紙和現(xiàn)場施工調(diào)整的方式解決，造成工期拖延和不經(jīng)濟(jì)。綜合以上分析，根據(jù)BIM技術(shù)特點(diǎn)，應(yīng)用BIM技術(shù)對于橋梁設(shè)計具有很大的改進(jìn)和促進(jìn)意義。

2.2 BIM在橋梁設(shè)計中應(yīng)用分析

綜合分析BIM技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢，根據(jù)以上對橋梁設(shè)計特點(diǎn)的分析，應(yīng)用BIM技術(shù)可以極大地改造和優(yōu)化橋梁設(shè)計。

首先，橋梁BIM模型提供了橋梁全壽命過程的可視化信息模型，為全壽命分析與計算提供了基礎(chǔ)，也為各種信息的溝通提供了直接載體，提高了管理效率。

其次，橋梁BIM模型為設(shè)計的合理性提供了檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。通過BIM模型可以對設(shè)計構(gòu)造進(jìn)行直觀評判，有利于設(shè)計的優(yōu)化，同時有利于各種設(shè)計的檢錯查重，提高了設(shè)計方案的實(shí)施性。

再次，橋梁BIM模型為設(shè)計材料通算、結(jié)構(gòu)安全分析、施工方案擬定等都提供了基礎(chǔ)方法，具有深遠(yuǎn)的影響和意義。

因而，需要充分利用BIM技術(shù)這一優(yōu)勢，將其應(yīng)用于橋梁工程領(lǐng)域中，進(jìn)一步促進(jìn)該技術(shù)對橋梁設(shè)計與施工的改造，實(shí)現(xiàn)前沿發(fā)展。

BIM技術(shù)改造升級現(xiàn)有的二維圖紙?jiān)O(shè)計，其基本流程如圖1所示。首先，通過對初始二維圖紙的收集工作，獲得橋梁結(jié)構(gòu)的基本信息，并以此構(gòu)件三維模型圖；其次，通過對三維模型圖的檢錯分析和可視化分析，確定圖紙中可能存在的碰撞問題和遺漏問題，并以此進(jìn)行調(diào)整修改二維圖紙，這就融合了BIM技術(shù)；最后，通過上述階段的反復(fù)調(diào)整和修改，直到不出現(xiàn)設(shè)計問題，完成橋梁的設(shè)計工作。

圖1 基于BIM的橋梁設(shè)計優(yōu)化流程

3 基于BIM的橋梁設(shè)計應(yīng)用

根據(jù)BIM技術(shù)特點(diǎn)和橋梁設(shè)計現(xiàn)狀，可以在橋梁設(shè)計的可行性階段和施工圖階段應(yīng)用該技術(shù)，促進(jìn)橋梁設(shè)計可持續(xù)性和全壽命周期性。

3.1 可行性階段的應(yīng)用

橋梁可行性階段主要是方案的設(shè)計，方案設(shè)計的目標(biāo)就是確定橋式方案和總體的構(gòu)想，如橋梁平面、斷面、立面等。在可行性設(shè)計中涉及到多個方案的比選分析，往往需要較長的時間，而方案的設(shè)計精髓需要非常準(zhǔn)確地傳遞給業(yè)主。這時候，BIM技術(shù)就體現(xiàn)了其三維可視化優(yōu)勢，不同橋型方案的BIM模型直接提供了設(shè)計者的構(gòu)思方法，而且可以很方便地轉(zhuǎn)化為立面圖、平面圖和斷面圖。另外，BIM模型實(shí)現(xiàn)了對所有構(gòu)件的精細(xì)化建模，不僅能呈現(xiàn)三維信息模型的各個細(xì)節(jié)，還能實(shí)現(xiàn)材料的統(tǒng)計，節(jié)約大量時間。

圖2是某拱橋初步設(shè)計方案的BIM模型，通過該BIM模型可以直觀清楚地確定橋梁的空間形態(tài)和建成姿態(tài)，也可以很清楚地分析其中的設(shè)計施工難點(diǎn)，還可以明確橋上車輛的運(yùn)營狀況，這為設(shè)計方案的選擇提供了很好基礎(chǔ)。

圖2 某拱橋初步設(shè)計方案的BIM模型

3.2 施工圖階段的應(yīng)用

橋梁施工圖階段就是確定了初始方案后對方案進(jìn)行全面完善的階段，這個過程中需要明確橋梁的設(shè)計功能、運(yùn)營要求、施工方法等，因此需要為橋梁的建設(shè)和后期管理養(yǎng)護(hù)提供直接的圖紙參考，需要做到圖紙盡可能詳細(xì)準(zhǔn)確。綜合而言，施工圖階段的BIM技術(shù)應(yīng)用應(yīng)該體現(xiàn)在設(shè)計優(yōu)化、施工方案擬定與優(yōu)化、管理優(yōu)化三個方面。

（1）設(shè)計優(yōu)化

橋梁施工圖設(shè)計不僅需要對主要承載力構(gòu)件的尺寸、連接、截面構(gòu)造等進(jìn)行詳細(xì)勾畫，還需要對附屬結(jié)構(gòu)的位置、連接方法、局部構(gòu)造等進(jìn)行明確。這就是大量的構(gòu)件放樣問題。此外，橋梁結(jié)構(gòu)除了作為車行系統(tǒng)之外，很可能布設(shè)有管道等，則需要將管道與橋梁空間位置確定，使得不出現(xiàn)構(gòu)件的重合和重疊，降低施工操作的難度。因此，在橋梁的設(shè)計階段，需要利用BIM模型進(jìn)行檢錯撿漏，核查所有的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，確保連續(xù)性，保證各種構(gòu)件的設(shè)計位置匹配，不出現(xiàn)沖突問題。

由于施工圖設(shè)計階段涉及到很多構(gòu)件，一旦發(fā)生設(shè)計問題，如果采用傳統(tǒng)的二維圖紙?jiān)O(shè)計，則需要進(jìn)行大量的修改工作，且往往顧此失彼。采用BIM模型后，相關(guān)更改直接在BIM模型中進(jìn)行修改，對應(yīng)的橋梁立面、斷面、平面、局部構(gòu)造等圖紙直接進(jìn)行更改，且材料用量等也隨著自適應(yīng)更改，極大地提高了設(shè)計效率。這一技術(shù)在建筑領(lǐng)域有非常顯著的效益，據(jù)統(tǒng)計，77%的企業(yè)遭遇因圖紙不清或混亂而造成項(xiàng)目的投資損失，其中有10%的企業(yè)認(rèn)為該損失可達(dá)項(xiàng)目建造投資的10%以上，43%的施工企業(yè)遭遇過招標(biāo)圖紙中存在重大錯誤，改正成本超過100萬元。因此可以預(yù)見，利用BIM技術(shù)進(jìn)行橋梁施工圖深化核對，可以減少因?yàn)閳D紙信息不明確造成的施工錯誤。

（2）施工方案擬定與優(yōu)化

BIM模型提供全三維的橋梁信息模型，由于橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)與施工方法直接對應(yīng)，不同施工工法所形成的橋梁狀態(tài)和結(jié)構(gòu)構(gòu)造、配筋等均不相同，因此橋梁施工過程非常重要。依據(jù)BIM模型，可以很方便地模擬橋梁的施工過程，這種施工過程也是非常直觀的。如果把這種施工過程直接傳遞到有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性分析，則可以非常簡便地比較不同施工工法下的橋梁狀態(tài)差異性和施工組織復(fù)雜性，這就為橋梁施工方案的擬定提供了直接基礎(chǔ)，還可以基于現(xiàn)有的施工方案進(jìn)行優(yōu)化，提高工作效率和質(zhì)量。

（3）管理優(yōu)化

橋梁BIM技術(shù)的核心是提供了橋梁全壽命決策的基礎(chǔ)模型，因此在設(shè)計階段就提供了施工和運(yùn)營階段的所有信息，為管理提供了優(yōu)化基礎(chǔ)。首先，提供了施工組織方法。BIM技術(shù)使得各種橋梁信息都能夠動態(tài)地呈現(xiàn)，因此可以通過建模模擬，確定合理的工種作業(yè)區(qū)間劃分，從而確定最適宜的人、機(jī)、料分配，優(yōu)化施工組織過程，形成資源的優(yōu)化分配，提高施工效率。其次，提供了成本、進(jìn)度和質(zhì)量管理方法。橋梁施工中所涉及到的原材料、施工機(jī)械設(shè)備使用費(fèi)、工人工資和施工管理發(fā)生的費(fèi)用等通過BIM模型可以實(shí)現(xiàn)精確計算，相應(yīng)的施工工期也能很方便確定。最后，提供了管理和養(yǎng)護(hù)的優(yōu)化方法，基于BIM技術(shù)可以確定管理養(yǎng)護(hù)周期，每次養(yǎng)護(hù)重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)全方位覆蓋。

4 結(jié)語

BIM技術(shù)是目前土木工程領(lǐng)域的革新技術(shù)，有望改善橋梁設(shè)計效率和全壽命管理方法。論文探討了BIM技術(shù)特征和應(yīng)用特點(diǎn)，并分析了橋梁設(shè)計特點(diǎn)，從而明確了BIM在橋梁設(shè)計中的應(yīng)用前景和方向，從可行性和施工圖階段詳細(xì)總結(jié)了BIM技術(shù)的應(yīng)用方法，以期促進(jìn)BIM在橋梁領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。

[1]隋振國,馬錦明,陳東,等.BIM技術(shù)在土木工程施工領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展[J].施工技術(shù),2013,42(S2):161-165.

[2]李紅學(xué),郭紅領(lǐng),高巖,等.基于 BIM的橋梁工程設(shè)計與施工優(yōu)化研究[J].工程管理學(xué)報,2012(6):48-52.

[3]鄭國勤,邱奎寧.BIM國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)綜述 [J].土木建筑工程信息技術(shù),2012(1):32-34.

U442.5

B

1009-7716（2017）10-0078-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.10.022

2017-04-17

王吉文（1980-），男，湖南邵陽人，工程師，從事市政路橋設(shè)計工作。