橋梁BIM技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀分析與思考

潘永杰，趙欣欣，劉曉光，蔡德鉤

（中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081）

橋梁BIM技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀分析與思考

潘永杰，趙欣欣，劉曉光，蔡德鉤

（中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081）

為掌握BIM技術(shù)在橋梁工程的應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)20座不同結(jié)構(gòu)形式橋梁的BIM技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行調(diào)研。通過分析不同應(yīng)用價(jià)值點(diǎn)，表明BIM技術(shù)已在橋梁工程上應(yīng)用廣泛，現(xiàn)階段BIM技術(shù)的應(yīng)用重點(diǎn)在于設(shè)計(jì)和施工，并逐步向全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同、全生命周期實(shí)施邁進(jìn)。針對(duì)一些價(jià)值點(diǎn)進(jìn)行重新解析，并對(duì)BIM技術(shù)應(yīng)用過程中的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、BIM成熟度、BIM價(jià)值時(shí)效性、BIM應(yīng)用需求導(dǎo)向、信息模型與數(shù)據(jù)模型5方面進(jìn)行思考，指出BIM價(jià)值的充分發(fā)揮離不開專業(yè)本身、技術(shù)發(fā)展、行業(yè)發(fā)展、管理機(jī)制、人員構(gòu)成等配套條件的成熟。

橋梁工程；BIM應(yīng)用；價(jià)值點(diǎn)；BIM成熟度；數(shù)據(jù)模型

0 引言

隨著《中國制造2025》的強(qiáng)國綱領(lǐng)以及“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃的提出，信息化存在巨大應(yīng)用發(fā)展空間，以BIM技術(shù)為代表的新型信息技術(shù)價(jià)值凸顯，我國對(duì)BIM的推進(jìn)發(fā)展給予很多政策支持，不同工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域越來越多的業(yè)主、建設(shè)單位也提出明確的BIM要求，BIM逐漸成為一些項(xiàng)目準(zhǔn)入的必邁門檻。

與此同時(shí)，經(jīng)過多年理論研究與工程實(shí)踐，BIM正在快速而深遠(yuǎn)地影響著橋梁工程建設(shè)的發(fā)展，已逐漸成為提高橋梁技術(shù)水平與管理效能的重要信息化手段。橋梁工程相關(guān)領(lǐng)域的BIM應(yīng)用日漸增多：新白沙沱長江大橋、濟(jì)南黃河公鐵兩用橋[1]、港珠澳大橋、滬通長江大橋[2]、怒江長江大橋、鎮(zhèn)江長江大橋等都已或正在運(yùn)用BIM技術(shù)服務(wù)于項(xiàng)目，許多橋梁工程BIM技術(shù)應(yīng)用得到業(yè)內(nèi)專家認(rèn)同，獲得了國內(nèi)多項(xiàng)BIM大賽獎(jiǎng)項(xiàng)，BIM帶給設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營單位的效益也逐步產(chǎn)生。

目前，橋梁工程BIM技術(shù)應(yīng)用仍以單點(diǎn)為主，且各工程應(yīng)用對(duì)象、實(shí)施主體、策略重點(diǎn)皆不完全一致。因此，為宏觀了解BIM技術(shù)在橋梁工程的應(yīng)用現(xiàn)狀、價(jià)值點(diǎn)分布、存在的問題等，有必要對(duì)橋梁工程BIM應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)研和分析。

1 應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 調(diào)研范圍

選取20座橋梁進(jìn)行BIM技術(shù)應(yīng)用調(diào)研（見表1），調(diào)研對(duì)象涉及不同結(jié)構(gòu)形式和技術(shù)復(fù)雜度，從空心板梁、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁到鋼桁梁橋、鋼桁拱橋、斜拉橋、懸索橋等，包括各種小、中、大跨度（15.2～1 092.0 m），功能涵蓋公路橋、市政橋、鐵路橋、公鐵兩用橋、景觀橋。

表1 橋梁BIM技術(shù)應(yīng)用調(diào)研對(duì)象

1.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

1.2.1 建模軟件

Tekla、Bentley、Revit、CATIA等主流BIM建模軟件在20座橋梁中皆有應(yīng)用，應(yīng)用分布情況見圖1。

圖1 不同建模軟件應(yīng)用分布情況

由圖1可知，橋梁結(jié)構(gòu)BIM建模以Revit、CATIA和Tekla 3款軟件為主。若橋梁簡單按材質(zhì)劃分，混凝土橋梁以Revit為主，Tekla專長于鋼橋，CATIA在鋼橋和混凝土橋梁中都有成熟應(yīng)用，特別是異形或復(fù)雜構(gòu)型的鋼結(jié)構(gòu)。

1.2.2 設(shè)計(jì)階段

設(shè)計(jì)階段基于BIM軟件有很多價(jià)值點(diǎn)，調(diào)研主要探討參數(shù)化建模、族庫（模板）、設(shè)計(jì)復(fù)核（差錯(cuò)漏碰）、工程量統(tǒng)計(jì)、正向設(shè)計(jì)、與有限元結(jié)合、二維出圖應(yīng)用情況（見圖2）。

由圖2可知，設(shè)計(jì)階段應(yīng)用重點(diǎn)在于二維出圖、設(shè)計(jì)復(fù)核、工程量統(tǒng)計(jì)。

圖2 設(shè)計(jì)階段BIM技術(shù)應(yīng)用點(diǎn)分布情況

考慮二維出圖多基于BIM軟件本身自動(dòng)生成，且BIM設(shè)計(jì)多數(shù)是基于二維的翻模，因此二維出圖僅僅是價(jià)值點(diǎn)的探索，對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)際意義不大。工程量統(tǒng)計(jì)本身對(duì)應(yīng)于精細(xì)化建模，模型精度若達(dá)不到相應(yīng)的程度（施工圖設(shè)計(jì)LOD350），工程量統(tǒng)計(jì)結(jié)果也僅是參考。

實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)復(fù)核價(jià)值點(diǎn)比較突出，若與其他專業(yè)協(xié)同后更是如此（僅有1座橋采用了協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)）；參數(shù)化建模與族庫搭建有利于設(shè)計(jì)BIM成果的積累；與有限元軟件結(jié)合將會(huì)避免重復(fù)建模，提高分析效率，也是設(shè)計(jì)階段未來探索的重點(diǎn)。

1.2.3 施工階段

施工階段的根本需求促使從基于BIM軟件功能級(jí)應(yīng)用到項(xiàng)目級(jí)應(yīng)用轉(zhuǎn)變。本階段應(yīng)用點(diǎn)主要包括：可視化交底、4D虛擬施工、進(jìn)度管理、信息管理、移動(dòng)端、施工監(jiān)控、安全質(zhì)量及成本管理，其應(yīng)用分布情況見圖3。

圖3 施工階段BIM技術(shù)應(yīng)用點(diǎn)分布情況

由圖3可知，施工階段應(yīng)用重點(diǎn)在于可視化交底（程度1、2）、4D虛擬施工、進(jìn)度管理，部分橋梁（4座）應(yīng)用重點(diǎn)在于設(shè)計(jì)，施工階段僅探索了可視化交底和4D虛擬施工。

施工階段若僅依靠BIM軟件，滿足不了現(xiàn)場管理需求。因此，不少橋梁（8座）結(jié)合實(shí)際需求，研發(fā)或采用商業(yè)BIM系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集和信息管理，不同系統(tǒng)的信息管理各有側(cè)重，有的側(cè)重施工工藝管理，有的側(cè)重過程管理，但涉及到成本、機(jī)械、勞務(wù)等方面的相對(duì)較少。

考慮BIM共享特征和信息的完整性，應(yīng)用逐漸擴(kuò)展到施工的上下游（物料追蹤、鋼結(jié)構(gòu)制造、施工監(jiān)控等），如9座鋼橋中有5座探索了鋼橋制造BIM技術(shù)應(yīng)用。

1.2.4 運(yùn)維階段

由于調(diào)研的橋梁多數(shù)處于建設(shè)期，因此運(yùn)維階段BIM技術(shù)具體應(yīng)用點(diǎn)還未涉及，但一些橋梁如滬通長江大橋、甌江北口大橋等在實(shí)施過程中也提出了建養(yǎng)一體化、橋梁BIM全生命周期應(yīng)用的規(guī)劃，從理念上涵蓋了運(yùn)維階段的應(yīng)用，反映了BIM技術(shù)應(yīng)用的連貫性和可持續(xù)性。

1.3 價(jià)值點(diǎn)再分析

1.3.1 精細(xì)化建模

無論設(shè)計(jì)階段還是施工階段，BIM應(yīng)用必須有項(xiàng)目級(jí)的建模標(biāo)準(zhǔn)，否則精細(xì)化建模無從談起。同時(shí)，建模的精細(xì)度（涉及幾何信息和非幾何信息）應(yīng)以后期應(yīng)用為根本導(dǎo)向，兩者不可分割獨(dú)立，否則可能存在BIM模型無法滿足應(yīng)用需求的風(fēng)險(xiǎn)。

1.3.2 可視化技術(shù)交底

可視化技術(shù)交底是一個(gè)較籠統(tǒng)的價(jià)值點(diǎn)，可根據(jù)深度的不同，分為2個(gè)等級(jí)。程度1是通常的三維視圖，所見即所得，通過軟件（如Autodesk InfraWorks）功能完成漫游展示；程度2類似3D作業(yè)指導(dǎo)書，對(duì)某個(gè)工序或施工工藝進(jìn)行模擬，起到可視化培訓(xùn)功能。因此，程度2在應(yīng)用深度上更有價(jià)值。

1.3.3 4D虛擬施工

目前，4D虛擬施工主要是根據(jù)計(jì)劃時(shí)間節(jié)點(diǎn)，按照結(jié)構(gòu)施工順序的模擬或再現(xiàn)樁基、墩臺(tái)、梁部及橋梁附屬等結(jié)構(gòu)的生成（從隱藏到顯現(xiàn)），其發(fā)揮的作用有限，很難涉及到施工方案的優(yōu)化。例如，連續(xù)剛構(gòu)橋施工可以通過4D虛擬施工動(dòng)畫模擬，但合龍順序是先邊跨后中跨合龍，還是先中跨后邊跨合龍，無法通過動(dòng)畫進(jìn)行優(yōu)化，只能通過專業(yè)知識(shí)評(píng)估。

1.3.4 施工管理

雖然BIM在施工管理中發(fā)揮了很大價(jià)值，但離真正滿足施工單位實(shí)際需求還有很大差距。施工關(guān)注“人料機(jī)法環(huán)”，BIM應(yīng)用重點(diǎn)在于“法”，對(duì)于專業(yè)技術(shù)人員，BIM現(xiàn)階段的價(jià)值點(diǎn)屬于錦上添花，而實(shí)際工程特別關(guān)注的勞務(wù)分包、物資管理、機(jī)械租賃、成本核算還幾乎未涉及。當(dāng)然，這是一個(gè)長期的過程，不僅需要BIM技術(shù)的進(jìn)一步成熟，同時(shí)還涉及到配套機(jī)制、管理方法等的升級(jí)。

1.4 應(yīng)用特點(diǎn)

通過對(duì)20座橋梁BIM技術(shù)應(yīng)用樣本分析，總結(jié)出以下特點(diǎn)：

（1）BIM技術(shù)應(yīng)用范圍廣。不僅應(yīng)用在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特大型橋梁結(jié)構(gòu)中，在常規(guī)的中小跨度橋梁也有所普及。應(yīng)用階段以設(shè)計(jì)建造為主，運(yùn)維階段應(yīng)用相對(duì)較少，但部分橋梁也提到和正在踐行BIM全生命周期的應(yīng)用。

（2）以BIM為代表的信息技術(shù)與橋梁工程應(yīng)用逐步融合，構(gòu)建了從物質(zhì)實(shí)體世界向數(shù)字化架構(gòu)發(fā)展的生態(tài)模式。

（3）少數(shù)橋梁采用BIM正向設(shè)計(jì)，其余大多是基于施工階段應(yīng)用而反推設(shè)計(jì)BIM的三維翻模，一般沒有考慮與其他專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)。

（4）建模軟件以Revit、CATIA、Tekla為主，總體上混凝土橋梁以Revit為主，鋼橋以CATIA和Tekla為主。單一BIM軟件解決不了所有問題，隨著應(yīng)用深入，有向多個(gè)軟件共同應(yīng)用發(fā)展的趨勢(shì)。

（5）BIM技術(shù)從單軟件的功能級(jí)應(yīng)用，逐漸向多端系統(tǒng)平臺(tái)、集成管理等方面靠攏。

（6）隨著鋼結(jié)構(gòu)的普及，鋼橋BIM技術(shù)應(yīng)用逐步輻射到施工的上游即制造階段，鋼橋制造BIM技術(shù)應(yīng)用成為研究熱點(diǎn)。

（7）基于BIM施工管理挖掘了多個(gè)功能價(jià)值點(diǎn)，但應(yīng)用范圍主要集中在“法”，與施工本身需求還需進(jìn)一步融合。

2 應(yīng)用探討

2.1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

BIM技術(shù)在橋梁工程領(lǐng)域的應(yīng)用，國際上沒有現(xiàn)成標(biāo)準(zhǔn)，主流軟件也鮮有成套功能，只有從底層標(biāo)準(zhǔn)抓起，才能逐步向標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)。因此，BIM實(shí)施要遵循頂層設(shè)計(jì)，如果僅孤立存在，對(duì)行業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展益處不大。

在鐵路BIM聯(lián)盟領(lǐng)導(dǎo)下，研究形成了鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)體系框架，編制并發(fā)布了《鐵路工程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分解》《鐵路BIM信息分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)》《鐵路工程信息模型交付精度標(biāo)準(zhǔn)》等基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，為BIM技術(shù)應(yīng)用提供了可供參考的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

由于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是從設(shè)計(jì)源頭出發(fā)，許多分類和編碼未必涵蓋或不適用于施工、運(yùn)維階段，同時(shí)主流軟件的支持還需要一定時(shí)間。因此，應(yīng)以已有的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為基礎(chǔ)，結(jié)合發(fā)展定位或工程應(yīng)用的實(shí)際情況，逐步補(bǔ)充和優(yōu)化，摸索適合自身的編碼體系或?qū)嵤┬袨闇?zhǔn)則。

2.2 BIM成熟度

BIM實(shí)施過程中有一個(gè)BIM成熟度模型（稱為Bew-Richards BIM成熟度模型[19]），分為0級(jí)、1級(jí)、2級(jí)和3級(jí)，級(jí)別越高，表明BIM應(yīng)用越成熟。如果將BIM技術(shù)應(yīng)用成熟度與鐵路工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行對(duì)比，兩者有相似之處（見表2）。

目前我國鐵路橋梁設(shè)計(jì)方法以容許應(yīng)力法（0級(jí)）為主，考慮與國內(nèi)外主流設(shè)計(jì)方法的接軌，經(jīng)過多年努力，編制完成《鐵路橋涵極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)暫行規(guī)范》，但配套的計(jì)算軟件、設(shè)計(jì)理念仍是基于容許應(yīng)力法。通過梳理橋涵極限狀態(tài)法試設(shè)計(jì)成果，中國鐵路總公司已啟動(dòng)推進(jìn)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（概率極限狀態(tài)法）的編制工作，預(yù)計(jì)不久即將進(jìn)入容許應(yīng)力法與概率極限狀態(tài)法并行期（1級(jí)），再經(jīng)過不斷的應(yīng)用積累和實(shí)踐檢驗(yàn)，最終會(huì)全面實(shí)施概率極限狀態(tài)法（2級(jí)）。

與設(shè)計(jì)方法類似，我國鐵路工程結(jié)構(gòu)BIM設(shè)計(jì)以二維圖為基礎(chǔ)（0級(jí)），少數(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維BIM設(shè)計(jì)，目前全路選定17個(gè)BIM試點(diǎn)項(xiàng)目，以BIM設(shè)計(jì)協(xié)同為主線，驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，探索BIM成果的驗(yàn)收、審核、轉(zhuǎn)發(fā)、歸檔等管理模式，表明正邁向二維與三維過渡期（1級(jí)），發(fā)展目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)的協(xié)同（2級(jí)）。

未來基于協(xié)同的BIM設(shè)計(jì)不可避免，考慮到BIM應(yīng)用配套條件與工程師應(yīng)用習(xí)慣，二維與三維過渡期將在一定時(shí)間內(nèi)存在。另外，從性價(jià)比方面考慮，二維與三維并存也有其合理性，如鋼筋布置圖，二維圖紙表現(xiàn)鋼筋的布置非常簡潔、易于工程師認(rèn)知，針對(duì)偶爾不可避免的碰撞，只要按照主次的原則，適當(dāng)調(diào)整普通鋼筋的位置，對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力性能影響不大，但可避免繁瑣的鋼筋建模。

2.3 BIM價(jià)值的即時(shí)反饋與量變到質(zhì)變

BIM技術(shù)被譽(yù)為工程領(lǐng)域的第二次革命，對(duì)行業(yè)的影響是顛覆性的。鐵路建設(shè)項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)化管理中強(qiáng)調(diào)工廠化、機(jī)械化、專業(yè)化、信息化，BIM技術(shù)能夠很好地將各個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)出來，是形成標(biāo)準(zhǔn)化的重要途徑和切入點(diǎn)。

表2 BIM成熟度與鐵路工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法類比

基于簡單、即時(shí)反饋的實(shí)用主義角度出發(fā)，BIM價(jià)值和意義主要體現(xiàn)在可視化、綜合管線碰撞等功能級(jí)應(yīng)用，而其他深層次價(jià)值（如流程再造、管理升級(jí)等）由于需要量變積累，配套條件或機(jī)制不成熟，導(dǎo)致使用者不愿、不敢或者不能在這方面進(jìn)行深入探索。

因此，BIM價(jià)值的真正落地需要時(shí)間和條件，不僅應(yīng)從上到下加以政策引導(dǎo)，更重要的是從下到上自覺發(fā)揮主觀能動(dòng)性，最終實(shí)現(xiàn)從量變到質(zhì)變的轉(zhuǎn)變。

2.4 專業(yè)為主，需求為王

目前BIM從業(yè)人員多以建模人員為主，涉及到專業(yè)技術(shù)人員的較少，考慮到知識(shí)的傳遞和積累過程，可以認(rèn)為這是BIM技術(shù)發(fā)展的必經(jīng)階段。

隨著BIM與專業(yè)的深度融合，BIM技術(shù)作為手段和工具的特點(diǎn)凸顯，若仍采用原有組織模式，極有可能出現(xiàn)研發(fā)方向與實(shí)際功能需求脫節(jié)、研發(fā)成果與真實(shí)需要兩張皮的現(xiàn)象。因此，在BIM技術(shù)應(yīng)用實(shí)施過程中，應(yīng)以專業(yè)為主，以解決專業(yè)實(shí)際問題為研發(fā)導(dǎo)向。

2.5 信息模型與數(shù)據(jù)模型

BIM是橋梁工程全生命周期管理的信息載體，每個(gè)階段都由相應(yīng)的建筑模型、過程模型和決策模型構(gòu)成（見圖4），但不同階段模型精度的深度和廣度相差較大。

BIM是面向?qū)ο蟮?，?yīng)用對(duì)象不同，幾何精度和信息深度等級(jí)不同，導(dǎo)致不同階段BIM模型也不同，運(yùn)維階段信息模型最豐富。因此，基于BIM全生命周期實(shí)現(xiàn)的是數(shù)據(jù)模型的無損傳遞，數(shù)據(jù)積累的越多，通過與專業(yè)的融合，就越有可能得到有價(jià)值的信息，轉(zhuǎn)化為知識(shí)直至智慧的依據(jù)就越充分，BIM的深度應(yīng)用即是DIKW（數(shù)據(jù)、信息、知識(shí)、智慧）模型的流程化實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)束語

（1）BIM技術(shù)在不同橋梁工程中得到廣泛應(yīng)用，取得了很多有價(jià)值的應(yīng)用點(diǎn)，BIM和信息化技術(shù)是未來發(fā)展趨勢(shì)已在業(yè)內(nèi)形成共識(shí)。

（2）現(xiàn)階段BIM的應(yīng)用重點(diǎn)在于設(shè)計(jì)和施工，并逐步向全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同、全生命周期的實(shí)施邁進(jìn)。設(shè)計(jì)階段大都基于二維的翻模，重點(diǎn)在于二維出圖、設(shè)計(jì)復(fù)核、工程量統(tǒng)計(jì)；施工階段多數(shù)是可視化的技術(shù)應(yīng)用，涉及技術(shù)交底、虛擬建造和進(jìn)度管理等。

（3）BIM和信息化技術(shù)是輔助橋梁管理的有效手段和工具。認(rèn)為僅通過一項(xiàng)BIM新技術(shù)就能改變整個(gè)橋梁行業(yè)，而忽略專業(yè)本身、技術(shù)成熟度、行業(yè)發(fā)展水平、管理機(jī)制、人員構(gòu)成等方面因素影響，在目前階段是不合適的。

（4）BIM技術(shù)與橋梁專業(yè)應(yīng)用的深度融合有待進(jìn)一步探索和提高。

圖4 BIM構(gòu)成與全生命周期的信息模型

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Analysis of the Application Status of BIM Technology on Bridge Engineering

PAN Yongjie，ZHAO Xinxin，LIU Xiaoguang，CAI Degou
（Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

The investigation and survey was carried out on 20 bridges with different structure types to find out the status of the application of BIM technology on bridge engineering. Analysis of the value points of each application shows that BIM technology has been widely applied to bridge engineering, where the focus of application at this moment is at the design and construction phase, which gradually shifts to the industry chain coordination and whole life cycle implementation. Some of the value points were re-analyzed from the following 5 aspects: standards and speci fi cations, BIM readiness, BIM value timeliness, BIM application demand orientation, information and data model. It points out that, to maximize the value of BIM, the supporting conditions such as the field itself, technology progress, industry development, management mechanism and personnel structure must be ready.

bridge engineering；BIM application；value point；BIM readiness；data model

U442；TP319

A

1001-683X（2017）12-0072-06

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.12.072

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016X002）；中國鐵道科學(xué)研究院科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YJ036、2016YJ044）

潘永杰（1983—），男，副研究員。E-mail：18810622516@163.com

責(zé)任編輯 苑曉蒙

2017-09-23