BIM技術在橋梁工程全生命周期的實施路徑研究

馬潤平 劉 杰

(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司 武漢 430050)

自2013年以來，建筑信息模型(building information modeling，BIM)[1-2]技術在鐵路行業(yè)推進力度大、速度快，成效顯著。鐵路BIM聯盟先后發(fā)布了《鐵路工程實體結構結構分解指南》(下文簡稱EBS標準)、《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》(下文簡稱IFD標準)、《鐵路工程信息模型數據存儲標準》(下文簡稱IFC標準)、《鐵路工程信息模型交付精度標準》，并且被BuildingSMART國際組織接受為會員，同意將鐵路IFC標準國際化并發(fā)布[3]。在開展基礎性工作的同時，在全國選擇了共17個試點進行研究。滬通長江大橋作為橋梁專業(yè)的試點于2015年1月啟動以來，在設計、施工、運維階段進行了探索與研究。本文根據滬通長江大橋主橋BIM實施經驗，從設計、施工、運營維護等角度提出了橋梁工程領域BIM技術實施路徑。

1 全生命周期各階段的BIM應用

1.1 設計階段BIM應用

依照行業(yè)特點，鐵路橋梁的全生命周期可分為設計、施工、運營維護3個階段。BIM技術在設計階段的應用可分為兩類：①試點初期采用翻模方法建立BIM模型，即先有設計院交付的施工圖，再以圖紙為依據建立BIM模型；②應用BIM軟件進行正向設計，即在沒有圖紙的情況下由設計人員按照設計理念直接建立BIM模型，并由模型生成可以交付的施工圖。

1.1.1翻模建立BIM模型

翻模方式(先有圖紙，后有BIM模型)是應用BIM技術初期必然經歷的階段。對于設計領域的思維、流程、業(yè)務等改變很小。因為一般是以小組的方式小范圍、試驗性地開展；主力設計人員的參與度不是太高；由于施工圖已經交付、設計的主要工作已經完成，該方式能夠產生的直接價值相對較小，更多的是附加的間接價值，而且對工程建設僅是輔助性指導，無法滲透到工程項目的深處。翻模方式的BIM應用點主要有：碰撞檢查、工程量統(tǒng)計、局部復雜部位的設計優(yōu)化和出圖、與有限元軟件的結合等。

碰撞檢查是BIM模型的固有優(yōu)勢，二維設計時未發(fā)現的空間幾何沖突在BIM模型中將逐一呈現。對于橋梁工程來說，此應用更加適用于鋼結構橋梁，鋼結構橋梁的設計精度高，設計時必須考慮空間上的沖突，如果在BIM模型中發(fā)現碰撞，則必須對設計圖紙進行修改。而對于混凝土橋梁，碰撞檢查的應用價值較低?；炷翗蛄涸O計時一般為整體上原則性、關鍵性考慮，施工的實際情況和設計總會有或大或小的差異，因此目前混凝土橋梁的設計方法與BIM技術的要求有較大差距。

工程量統(tǒng)計也是BIM模型的固有優(yōu)勢，只要模型精度滿足要求，工程量即可快速便捷獲得，其便捷性要遠高于傳統(tǒng)二維設計。以鋼結構橋梁為例，BIM模型的精度與施工圖的精度一致，在統(tǒng)計高強螺栓數量時，可以按照直徑、長度分類統(tǒng)計，其效率和精度要大大于傳統(tǒng)設計。

局部復雜結構深化設計是將復雜的空間特性顯著的部位進行BIM建模，利用幾何體的空間關系通過布爾運算完成真實的三維模型，由模型來繪制二維的圖紙。其降低了平面設計時對大腦的空間想象能力的要求和依賴，實現了所見即所得；提高了設計的準確性和精度，降低了出錯的概率；該部位的錯漏碰缺可以一次性徹底解決。

更深一級的BIM應用會涉及BIM模型與有限元計算的結合，即由BIM模型轉到有限元軟件或由有限元軟件轉到BIM模型。作為研究其技術路徑是暢通的，但是到具體應用環(huán)節(jié)還有較多問題需要系統(tǒng)性解決。如混凝土結構BIM模型可以轉為實體單元進行加載和計算，但是如果混凝土箱梁結構轉化為梁單元進行成橋分析就需要一系列假定并補充分析需要的若干信息，如橫隔梁需轉為集中力，加入施工階段劃分、運營工況等信息。對于鋼結構而言，BIM模型轉化為實體、板殼、梁單元都需要對螺栓連接進行簡化處理，除非是專門研究螺栓的受力，通常情況下是需要將螺栓甚至全部連接細節(jié)忽略進行簡化處理。也就是說力學模型和目前BIM模型是2個有一定交集但又各自獨立的子集。

1.1.2BIM正向設計

設計人員采用BIM技術進行正向設計(即設計人員直接建立BIM模型，后生成圖紙)，更符合BIM理念，也是設計階段BIM應用努力的目標。但是目前尚不完全具備條件，其原因主要是缺乏與專業(yè)結合緊密的BIM建模軟件，就目前情況而言，業(yè)內使用較多的軟件還需要一段時間與鐵路各專業(yè)融合。軟件不僅需要建立幾何外形一致的模型，還需要采用與各專業(yè)相一致的做法，需將專業(yè)的理念植入軟件。如線路專業(yè)需要從線路中心線的建立入手，中心線上的構造物與線路中心線要有一定的關聯。如橋梁專業(yè)至少能夠快速建立BIM模型，解決建模效率的問題。

設計階段BIM技術應用是建立與設計階段相適應的不同精度等級的模型，LOD100(概念設計精度)到LOD300(施工圖設計精度)的模型都應有。關注低等級的BIM模型的應用是實現BIM在設計階段應用的關鍵，在不同的設計階段采用不同的精度等級的BIM模型，而且高等級的BIM模型應由低等級的BIM模型繼承而來，不應是重新建模。從低等級模型到高等級模型，是設計工作不斷推進的過程，是設計信息逐步完善的過程，不只是單一的幾何屬性。

1.2 施工階段BIM應用

施工階段的BIM應用歸納起來有可視化交底、實時進度展示管理和控制、工程量詳細統(tǒng)計等?；贐IM技術的可視化技術交底比傳統(tǒng)以二維圖紙為基礎的交底更加形象直觀，降低了由圖紙想象三維模型的難度。同時通過將BIM模型構件與圖紙相匹配關聯，可以快速準確讀懂圖紙。對于工班組中的一線工人來說，顯得尤為適用。結合BIM模型可以將特定施工工藝制作成視頻，快速傳遞到一線操作人員，供反復觀看?？梢暬夹g交底具有快速、準確、高效的優(yōu)點，是施工階段的重要應用點。

項目進度是建造期間的關鍵內容，合理的施工進度對保證工期、質量和成本有直接的影響。進度的安排需綜合考慮多種因素，將BIM技術應用到進度的實時展示，再進一步實現對進度的管理和控制，促進傳統(tǒng)管理的變革。BIM模型各構件與時間關聯，即可以展示進度計劃和實時進度，而對于進度進行管理和控制則需要成本等信息[4]。

精細化工程量的統(tǒng)計也是施工階段的重要應用。隨著模型等級的提高，其精細度有了進一步提升，用模型統(tǒng)計出來的工程量將更為準確，可以按照不同分類標準進行分類，便于施工組織。以滬通長江大橋鋼桁梁為例，鋼板厚度從8～50 mm不等，型號多達幾十種，通過BIM模型就可以方便快捷地根據厚度和材質對鋼結構進行分類，方便鋼梁廠進行物料管理。

1.3 運營維護階段BIM應用

相對建筑行業(yè)運營維護階段的應用有空間管理、設施管理、應急管理、節(jié)能管理等應用點，橋梁結構在運營階段管理的內容側重于保障橋梁功能的正常運行。因此，鑒于這些特點，橋梁運營維護期間，BIM模型會隨著時間的推移不斷添加日常維修養(yǎng)護信息及健康監(jiān)測信息，從而形成具有運營階段信息的BIM模型，考慮到運營維護階段維持百年左右，運營維護階段的信息量將非常龐大，海量數據的處理將十分關鍵。

通過BIM技術的使用，設計、施工階段的有價值信息得以延續(xù)到運營維護階段，可為管理部門提供維修養(yǎng)護的支撐數據，如構件的尺寸、材質、母材的出廠信息、制造的參數、施工的記錄等。這些集中存放的信息將會為構件的保養(yǎng)、維修、更換提供支持。

健康監(jiān)測系統(tǒng)近10年在大型和特大型橋梁上布置得比較多。測量加速度、位移、應變、溫度等的測點按照設定的采樣頻率源源不斷地向系統(tǒng)數據中心推送海量數據，通過對數據的過濾、處理、分析推斷結構的安全健康狀態(tài)。對于數據的挖掘做進一步深入研究，可使健康監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)揮更加重要的作用。將健康監(jiān)測系統(tǒng)與BIM模型結合，將具有分類和編號的測點模型作為BIM模型的一類對象(構件)，這些對象具有隨時間不斷增長的數據信息，根據單一測點隨時間變化的規(guī)律及不同測點數據之間相互關聯的變化甄別結構的狀態(tài)變化，智能及半智能判斷結構的損傷、劣化情況，形成數字化的管養(yǎng)基礎，是運營維護階段BIM應用的發(fā)展方向。

2 各階段應用中需要攻克的關鍵技術

目前橋梁工程中BIM技術應用還處于起步階段，仍然不成熟，需要攻克以下關鍵技術。

2.1 設計階段BIM技術應用

目前在用的BIM軟件以國外軟件為主流，而且與鐵路行業(yè)各專業(yè)特性有一定距離。因此，推廣BIM技術關鍵是各專業(yè)打造出符合設計流程、設計理念的本土化軟件。需要解決專業(yè)特點、協(xié)同設計、成圖、集成交付等方面的問題。

2.1.1BIM軟件中體現專業(yè)特性

按照鐵路項目的工程實體，分層級進行構筑物建模。如1條鐵路線從線路中心線入手在中心線上附著路基、站場、橋梁、隧道等建筑物，線上建筑物與中心線有關聯，中心線發(fā)生變化其上建筑物也隨之按照專業(yè)規(guī)范變化。所有構筑物的劃分必須符合鐵路工程實體分解和編碼。

以橋梁專業(yè)為例，在設計時以線路總體為依據設計橋梁結構，這一點與現行的設計習慣是一致的，而目前的BIM建模還不能實現橋梁與線路中心線的聯動，在線路變化時需要人工干預將橋梁結構移動到變化后的線路中心線上。鐵路桁架梁是由若干桿件組成的桿件體系，首先設計的是桁架梁的系統(tǒng)線，即由桿件的中心線組成的空間網格，其次是設計各桿件的斷面，此時可以進行受力分析確定系統(tǒng)線和桿件斷面是否合理，之后再進行桿件間的連接設計，各桿件在交匯處做切割處理，用節(jié)點板和螺栓進行連接。即LOD200(初步設計精度)和LOD300(施工圖設計精度)的階段，目前一般是直接建LOD300的模型，未經過LOD200環(huán)節(jié)，因此設計的思路還沒有很好地體現。如要體現設計環(huán)節(jié)的應用并消除在設計推廣的障礙，設計本土化、專業(yè)化的BIM軟件是唯一出路，軟件至少要能夠符合鐵路BIM聯盟已經發(fā)布的IFD和IFC標準，最好能逐步納入相關專業(yè)的設計理念。

2.1.2鋼結構橋梁設計的特殊性

鋼結構橋梁跨度大，在重力場作用下，梁會受彎下撓，為了保證線路的平順，設計時會設置預拱度。當消除重力場的作用時(結構的無應力狀態(tài))結構是上拱的，上拱的量值因跨度、結構形式不同而不同，一般在幾十至幾百毫米的量級范圍。當實際架設時，結構在重力作用下預拱度會和撓度變形相抵消，保證了結構在實際運行時的平順性。即結構的無應力狀態(tài)(制造尺寸)與成橋狀態(tài)在外形和構件尺寸上是有差異的。如果要考慮設計模型向制造模型交付，在建立模型時需按照結構的無應力狀態(tài)來建立，按照無應力狀態(tài)建立的模型放置到整體模型中，幾何關系是不吻合的。如何克服這一問題，目前還未有很好的辦法，最為有效的方法還是寄希望于BIM軟件能夠顯示成橋重力場作用下的幾何外形和用于制造的BIM模型[5]。

2.2 施工制造階段BIM技術應用關鍵

1) 設計階段的模型應能直接用于制造，尺寸準確。如在鋼桁梁的設計中，為了設置預拱度，其上弦桿的無應力尺寸(即制造尺寸)要比成橋狀態(tài)(即受力狀態(tài))長19 mm，BIM模型應是按照無應力尺寸建立，否則就無法應用于鋼梁制造。

2) 鋼結構橋梁構件由鋼板組成，根據不同板材、不同厚度進行下料時，智能化進行套料。但是在套料時，各板件的外形不是BIM模型中的外形尺寸，而需要增加切割余量，此余量包含焊接收縮、切割邊打磨的量值。而切割余量的影響因素過多，目前尚需人工添加，無法實現智能化自動添加。

3) BIM模型中建立的焊縫在與焊接機器的信息傳遞方面尚有技術難題需要解決。

4) 制造完成的構件(即出廠構件)與設計理想狀態(tài)存在誤差?？梢酝ㄟ^三維攝影或激光掃描等技術手段建立由點云組成的構件三維模型，然后將此點云模型和制造BIM模型進行比較得出，這是實現虛擬拼裝的基礎。在建立出廠構件的三維模型時，需要在精度和效率方面改進，并且還需要專用的虛擬拼裝分析軟件，因為虛擬拼裝是帶誤差的拼裝，不能嚴格地幾何對齊和保持嚴格的相對關系。比如容許施加一定的不危害結構安全的力將構件安裝到位。因此需要能夠實現誤差狀態(tài)下安裝的專用軟件。

施工階段的BIM技術應用是將施工過程中的信息隨著時間的推移對設計BIM模型進行不斷的補充，形成具有施工信息的LOD400(建造階段精度)級BIM模型。施工信息是施工建設業(yè)務信息化與BIM模型的結合，信息是伴隨施工工作推進自動形成的，而非為了BIM工作而單獨準備的數據。施工工作的信息化是完成BIM在施工階段實質應用的前提。比如施工中各工序卡控的環(huán)節(jié)、施工日志的信息均可以作為BIM在施工階段的信息加以存儲，需要有共同認可的格式。以達索和BENTLY軟件的BIM實施路徑看，建模軟件是其中的一部分，更為重要的是協(xié)同設計的平臺軟件如ENOVIA和ProjectWise，可是這2個能夠將數據融合的平臺在實際應用中還無法和工程實際相結合，其中主要原因是我國工程建設模式和管理方式和國外有較大差異。BIM技術在應用中還存在瓶頸，缺乏協(xié)同平臺。

2.3 運營維護階段BIM技術應用關鍵

目前運營維護階段的BIM應用以健康監(jiān)測系統(tǒng)為主，通過在結構上布設各類元件，如測加速度、撓度、應變、溫度等元件，將采集的各類測點的元件信號轉化為所表征的數據。通過對數據的處理、轉換、分析，分析結構狀態(tài)的變化、判斷結構安全狀況。健康監(jiān)測所獲得有價值的數據作為BIM在運營維護階段的信息，不斷完善補充BIM模型信息。健康監(jiān)測系統(tǒng)與運營維護的具體業(yè)務相結合，逐步向數字化管養(yǎng)發(fā)展。健康監(jiān)測系統(tǒng)獲得的數據可以分析變化規(guī)律，揭示結構受力變化，較人為間斷觀測有明顯的優(yōu)勢，更容易發(fā)現問題利于預防。

但是目前健康監(jiān)測仍存在需要解決的難點：①元件布置以反應結構的總體狀況為目標，監(jiān)測結構局部發(fā)生的變化有難度。如構件上發(fā)生的裂紋，連接的損傷等，難以準確反應；②元件工作受外部環(huán)境影響，穩(wěn)定性、可靠性不足，導致數據不連續(xù)、不穩(wěn)定；③大數據分析手段尚未發(fā)揮作用，原始數據反映有價值的內容有限，需要進行數據處理，如小波變換等；④健康監(jiān)測的理論與實踐未成熟，因此需要一套堅實的理論去支撐，以此指導目前的元件布設原則，使系統(tǒng)的布置更合理，更有針對性。

3 貫通三階段BIM信息

BIM模型中信息貫穿生命周期各階段才能實現BIM價值的最大化。將設計、施工、運營維護三階段數據進行傳遞、延續(xù)和利用，是BIM的核心理念。

1) 需要有各階段BIM模型和信息結構化及存放的標準，這樣各階段產生的信息，才能按照公共遵守的格式存儲，也只有這樣才能保證其他階段、其他軟件將數據準確方便識別并加以應用。通過基礎理論研究制定的相關標準是各階段模型、業(yè)務數據化的準則，是數據傳遞應用的基礎和前提。

2) 需要支持所開展應用的基礎性數據平臺，將各階段所開展的業(yè)務形成數據化的信息存放于基礎性數據庫中，可以供后續(xù)階段其他應用來獲取必需的信息以便開展自身的業(yè)務。數據平臺的建設不是簡單地建立一個數據庫,而是與特定的軟件系統(tǒng)相關聯,各階段的業(yè)務通過平臺來進行，伴隨業(yè)務完成，生成的是基礎性數據庫，庫中的信息可以供其他平臺來調用。各種應用(平臺)構建在基礎性數據庫之上，數據是應用的支承。

3) 需要各階段的平臺建設，設計階段根據不同的設計類型應用若干的平臺完成相關的設計，如鋼結構橋梁BIM設計軟件、混凝土結構BIM橋梁設計軟件、橋梁下部結構BIM設計軟件等。所有的設計最終成果是符合標準的數據庫。施工階段應用圍繞施工業(yè)務以設計階段形成的數據庫中的信息搭建，施工業(yè)務的開展豐富了設計BIM的信息，所增加的信息存放于標準格式的數據庫中。同樣運營維護階段的應用也是以設計和施工BIM信息(基礎數據庫)為支撐，開展運營維護階段的業(yè)務。運營階段的業(yè)務也存放于基礎性數據庫中。

4 結語

BIM技術作為應用于橋梁工程領域的新技術，缺少成熟的經驗和工具軟件直接使用。需結合各專業(yè)基礎理論和本土軟件的持續(xù)開發(fā)。橋梁工程領域BIM技術的應用是系統(tǒng)性全局性工作，技術自身的突破尚需在國家、行業(yè)層面從規(guī)章制度方面的大力引導，集合業(yè)內各方力量共同努力。