關(guān)于橋梁設(shè)計優(yōu)化方面BIM技術(shù)的應(yīng)用分析

文/劉國祥

一、BIM技術(shù)的特點

BIM技術(shù)是通過一系列的數(shù)字模型，應(yīng)用三維和四維信息技術(shù)，實現(xiàn)了對整個橋梁工程項目進(jìn)行全過程的協(xié)同設(shè)計、施工及運營管理，具有虛擬仿真橋梁結(jié)構(gòu)、工程量計算和成本管理的功能，在橋梁工程中合理應(yīng)用BIM技術(shù)可以有效的避免計算失誤和消除工程施工中存在的隱患。

1.可視化。

在實際橋梁工程設(shè)計中，工程結(jié)構(gòu)的可視化對橋梁設(shè)計具有一定作用。在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中，一些部件是由特定的線條交叉組合而成的。在傳統(tǒng)的橋梁設(shè)計中，結(jié)構(gòu)部件的外觀需要想象力，在橋梁設(shè)計的過程中，它不能直接顯示橋梁的外觀。BIM技術(shù)可以在橋梁設(shè)計時，實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)的視覺化，可促使建設(shè)單位對工程設(shè)計方案做出決定，對工程建設(shè)有一定的幫助。同時，BIM模型所攜帶的信息，可以在橋梁工程生命周期的項目設(shè)計、施工、運營等過程均可以重復(fù)使用。且在BIM三維平臺上，任何橋梁構(gòu)件和管線均可以清晰、直觀的展示在眼前，從而可以有效地幫助建設(shè)單位、設(shè)計單位和施工單位進(jìn)行全方位的溝通、協(xié)調(diào)。

2.協(xié)調(diào)性。

在橋梁工程施工建設(shè)中，常發(fā)生構(gòu)件與構(gòu)件沖突、橋墩與主梁高程沖突的現(xiàn)象，為了解決該現(xiàn)象需要應(yīng)有效協(xié)調(diào)各單位和協(xié)調(diào)各工序、各專業(yè)，確保施工順利完成。根據(jù)工程施工經(jīng)驗可知，常發(fā)現(xiàn)在工程建設(shè)中由于各工序協(xié)調(diào)不到位，導(dǎo)致了一些過程的沖突，影響了建設(shè)項目的正常開展。而BIM技術(shù)通過三維技術(shù)可以有效地協(xié)調(diào)各專業(yè)之間的工作流程，有效地協(xié)調(diào)施工過程中的問題，減少橋梁工程施工中的不合理部位，確保橋梁工程施工項目的順利實施。

3.模擬性。

BIM技術(shù)可用于模擬橋梁工程，包括3D畫面模擬、日照模擬、能效模擬、緊急疏散模擬等，并可模擬橋梁工程施工組織，優(yōu)化施工組織，減少橋梁組織錯誤造成的損失。此外，利用BIM技術(shù)可以實現(xiàn)4D施工模擬、5D造價模擬等與時間關(guān)系緊密聯(lián)系的模擬仿真，并能有效地控制該項目的成本。

4.可出圖性。

利用BIM技術(shù)，可以實現(xiàn)對橋梁工程三維模型的快速繪制，并具有出圖功能，減少橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的工作量，且可以方便施工人員快速識別圖紙，從而可以實現(xiàn)橋梁工程的可視化，避免二維圖紙造成的視覺誤差，促進(jìn)橋梁工程的快速施工，減少工程施工的返工次數(shù)。

二、BIM技術(shù)在橋梁工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用

1.分析橋梁結(jié)構(gòu)及場地。

橋梁結(jié)構(gòu)的自身穩(wěn)定性、安全性與橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計合理性有關(guān)，同時還受橋梁工程建設(shè)場地和場地的環(huán)境以及場地的地質(zhì)條件等存在較為密切的關(guān)系。BIM技術(shù)可以與地理信息相互連接，從而可以有效地模擬橋梁工程場地的狀況，并建立對應(yīng)的場地模型。并對建立的場地模型進(jìn)行地質(zhì)條件分析，以選出最適宜的建設(shè)場址，從而提高橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性。

2.復(fù)雜節(jié)點模型與驗算。

對于橋梁結(jié)構(gòu)中復(fù)雜構(gòu)造節(jié)點，可以利用BIM建出模型后導(dǎo)為.sat格式文件，再導(dǎo)入至ANSYS等有限元分析軟件中，對復(fù)雜節(jié)點進(jìn)行分析驗算，再根據(jù)節(jié)點構(gòu)件的受力情況判斷出該節(jié)點設(shè)計是否符合設(shè)計要求，從而保障了結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力性能。若分析結(jié)果表明該節(jié)點受力不滿足要求，則需要對該節(jié)點部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，調(diào)整設(shè)計方案，再重新導(dǎo)入至有限元分析軟件中進(jìn)行分析，從而保障橋梁復(fù)雜節(jié)點設(shè)計的合理性。

3.橋塔節(jié)點板件關(guān)系檢查。

由于現(xiàn)代大型橋梁結(jié)構(gòu)造型較為新穎，對于一些節(jié)點處可能存在板件相互交錯，而單純的依靠二維圖紙無法檢查出是否存在板件沖突、碰撞等現(xiàn)象，而利用BIM三維模型的可視化功能，可以輕松的檢查出板件存在沖突的部位。在利用BIM建出橋梁結(jié)構(gòu)三維模型后，將外部局部構(gòu)件設(shè)置為透明，從而就可以較為容易的看出內(nèi)部構(gòu)造存在沖突的部位，且可以利用漫游視角檢查板件之間的空間關(guān)系，對存在沖突的部位進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，避免構(gòu)件的沖突、碰撞現(xiàn)象。

4.分析橋梁結(jié)構(gòu)性能。

橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅是對橋梁構(gòu)件進(jìn)行簡單的布置或者排列，還需要對結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、抗震性能進(jìn)行充分的分析，從而保障橋梁結(jié)構(gòu)具有充足的強度、剛度。在傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時需要耗費較多的人力、物力以及財力，且人為分析橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，會添加人的主觀意識，導(dǎo)致分析結(jié)果存在一定的偏差。而利用BIM技術(shù)中的分析模塊，可以對建立的BIM模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，且可以對結(jié)構(gòu)部件設(shè)計不足之處進(jìn)行修正，從而提高了橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的效率，保障橋梁結(jié)構(gòu)具有充足的強度和剛度。

5.原材料的BIM控制。

橋梁工程原材料性能是決定整個工程質(zhì)量的主要因素。因此，橋梁工程原材料的質(zhì)量管理是控制工程質(zhì)量的因素之一。BIm技術(shù)可以對工程施工材料建立材料數(shù)據(jù)信息庫，對原材料進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃管理。同時，利用BIM技術(shù)可以將橋梁工程模型與工程進(jìn)度計劃相互結(jié)合，詳細(xì)記錄工程項目仍一階段施工所用的材料類型和工程用量，實現(xiàn)了科學(xué)合理的管理工程施工材料，并可以實現(xiàn)了橋梁工程施工過程中方便快捷查詢施工檔案，一定程度上提高了工程效率。

此外，利用BIM技術(shù)建立的材料信息數(shù)據(jù)庫，可以查詢到工程項目施工中使用的材料信息，例如供應(yīng)商、產(chǎn)地、材料性質(zhì)等，并可依據(jù)該信息實現(xiàn)對施工材料進(jìn)行評價分級。

6.施工人員 BIM 控制。

BIM技術(shù)的應(yīng)用可以大大提高項目經(jīng)理和實際運營商的工作效率，并保證項目如期完成。 BIM技術(shù)通過建立3D實體橋梁信息模型，使項目經(jīng)理可以對橋梁工程有全面了解，提高管理效率，總結(jié)和分析橋梁工程可能出現(xiàn)的問題，然后確定項目整個過程中質(zhì)量管理與控制，減少工程施工問題，降低事故不確定因素造成工程項目質(zhì)量管理的可能性。通過使用BIM技術(shù)，可以使工作人員的施工任務(wù)提前展示，幫助員工在工程施工過程中高效、清晰、準(zhǔn)確地了解需要注意的工作內(nèi)容和實際施工質(zhì)量控制點的，更加注重橋梁工程的施工質(zhì)量，減少事故問題。

7.橋梁工程BIM模型深度制定。

施工圖設(shè)計階段的橋梁工程BIM模型應(yīng)達(dá)到一定的深度，此階段的模型包含精確的數(shù)量、幾何尺寸、外觀形式、空間位置以及內(nèi)部構(gòu)造，適應(yīng)于成本估算以及施工協(xié)調(diào)，施工進(jìn)度計劃，施工進(jìn)度模擬和可視化。此階段模型應(yīng)包含的非幾何信息：項目基本信息、位置信息、經(jīng)濟(jì)信息、技術(shù)參數(shù)信息等。橋梁工程結(jié)構(gòu)模型主要技術(shù)指標(biāo)（高度、層高、結(jié)構(gòu)形式、荷載等級等）構(gòu)件的物理性能、材質(zhì)、構(gòu)造、工藝要求等。

此外，針對關(guān)鍵典型混凝土構(gòu)件如樁基、橫梁、立柱等建立相應(yīng)的鋼筋模型，每種類型的鋼筋應(yīng)附加鋼筋類型等屬性。

8.BIM技術(shù)施工信息化技術(shù)及管理系統(tǒng)研發(fā)。

基于BIM技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)+等新一代信息化技術(shù)，對橋梁工程施工階段BIM項目管理信息平臺及移動應(yīng)用終端，建立工程建設(shè)期BIM項目管理信息共享平臺，實現(xiàn)對橋梁工程建設(shè)期的遠(yuǎn)程、動態(tài)、可視化、信息化和自動化管理?；贐IM的橋梁施工過程模擬。設(shè)計階段的模擬施工只模擬施工階段的進(jìn)度管理，為施工組織提供基本參考。根據(jù)設(shè)計方案提出的施工方案，通過施工4D初步模擬，對施工設(shè)計方案可能遇到問題制定解決方案，以及施工方案的可行性和施工方案進(jìn)行優(yōu)化。

三、BIM 在橋梁設(shè)計階段的價值體現(xiàn)

1.可視化方案交流。

BIM技術(shù)使得僑聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計從二維圖紙轉(zhuǎn)變?yōu)槿S模型，使得橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計走向數(shù)字化。它可以使得結(jié)構(gòu)設(shè)計從而抽象、復(fù)雜的二維圖紙轉(zhuǎn)變?yōu)槿S、可視化的方式展現(xiàn)，從而可以使得各個專業(yè)人員提前了解項目情況，并可使得建設(shè)單位對工程項目的基本情況進(jìn)行掌握。

2.協(xié)同化的工作新模式。

BIM技術(shù)可以將橋梁工程的各個專業(yè)整合到一個模型中，從而改變了傳統(tǒng)二維圖紙分專業(yè)的設(shè)計模式。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，前期根據(jù)不同專業(yè)和任務(wù)分工劃分子項，構(gòu)件項目族庫，然后再利用相同的項目基點組合到中心文件中，從而可以協(xié)同設(shè)計，加快設(shè)計效率。

3.設(shè)計質(zhì)量提升。

根據(jù)橋梁工程局部構(gòu)件建模細(xì)度要求，進(jìn)行建立相應(yīng)的模型，并可以直接生成施工圖紙，統(tǒng)計施工材料，并可以減少結(jié)構(gòu)設(shè)計中的沖突問題，從而一定程度上提升了結(jié)構(gòu)設(shè)計的質(zhì)量。

4.成本控制。

通過BIM模型對工料的計算，比利用2維圖紙計算的工料要更加準(zhǔn)確，且工料成本計算均有計算機進(jìn)行完成，減少人為參與出現(xiàn)錯誤的可能性，可以方便業(yè)主控制施工成本。

5.橋梁產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

通過BIM技術(shù)可以實現(xiàn)橋梁局部構(gòu)件在預(yù)制場進(jìn)行施工生產(chǎn)，再由拼裝而成，從而加快了橋梁工程往產(chǎn)業(yè)化方面的發(fā)展。

四、結(jié)論

綜上所述，在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中，利用BIM技術(shù)可以實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的可視化、協(xié)調(diào)性、出圖性，且可以實現(xiàn)對橋梁設(shè)計場地的分析、結(jié)構(gòu)力學(xué)分析、橋梁構(gòu)件材料用量等，且可以實現(xiàn)對工程施工人員的合理安排，從而提高橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的質(zhì)量，保障橋梁結(jié)構(gòu)具有充足的強度和剛度，促建橋梁工程的可持續(xù)發(fā)展。