BIM技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用分析

【摘要】BIM（建筑信息模型）技術(shù)是具有可視化、協(xié)調(diào)性、全生命周期性的一種管理模型，能夠有效進(jìn)行建筑工程行業(yè)的信息集成、交互及協(xié)同工作，在建筑行業(yè)發(fā)揮著越來越重要的作用。橋梁是交通系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)，橋梁工程對經(jīng)濟(jì)、安全、質(zhì)量與壽命等方面要求較高，將BIM技術(shù)應(yīng)用到橋梁工程中十分必要，通過研究分析BIM技術(shù)在橋梁工程設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營階段的應(yīng)用現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)BIM技術(shù)運(yùn)用在橋梁工程中能夠極大提高設(shè)計(jì)、施工效率，延長橋梁使用壽命，降低維護(hù)成本。

【關(guān)鍵詞】橋梁工程;BIM技術(shù);設(shè)計(jì)階段;施工階段;運(yùn)營階段

現(xiàn)代社會已經(jīng)進(jìn)入信息化和智能化時(shí)代，信息技術(shù)在許多行業(yè)都發(fā)揮著重要作用，極大提高了生產(chǎn)效率。相對其他行業(yè)，信息技術(shù)在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用相對落后，在橋梁工程上的應(yīng)用就更加滯后，隨著橋梁工程項(xiàng)目的不斷復(fù)雜，傳統(tǒng)技術(shù)在勘測處理數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)圖紙、建筑物可視化、施工管理、工程造價(jià)、運(yùn)營管理、監(jiān)控及養(yǎng)護(hù)等方面造成了人力、物力以經(jīng)濟(jì)的極大浪費(fèi)和損失，因此建立一個(gè)完善的信息系統(tǒng)或平臺就十分迫切。BIM技術(shù)的出現(xiàn)可以很好解決這些工程問題，BIM技術(shù)能夠提高橋梁建設(shè)過程中的施工效率和安全性，降低成本、延長橋梁使用壽命并對運(yùn)營階段的安全進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。本文通過研究BIM技術(shù)在橋梁工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營階段的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)BIM技術(shù)的優(yōu)勢，并對BIM技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行展望。

1、BIM技術(shù)介紹

建筑信息化模型（BIM）是一個(gè)完整的信息模型，能夠?qū)⒐こ添?xiàng)目全生命周期各個(gè)不同階段的工程信息和資源集中到一個(gè)模型中，被工程各參與方使用。通過三維數(shù)字技術(shù)模擬建筑物所有真實(shí)信息，為工程設(shè)計(jì)和施工提供相互協(xié)調(diào)的信息模型以達(dá)到設(shè)計(jì)施工一體化，各專業(yè)協(xié)同工作，降低工程生產(chǎn)成本，保障工程按時(shí)按質(zhì)完成[1]。BIM技術(shù)核心是利用計(jì)算機(jī)建立工程項(xiàng)目的三維模型，利用數(shù)字信息化技術(shù)，將完整的實(shí)際工程信息添加到模型中去，形成一個(gè)工程信息庫。這個(gè)信息庫包括工程主體構(gòu)件的幾何信息、物理信息、專業(yè)屬性信息和狀態(tài)信息，還包含空間、時(shí)間、運(yùn)動(dòng)行為等信息，這些信息形成一個(gè)完整的具有極強(qiáng)邏輯性和層次性的信息系統(tǒng)，管理著工程生命周期的全部信息。在設(shè)計(jì)階段，施工階段、運(yùn)營管理階段、工程出圖、工程量計(jì)算、施工成本計(jì)算、工程方案模擬等工作中發(fā)揮重要作用。BIM技術(shù)工作結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2、BIM技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用

2.1 BIM技術(shù)在橋梁工程設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

橋梁工程設(shè)計(jì)階段，工作量大，不僅要完成方案設(shè)計(jì)還要完成建模計(jì)算，以往建模計(jì)算，都是利用圖紙對模型進(jìn)行多次優(yōu)化調(diào)整，效率低下。BIM技術(shù)可以將建模模型和計(jì)算模型互相關(guān)聯(lián)或整合成一個(gè)數(shù)據(jù)模型，大大提高工作效率，主要體現(xiàn)在快速建模、模型計(jì)算、圖紙輸出和工程量統(tǒng)計(jì)等工作上。

2.1.1 快速參數(shù)化建模

在橋梁工程中考慮到BIM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性、操作的易用性、處理速度的可行性、軟硬件技術(shù)的支持性，參數(shù)化建模是BIM得以真正成為生產(chǎn)力不可或缺的基礎(chǔ)。BIM技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計(jì)第一步就是要進(jìn)行參數(shù)化建模，將橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)分類，統(tǒng)計(jì)分析總結(jié)同一類別構(gòu)件的參數(shù)化表達(dá)方式，將構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)圖以及相關(guān)參數(shù)輸入到Revit系列軟件里，進(jìn)行參數(shù)化建模，然后利用前期測量的地形地貌和路線走向，確定橋梁工程規(guī)模和中心樁號，將中心樁號、橋梁跨徑、樁斜交角度、橋梁上下部結(jié)構(gòu)形式等一系列信息輸入設(shè)計(jì)平臺，最后調(diào)取Revit系列軟件構(gòu)件庫中橋梁全部結(jié)構(gòu)的三維構(gòu)建信息，經(jīng)過計(jì)算分析，快速建立三維橋梁模型[2]。

2.1.2橋梁模型計(jì)算

建立三維橋梁模型后就要進(jìn)行模型計(jì)算，計(jì)算主要分為整體和局部模型計(jì)算。整體模型計(jì)算就是對橋梁整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、抗震性能等進(jìn)行充分的整體分析，以保障橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度的安全性。傳統(tǒng)橋梁結(jié)構(gòu)分析時(shí)耗費(fèi)大量人力、物力和財(cái)力，且由于人主觀意識的存在經(jīng)常導(dǎo)致分析結(jié)果出現(xiàn)偏差，利用 BIM 技術(shù)中的分析模塊進(jìn)行計(jì)算可以對橋梁結(jié)構(gòu)部件設(shè)計(jì)不足之處進(jìn)行修正，不但提高了設(shè)計(jì)效率，且保障橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。局部模型計(jì)算就是對橋梁結(jié)構(gòu)中復(fù)雜構(gòu)造節(jié)點(diǎn)，利用 BIM進(jìn)行建模導(dǎo)為 .sat 格式文件，運(yùn)用有限元分析軟件進(jìn)行受力分析，進(jìn)一步判斷該節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的合理性，以判斷是否需要進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化和調(diào)整[3]。

2.1.3二維圖紙輸出

目前我國建筑工程設(shè)計(jì)行業(yè)主要任務(wù)為生成工程的二維圖紙交付業(yè)主及施工單位。但是出圖任務(wù)繁重，傳統(tǒng)技術(shù)耗時(shí)耗力，利用三維 BIM 模型，可以直接生成二維圖紙，模型與圖紙的關(guān)聯(lián)性可以保證出圖的準(zhǔn)確性和質(zhì)量。由于現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和注重對橋梁整體美感的追求，二維設(shè)計(jì)技術(shù)已不能滿足表達(dá)三維形態(tài)的立體多層次的效果要求，為了能夠精確表達(dá)復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁的幾何特征，三維設(shè)計(jì)是發(fā)展的必然要求，而利用BIM技術(shù)可以輕易實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)。

2.1.4工程量統(tǒng)計(jì)

傳統(tǒng)橋梁工程量統(tǒng)計(jì)根據(jù)CAD 圖紙進(jìn)行計(jì)，計(jì)算量大且易出錯(cuò)，運(yùn)用BIM技術(shù)可以迅速讀取儲存在BIM模型數(shù)據(jù)庫中的橋梁工程全部信息，進(jìn)而對各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行工程量計(jì)算，運(yùn)用BIM技術(shù)可以根據(jù)構(gòu)件設(shè)計(jì)變化隨時(shí)調(diào)整工程量計(jì)算值，實(shí)時(shí)進(jìn)行工程成本估算、工程預(yù)算和工程決算。

2.2 BIM技術(shù)在橋梁工程施工階段的應(yīng)用

BIM技術(shù)在工程施工階段就是將設(shè)計(jì)階段的信息與施工階段的信息進(jìn)行結(jié)合，通過橋梁信息模型與時(shí)間因素結(jié)合，進(jìn)行施工場地規(guī)劃、施工過程模擬與施工進(jìn)度管理。

2.2.1施工場地的規(guī)劃

相比傳統(tǒng)技術(shù)運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行工程場地規(guī)劃具有形象、真實(shí)、快捷和方便修改的優(yōu)點(diǎn)，通過Revit系列軟件分析導(dǎo)入三維等高線數(shù)據(jù)，通過放置高程點(diǎn)，設(shè)置地形材質(zhì)，自動(dòng)生成地形圖。然后進(jìn)行草圖和表格編輯繪制建筑紅線位置，確定項(xiàng)目范圍。然后對項(xiàng)目的施工區(qū)域、道路、停車場、綠化等進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，最后完成場地配景。

2.2.2施工仿真模擬

運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行施工仿真主要將BIM模型、施工方案和施工進(jìn)度集成建立一個(gè)基于空間信息與時(shí)間信息的模型，直觀、精確地反映整個(gè)工程的施工過程。工程人員可以在虛擬環(huán)境中對項(xiàng)目的重點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行模擬，如對場地、工序、安裝模擬等，進(jìn)而優(yōu)化施工方案。通過BIM技術(shù)進(jìn)行施工仿真模擬可以發(fā)現(xiàn)不同專業(yè)聯(lián)合施工中可能產(chǎn)生的技術(shù)和安全問題，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，避免真正施工時(shí)再次進(jìn)行現(xiàn)場協(xié)調(diào)，從而提高施工效率，保證施工安全性[4]。

2.2.3施工進(jìn)度管理

施工進(jìn)度管理是在項(xiàng)目實(shí)施過程中，為保證項(xiàng)目在滿足時(shí)間約束條件下實(shí)現(xiàn)總體目標(biāo)，對各階段進(jìn)展程度和項(xiàng)目最終完成期限進(jìn)行的管理。BIM進(jìn)度管理模型以建筑信息（施工圖、水文地質(zhì)資料及其他建筑信息）、方案設(shè)計(jì)（施工技術(shù)方案、施工組織設(shè)計(jì)、安全專項(xiàng)設(shè)計(jì)）和施工技術(shù)等信息數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)以4D數(shù)字模型為主體，創(chuàng)建可視化環(huán)境，對項(xiàng)目整體進(jìn)度和階段進(jìn)度進(jìn)行場景模擬和動(dòng)態(tài)優(yōu)化分析， 實(shí)時(shí)調(diào)整施工順序， 完成施工建設(shè)資源合理配置， 保證項(xiàng)目整體進(jìn)度，并對工程項(xiàng)目的各個(gè)階段進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。除此之外還可以進(jìn)行潛在風(fēng)險(xiǎn)評估，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在危險(xiǎn)， 提高施工安全性。

2.3 BIM技術(shù)在橋梁工程運(yùn)營階段的應(yīng)用

BIM技術(shù)的應(yīng)用使橋梁工程的運(yùn)營模式發(fā)生了極大改變。橋梁工程的運(yùn)營管理主要通過搜集整個(gè)橋梁運(yùn)營階段的信息，進(jìn)行運(yùn)營方案的優(yōu)化、橋梁能耗的監(jiān)測以及運(yùn)營數(shù)據(jù)的分析。

2.3.1運(yùn)營方案的優(yōu)化

BIM技術(shù)運(yùn)營管理系統(tǒng)，結(jié)合設(shè)計(jì)階段的橋梁信息化模型和以及施工階段信息數(shù)據(jù)制定運(yùn)營方案。再通過協(xié)同工作平臺與設(shè)計(jì)、施工等單位進(jìn)行交流，在運(yùn)營前完成對擬定運(yùn)營方案的改進(jìn)和完善，以提高運(yùn)營期間管理效率，減少因運(yùn)營方案制定缺陷導(dǎo)致的事故，保證橋梁安全運(yùn)營，節(jié)省運(yùn)營成本[5]。

2.3.2橋梁的能耗監(jiān)測

橋梁運(yùn)行期間，能耗監(jiān)測是保證橋梁使用壽命的重要手段。運(yùn)用 BIM 技術(shù)進(jìn)行橋梁能耗監(jiān)測能夠?qū)崟r(shí)記錄橋梁所有設(shè)備的耗能數(shù)據(jù)和信息，然后將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)上傳到能耗評估平臺，根據(jù)顯示的數(shù)據(jù)信息和實(shí)際工程需要，評定能耗合理性，制定符合該橋梁工程項(xiàng)目的優(yōu)化節(jié)能方案，保證橋梁能耗控制在最低水平。

2.3.3運(yùn)營數(shù)據(jù)的管理分析

橋梁運(yùn)營過程會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)記錄、整理、分析這些數(shù)據(jù)是運(yùn)營階段工作開展的基礎(chǔ)。運(yùn)用BIM 技術(shù)可以將所有數(shù)據(jù)資料進(jìn)行統(tǒng)一整理分析，隨時(shí)對數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行修改和更新，保證信息完整性和可靠性。BIM技術(shù)還能夠和 “云”計(jì)算技術(shù)結(jié)合，建立數(shù)據(jù)共享平臺，實(shí)時(shí)上傳橋梁運(yùn)營管理數(shù)據(jù)，管理人員根據(jù)最新的橋梁運(yùn)用數(shù)據(jù)進(jìn)行決策，保證橋梁管理高效性。

3、結(jié)論與展望

BIM技術(shù)在橋梁工程設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營階段的應(yīng)用極大提高了工作的信息化和網(wǎng)絡(luò)化，確保了工作的效率和質(zhì)量，使得工程管理更加科學(xué)安全具有全局性，保證了橋梁工程的使用壽命和結(jié)構(gòu)可靠性。

BIM技術(shù)在橋梁工程的全面普及應(yīng)用需要政策支持，政府應(yīng)鼓勵(lì)BIM技術(shù)發(fā)展的財(cái)政支持。需要人才支持，各個(gè)工程院校和企業(yè)應(yīng)注重BIM系統(tǒng)知識的學(xué)習(xí)，注重BIM人才的培養(yǎng)。未來BIM技術(shù)發(fā)展要和大數(shù)據(jù)相結(jié)合，建立完整的橋梁工程行業(yè)的數(shù)據(jù)庫，對整個(gè)橋梁工程領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)籌管理。

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[3]劉智敏，王英，孫靜，等.BIM技術(shù)在橋梁工程設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用研究[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，39（06）：80-84.

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[5]李亞君.BIM技術(shù)在橋梁工程運(yùn)營階段的應(yīng)用研究[D].重慶交通大學(xué)，2015.

作者簡介：

楊振藝，重慶第二外國語學(xué)校，重慶。