BIM技術(shù)在某橋梁工程設(shè)計階段中的應(yīng)用研究

徐會杰 王 鑫

（1.河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司， 河南 鄭州 451450）

（2.鄭州工業(yè)安全職業(yè)學(xué)院， 河南 鄭州 450000）

近年來，中國的建筑行業(yè)飛速發(fā)展，國家的關(guān)注點放在了占比較大的基礎(chǔ)設(shè)施上。橋梁工程作為重點工程之一，設(shè)計要求自然更高、更嚴(yán)謹(jǐn)[1]。但是中國國內(nèi)大多數(shù)大型橋梁工程項目的設(shè)計、施工仍然在很大程度上依賴二維圖紙，而作為傳統(tǒng)設(shè)計工具，二維圖紙具有諸多弊端，如其設(shè)計工作量大，信息傳遞效率低，設(shè)計過程中的不足難以發(fā)現(xiàn)。為了更有效地保證施工進(jìn)度，控制施工成本，采用先進(jìn)的設(shè)計方法是非常必要的。 雖然目前橋梁工程的案例很多，但應(yīng)用BIM技術(shù)的案例十分有限，相關(guān)的理論研究還不足。而為了橋梁工程可及時跟上祖國發(fā)展的腳步，加大BIM技術(shù)的應(yīng)用迫在眉睫。

1 工程概況

1.1 項目概況

某黃河大橋工程分為兩部分：主橋和引橋。主橋總長1316.02m。 上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆T型結(jié)構(gòu)相結(jié)合。 孔跨度排列為：（55+3×100+70）m +（2×30）m +（70+ 2×100+70）m +（2×30）m +（70+ 3×100 + 55））m。主橋采用單箱單室段，除5#,9#墩外的下部結(jié)為空心薄壁墩，其余為矩形板墩，14＃墩由梁橋墩組成。

1.2 在該項目中應(yīng)用BIM技術(shù)的必要性

該黃河大橋工程分主橋和引橋兩部分?？傞L度為1184米，橋梁分孔如下：(50+3×90+60)m+(2×27)m+(60+2×90+60)m+(2×27)m+(60+3×90+50)m，共計18跨。黃河大橋的鵝卵石分布廣泛。穿過黃河主干道時，橋址的主要通道很大。黃河灘的鵝卵石面積大，沉積物容易淤積，鵝卵石層中的細(xì)沙被夾在中間。黃河水域較弱，水深5-10米，地質(zhì)條件十分復(fù)雜。這座橋橫跨黃河的主要通道，橋的建設(shè)都在水面上。黃河汛期過后，不僅現(xiàn)場施工人員施工風(fēng)險高，而且施工現(xiàn)場環(huán)境也極為復(fù)雜。樁基受地質(zhì)條件影響，難以在水上施工。黃河大橋渠道圍堰開挖深度大，水位高。承臺為18×10.8×4.2m，承臺底部為河面10m以下。變截面箱梁部采用掛籃施工，“T”構(gòu)部分采用支架及滿堂支架相結(jié)合的方式施工。

故而本黃河大橋結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，施工難度較大。

圖1.1 大橋“T”構(gòu)部分示意圖

BIM的應(yīng)用價值有：（1）利用BIM相關(guān)軟件進(jìn)行包含數(shù)據(jù)的參數(shù)化建模，建立了各種信息之間的相關(guān)性，具有多次修改和及時問答的建模特點。簡化了各專業(yè)的聯(lián)系。（2）涵蓋工程全生命周期的可視化，包括橋梁結(jié)構(gòu)的三維可視化，施工方案的視覺設(shè)計以及實際施工過程。從而預(yù)設(shè)方案，解決施工現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜情況。（3）利用BIM技術(shù)，可以實現(xiàn)設(shè)計和施工方案之間的成本比較，可執(zhí)行成本估算，并且可以合理地分配資源，節(jié)省成本。（4）協(xié)同性。可以及時實現(xiàn)設(shè)計和施工的進(jìn)度同步，更便于分析項目的進(jìn)展，協(xié)調(diào)各部門，提前調(diào)整計劃，避免因施工困難以延誤工程進(jìn)度。（5）在工程項目中，BIM具有廣泛的應(yīng)用，如碰撞檢測，安全分析，綠色建筑分析等，有效地提高了項目的質(zhì)量。因此在橋梁工程中建立三維模型，為項目的各專業(yè)聯(lián)系、安全性分析提供了方便。它具有深遠(yuǎn)的影響和意義。[2]

1.3 基于BIM技術(shù)的設(shè)計流程

設(shè)計階段作為橋梁工程全周期的一個重點環(huán)節(jié)。BIM技術(shù)又將整個設(shè)計階段的各個環(huán)節(jié)打散，分工給不同的專業(yè)人員設(shè)計，再進(jìn)行匯總、融合，并基于協(xié)同平臺進(jìn)行信息實時共享。經(jīng)過設(shè)計人員上傳、同步，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的不合理，經(jīng)討論解決措施改正后二次上傳、更改模型，即可及時修正錯誤，加快設(shè)計建模進(jìn)度。在橋梁工程的設(shè)計階段階段中，與傳統(tǒng)設(shè)計模式相比應(yīng)用BIM技術(shù)最大的不同則是將二維圖紙轉(zhuǎn)換為三維立體模型，該模型在橋梁工程的施工、運維階段都具有重大意義[3]。進(jìn)而達(dá)到控制項目成本，降低風(fēng)險發(fā)生率的目的。同時，由于BIM協(xié)同平臺的存在，每一階段細(xì)化后上傳，也確保了信息的完整性。

2 BIM在橋梁工程設(shè)計中的應(yīng)用

2.1 地形圖處理與分析

傳統(tǒng)的地形圖處理是由勘察單位利用各種勘察技術(shù)采集地形信息，將信息繪制成二維圖紙交付設(shè)計單位。首先，測量實際施工場地，將獲取到的測量數(shù)據(jù)作為源數(shù)據(jù)。在確保源數(shù)據(jù)的有效性后，將源數(shù)據(jù)導(dǎo)入到計算機(jī)中，并重建場地的三維模型。然后根據(jù)施工方案及三維模型，確定各個重型施工設(shè)備的最小工作區(qū)域、施工場地所在區(qū)域，施工人員的必要活動區(qū)域等。對以上不同區(qū)域進(jìn)行合理分配、科學(xué)布局[4]。采用BIM技術(shù)后勘測數(shù)據(jù)直接存儲在模型中用來生成三維地形，省去一次信息傳遞步驟，減少了信息傳遞的損耗。設(shè)計單位可以直接在三維地形圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計過程直觀高效。

2.2 線型設(shè)計

橋梁工程設(shè)計要充分考慮通行功能、用地拆遷和周邊環(huán)境的關(guān)系、水文地質(zhì)條件以及主要技術(shù)指標(biāo)。將BIM模型與三維實景模型結(jié)合，結(jié)合對公路、社會敏感點以及建筑等地類分塊信息的可視化表達(dá)，分析設(shè)計模型和周邊環(huán)境和相關(guān)建筑物的空間位置關(guān)系，提高用地和拆遷分析效率。

2.3 結(jié)構(gòu)物坐標(biāo)點校核

在模型建立的過程中，需要建立嚴(yán)格的建模標(biāo)準(zhǔn)。本工程主橋上部結(jié)構(gòu)在澆筑施工前，即需對其坐標(biāo)點預(yù)先進(jìn)行計算測量，由于是變截面箱梁，測量人員對其坐標(biāo)點進(jìn)行精確計算和測量難度很大。建模成員可按照結(jié)構(gòu)部位對模型進(jìn)行分解，下部結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)單獨建模然后進(jìn)行整合；建模之初首先設(shè)置好基準(zhǔn)軸網(wǎng)和標(biāo)高，以對模型準(zhǔn)確定位。模型建立完成后，將物體的三維坐標(biāo)與標(biāo)高等數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機(jī)中，由數(shù)字建模軟件完成物體坐標(biāo)標(biāo)注、物體三維模型渲染等工作。由數(shù)字建模軟件中計算出的數(shù)據(jù)可與人工繪制的數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，幫助測量人員及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的缺陷，并及時修正。從而實現(xiàn)精確建模與精確施工。

2.4 工程量統(tǒng)計

該項目的主體工程，支撐橋和鋼圍堰均采用鋼結(jié)構(gòu)形式。因此，成本的控制與鋼構(gòu)件工程量的細(xì)化息息相關(guān)。在建立模型的這一部分期間，建模者首先在不同位置建立鋼模組件模型系列，然后以嵌套族的形式將它們加載到項目中。建立模型后，以工程量計算鋼構(gòu)件的長度，體積，重量等。在“屬性”（Properties）列中，還可以直接查看表面區(qū)域和體積，這些都是基于BIM建模軟件豐富的功能。將計劃的工作量與圖紙給出的工作量進(jìn)行比較，找出差異并總結(jié)分析的原因。如果重新設(shè)計橋梁的平面，縱向和橫截面，則只需要重新更新道路模型，并且隨著部件信息的變化，工程量將實時調(diào)整?；贐IM模型的工程量計算方法不僅高效快速，而且計算結(jié)果更加真實可靠，可以大大提高工作效率。

2.5 施工模擬

使用專業(yè)的BIM軟件可以根據(jù)制定的施工計劃。本項目在施工圖設(shè)計階段建立了橋梁及周邊環(huán)境的三維模型，使用施工方提供的施工計劃，通過BIM軟件進(jìn)行模擬施工，對施工過程中存在的機(jī)械和結(jié)構(gòu)間、機(jī)械間、機(jī)械工作空間及操作空間的碰撞進(jìn)行檢測。在模擬施工中發(fā)現(xiàn)多處機(jī)械工作空間的碰撞問題，根據(jù)施工模擬情況對施工計劃提出了修改意見，優(yōu)化了施工方案。并且對最終的施工方案進(jìn)行了施工模擬，為施工方提供了模擬視頻，方便了施工中的安全管理。

2.6 碰撞檢查

碰撞檢測是BIM技術(shù)的核心應(yīng)用點。 橋梁工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及許多專業(yè)。 在傳統(tǒng)的二維設(shè)計中，每個專業(yè)設(shè)計都顯示在不同的CAD圖紙中，各專業(yè)設(shè)計人員很難通過二維圖紙判斷各構(gòu)件的空間位置關(guān)系，因此在施工中經(jīng)常發(fā)生構(gòu)件碰撞與專業(yè)沖突的現(xiàn)象。BIM技術(shù)可以將各專業(yè)設(shè)計信息展現(xiàn)在同一個三維模型中，通過計算機(jī)技術(shù)分析各構(gòu)件的空間位置，導(dǎo)出碰撞報告，提前找到構(gòu)件碰撞與專業(yè)沖突位置。各專業(yè)設(shè)計人員可以根據(jù)碰撞報告和模型信息與相關(guān)設(shè)計人員直接溝通修改設(shè)計圖紙直至解決所有沖突碰撞，通過碰撞檢查可以極大減少設(shè)計返工與專業(yè)沖突。[5]

本項目箱梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系，其中部分三向預(yù)應(yīng)力管道之間、管道與鋼筋之間的空間布置錯綜復(fù)雜，對其進(jìn)行碰撞檢查可提前發(fā)現(xiàn)碰撞點。因此本項目在BIM軟件中建立了三向預(yù)應(yīng)力管道模型和鋼筋模型，通過碰撞檢查發(fā)現(xiàn)了大量碰撞點，設(shè)計人員根據(jù)碰撞檢查報告進(jìn)行了多處設(shè)計修改，在設(shè)計階段規(guī)避了碰撞，為項目帶來了可觀的效益。

3 結(jié)論

黃河橋梁工程通過地形圖的處理和分析，建立了三維模型，克服了傳統(tǒng)二維布局不直觀的缺點，有效地展示了各種布局效果。

在檢查結(jié)構(gòu)坐標(biāo)點后，發(fā)現(xiàn)了60多個繪圖設(shè)計問題。通過建模檢查，圖紙的中心高程與從設(shè)計高程獲得的中心高程不一致，并且及時更改，重新設(shè)計。

根據(jù)預(yù)先計算的工程量計算，與圖紙數(shù)量相比，使用的鋼材量減少了2.5%。預(yù)制的T型梁可以節(jié)省近30萬元的項目。

由此可見，BIM技術(shù)顯著地提高了本橋梁工程設(shè)計階段的工作效率和工作質(zhì)量。以小見大，BIM技術(shù)對于改進(jìn)現(xiàn)有的設(shè)計方法、施工手段以及管理模式都具有非常重要的促進(jìn)作用。因此，BIM技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用發(fā)展勢不可擋。