基于BIM技術(shù)的裝配式市政橋梁設(shè)計管理研究

周群 黃瑩 榮浩 鮮秋適

摘要：BIM技術(shù)作為建筑信息模型的全新理念，可以有效解決傳統(tǒng)設(shè)計管理中存在的問題。文章以南寧市快環(huán)綜合整治項(xiàng)目（北湖立交）改造工程為實(shí)例，應(yīng)用了Bentley平臺建立BIM模型，提出對裝配式市政橋梁傳統(tǒng)設(shè)計管理的優(yōu)化方案。研究表明：在裝配式市政橋梁設(shè)計管理中運(yùn)用BIM技術(shù)的信息化流程，可以明顯提高設(shè)計管理的有效性。

關(guān)鍵詞：裝配式市政橋梁;設(shè)計管理;BIM技術(shù)

As a new concept of building information model，BIM technology can effectively solve the problems in traditional design management.With the reconstruction project of Nanning Expressway comprehensive improvement project （Beihu Interchange） as the example，this article uses the Bentley platform to establish the BIM model，and proposes the optimization plan for the traditional design management of prefabricated municipal bridge.The research shows that the application of BIM technology in the design management of prefabricated municipal bridges can significantly improve the effectiveness of design management.

Prefabricated municipal bridge;Design management;BIM technology

0 引言

裝配式橋梁能夠?qū)崿F(xiàn)工廠化預(yù)制施工，在質(zhì)量控制、縮短工期等方面優(yōu)勢明顯，因此越來越多地應(yīng)用于市政橋梁并在各大城市大量修建。在量大面廣的市政橋梁中，項(xiàng)目設(shè)計受到地下管線、周邊建筑、交通運(yùn)行等因素的影響，設(shè)計難度較大，在設(shè)計過程中存在諸多問題。因此，在裝配式市政橋梁的設(shè)計過程中，有必要引進(jìn)新的技術(shù)和方法來解決設(shè)計中存在的問題。

BIM技術(shù)提出的初衷是實(shí)現(xiàn)各專業(yè)之間的數(shù)據(jù)互通，解決信息孤島問題[1]。應(yīng)用BIM技術(shù)可提高建筑數(shù)據(jù)信息的整合度，且可視化、可模擬和易優(yōu)化等特性，能加快對建筑信息的協(xié)同管理，為設(shè)計單位解決設(shè)計協(xié)同化管理問題提供一種可靠的解決方案，不僅可以提高設(shè)計效率，還可以起到指導(dǎo)施工、技術(shù)交底、節(jié)約成本等作用。所以將BIM技術(shù)應(yīng)用到城市立交設(shè)計管理中是趨勢所向，可以此提高設(shè)計效率，保證工期、成本、質(zhì)量達(dá)到要求。本文以南寧市北湖立交工程為例，探討B(tài)IM技術(shù)在市政裝配式橋梁協(xié)同化設(shè)計的應(yīng)用。

1 BIM技術(shù)的概念及發(fā)展背景

BIM技術(shù)作為建筑信息模型的全新理念，為工程建設(shè)行業(yè)帶來了一場數(shù)字化的革命。這種信息化的新技術(shù)，正在逐漸改變工程師們在建筑設(shè)計和項(xiàng)目管理方面運(yùn)用的傳統(tǒng)模式，BIM技術(shù)正在全球范圍內(nèi)推動傳統(tǒng)建筑行業(yè)產(chǎn)生重大變革[2]。簡單地說BIM就是通過計算機(jī)建立的模擬建筑三維模型，將工程建設(shè)行業(yè)從二維時代帶入了三維時代。

BIM技術(shù)是建立在大數(shù)據(jù)時代和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)時代背景之下的模型創(chuàng)建工作，是利用數(shù)字化技術(shù)為建筑模型提供完整的與實(shí)際相一致的建筑工程信息庫和信息模擬。該信息庫不僅包括描述建筑物構(gòu)件的各種幾何信息和專業(yè)信息，而且還包括對于非構(gòu)建對象的空間和運(yùn)動行為的狀態(tài)信息記錄。

BIM是一個綜合性的富含建筑工程信息的三維模型體系，在建筑工程的信息集成化程度日益提升的今天，可以提供建筑設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理化保證，可以提供有效的安排設(shè)備管理和工程量統(tǒng)計，并且對整個工程項(xiàng)目的成本計算和后期運(yùn)行維護(hù)作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)，BIM實(shí)際上管理著建筑生命周期的全部信息。

建筑項(xiàng)目的整個設(shè)計、施工、運(yùn)營的過程就是一個不斷優(yōu)化的過程，其優(yōu)化和BIM存在著方法上的實(shí)質(zhì)性必然聯(lián)系，在BIM的基礎(chǔ)上可以做到更好[3]。在對于制約項(xiàng)目設(shè)計的項(xiàng)目信息、技術(shù)難度以及設(shè)計時程控制方面，采用BIM模型，將實(shí)際建筑物存在的各種信息輸入模型，可以真實(shí)反映該建筑物的幾何信息、物理信息、規(guī)則信息以及各類信息的實(shí)時變化情況等。

2 傳統(tǒng)設(shè)計管理存在的問題

設(shè)計管理主要關(guān)注設(shè)計階段的溝通協(xié)調(diào)、質(zhì)量控制、進(jìn)度控制以及投資控制。通過大量的工程實(shí)踐，各大設(shè)計單位已經(jīng)形成一整套成熟的管理模式，尤其是在Auto CAD軟件廣泛推廣之后，設(shè)計單位的工作效率極大地提高。由于我國城市化的飛速發(fā)展以及市政橋梁尤其是裝配式市政橋梁在設(shè)計上的特殊性，在傳統(tǒng)設(shè)計管理中存在一些問題亟待解決。

2.1 各專業(yè)間溝通協(xié)調(diào)的問題

傳統(tǒng)設(shè)計單位多存在重技術(shù)、輕管理的問題，對設(shè)計管理力度不足。裝配式市政橋梁的設(shè)計涉及道路、交通、橋梁、給排水、電氣、綠化等眾多專業(yè)，而各專業(yè)之間協(xié)同化較低，造成設(shè)計工作效率低下。項(xiàng)目設(shè)計小組一般設(shè)置一名項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，多名分項(xiàng)負(fù)責(zé)人。各分項(xiàng)負(fù)責(zé)人一般只負(fù)責(zé)本專業(yè)范圍內(nèi)的設(shè)計內(nèi)容，而項(xiàng)目負(fù)責(zé)人很難做到各專業(yè)融通，且各專業(yè)設(shè)計人員對非本專業(yè)的內(nèi)容理解欠缺。因此，在設(shè)計過程中由于各專業(yè)之間溝通及理解不足導(dǎo)致的設(shè)計反復(fù)、設(shè)計失誤極易出現(xiàn)。

2.2 設(shè)計理念傳達(dá)的問題

裝配式市政橋梁的設(shè)計，由于專業(yè)眾多，導(dǎo)致設(shè)計圖紙信息分散，而且傳統(tǒng)的圖紙一般采用二維圖紙，識圖要求較高。因此，在方案階段向業(yè)主方傳達(dá)設(shè)計理念需要設(shè)計方進(jìn)行大量溝通解釋工作并配合大量三維效果圖紙。同時，施工單位在施工過程中，需要把二維設(shè)計圖紙重組為三維立體的施工實(shí)體，在這一過程中容易出現(xiàn)誤讀，設(shè)計理念較難傳達(dá)。且設(shè)計效果的評價需要在施工過程中或施工完成后才能體現(xiàn)，一旦出現(xiàn)與設(shè)計不符之處，后果難以彌補(bǔ)，因此，對施工單位要求較高。市政橋梁的施工一般在成型的市政道路上進(jìn)行，施工期間對現(xiàn)狀交通影響大，交通保通困難;而且施工保通方案是隨著施工的進(jìn)程而不斷改變的過程，僅通過設(shè)計圖紙及文字說明較難表達(dá)（如圖1所示）。

2.3 設(shè)計時程較長的問題

傳統(tǒng)的設(shè)計流程一般如圖2所示，需經(jīng)過三校三審過程。

一般三校三審在設(shè)計初步完成之后通過圖紙之間的流轉(zhuǎn)進(jìn)行，耗時較長。

2.4 裝配式市政橋梁的設(shè)計特殊性問題

裝配式市政橋梁通過全預(yù)制拼裝的主梁、墩柱等實(shí)現(xiàn)工廠化預(yù)制施工，不僅在質(zhì)量控制、縮短工期等方面優(yōu)勢明顯，而且現(xiàn)場施工勞動用工大大減少，僅為傳統(tǒng)現(xiàn)澆工藝的10%。同時，改善了施工現(xiàn)場噪音、揚(yáng)塵等污染;且現(xiàn)場施工無需封閉交通，大幅降低了對現(xiàn)有交通、居民的影響。但針對于裝配式市政橋梁預(yù)制構(gòu)件的特性，在設(shè)計過程中存在標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化的問題，特別是構(gòu)件連接處的處理，對設(shè)計管理提出了更高的要求。

3 BIM技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計管理的優(yōu)勢

在傳統(tǒng)項(xiàng)目實(shí)施過程中，工程設(shè)計各項(xiàng)信息的獲取最為有效的途徑是通過工程設(shè)計圖紙。盡管設(shè)計圖紙中的信息內(nèi)容十分齊全，但信息相對比較分散，導(dǎo)致施工人員需要進(jìn)行重組，不僅工作量繁重，還容易造成“信息孤島”。而BIM包含了豐富的信息資源，能夠連接建設(shè)工程項(xiàng)目生命周期不同階段的數(shù)據(jù)、信息、資源和過程，是對工程項(xiàng)目的完整描述，能夠被項(xiàng)目參建各方廣泛使用，提高決策的高效性及正確性。因此BIM能將建設(shè)項(xiàng)目全壽命周期內(nèi)各個階段所有信息進(jìn)行電子化集成應(yīng)用與管理，能夠有效避免“信息孤島”和“信息斷層”現(xiàn)象[4]。

4 基于BIM技術(shù)的設(shè)計管理優(yōu)化流程設(shè)計

為了解決裝配式市政橋梁設(shè)計管理中存在的問題，本文以南寧市快環(huán)綜合整治項(xiàng)目（北湖立交）改造工程為工程實(shí)例，利用BIM技術(shù)建立模型平臺，并在模型平臺上進(jìn)行設(shè)計管理優(yōu)化，嘗試解決裝配式市政橋梁在方案設(shè)計階段的設(shè)計管理中存在的一些問題。

4.1 工程概況及設(shè)計難點(diǎn)

南寧市快環(huán)綜合整治項(xiàng)目（北湖立交）改造工程位于南寧市安吉片區(qū)，為北湖北路與秀廂大道相交形成的服務(wù)型立交（如圖3所示）。本立交在現(xiàn)狀分離式立交的基礎(chǔ)上，增設(shè)北湖北路上跨秀廂大道高架橋及3座匝道橋：B、C及D匝道;同時結(jié)合秀廂大道現(xiàn)狀情況，在秀廂大道東西側(cè)合適路堤位置設(shè)置下穿通道實(shí)現(xiàn)掉頭功能。

本工程設(shè)計難點(diǎn)：

（1）本工程設(shè)計涉及道路、交通、橋梁、給排水、電氣、綠化等眾多專業(yè)，各專業(yè)間協(xié)同工作量巨大;（2）本工程為改造工程，現(xiàn)狀地下管線錯綜復(fù)雜，立交區(qū)域內(nèi)人行道和非機(jī)動車道下布設(shè)有大量通訊線路、天然氣管線、給水管、雨污水管等;（3）本工程位于交通量密集區(qū)域，施工期間保通方案實(shí)施困難;（4）本項(xiàng)目投資較大，工程難度系數(shù)高，工程量大，計算復(fù)雜;（5）本工程工期緊張，設(shè)計周期短;（6）本工程橋梁面積20 864 m2，均采用裝配式橋梁，橋梁上部結(jié)構(gòu)異形構(gòu)件多，設(shè)計難度大。

4.2 BIM模型建立及平臺搭建

結(jié)合工程實(shí)例的BIM模型建立應(yīng)用了Bentley平臺的7款設(shè)計軟件及1套管理系統(tǒng)，完成路線、道路、給排水、橋梁設(shè)計及項(xiàng)目管理應(yīng)用：（1）工程內(nèi)容管理及協(xié)同設(shè)計平臺采用Project Wise軟件;（2）二維繪圖及三維信息建模平臺、簡支梁建模、模型組裝、動畫制作采用Micro Station軟件;（3）道路工程模型建立采用Power Civil軟件;（4）排水工程雨污水管線模型建立采用Power Civil SUE軟件;（5）裝配式橋梁上部構(gòu)造結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計與出圖采用Pro Structure軟件;（6）裝配式橋梁下部結(jié)構(gòu)參數(shù)化及批量布置、上部結(jié)構(gòu)拼裝采用Civil Station Desinger軟件;（7）場景布置、整體漫游、模型檢查采用Lumen RT軟件;（8）BIM項(xiàng)目管理系統(tǒng)建立采用Civil Station Construction管理系統(tǒng)。如圖4所示。

4.3 BIM實(shí)施流程設(shè)計

根據(jù)裝配式市政橋梁設(shè)計管理中存在的主要問題，基于本工程提出BIM技術(shù)的實(shí)施流程，有針對性地選擇BIM的部分功能，對裝配式市政橋梁設(shè)計管理進(jìn)行優(yōu)化：

（1）成立BIM項(xiàng)目組，利用設(shè)計方提供的方案設(shè)計圖紙等資料，協(xié)同各專業(yè)開展建模工作;（2）由BIM項(xiàng)目組內(nèi)不同專業(yè)負(fù)責(zé)人進(jìn)行相關(guān)設(shè)計成果的碰撞分析，優(yōu)化碰撞問題并將成果交給BIM項(xiàng)目組總負(fù)責(zé)人，進(jìn)行模型整合、碰撞分析和模型修改;（3）結(jié)合上個階段的設(shè)計成果進(jìn)行施工階段保通方案模擬;（4）進(jìn)一步細(xì)化模型，增加信息屬性，利用模型平臺開展設(shè)計-校審?fù)竭M(jìn)行的嘗試，最終形成竣工模型。

5 BIM技術(shù)的具體實(shí)施及效果

5.1 基于BIM技術(shù)的設(shè)計階段溝通協(xié)調(diào)優(yōu)化

裝配式市政橋梁設(shè)計是一項(xiàng)復(fù)雜性、專業(yè)性和系統(tǒng)性的特殊生產(chǎn)過程，需要各個設(shè)計工種進(jìn)行相互協(xié)調(diào)和配合，在設(shè)計方內(nèi)部之間、設(shè)計方與業(yè)主方之間以及設(shè)計方與施工單位之間進(jìn)行良好的協(xié)調(diào)，運(yùn)用BIM技術(shù)打破二維CAD施工圖紙的專業(yè)壁壘，提高溝通協(xié)調(diào)效果：

（1）通過BIM 3D建模，實(shí)現(xiàn)工程全景可視化，實(shí)現(xiàn)“可見即可得”，加強(qiáng)了設(shè)計理念的傳達(dá)，對業(yè)主方的專業(yè)技術(shù)要求降低，解決了設(shè)計方與業(yè)主方溝通協(xié)調(diào)工作困難的問題。Bentley的施工模擬與管理模塊可實(shí)現(xiàn)施工圖審核、施工設(shè)備建模、施工組織設(shè)計以及一系列技術(shù)、進(jìn)度、成本、投資、質(zhì)量、安全管理流程，可使業(yè)主單位、設(shè)計單位、施工單位、監(jiān)理單位基于管理平臺充分溝通（如圖5所示）。

（2）運(yùn)用BIM碰撞檢測，可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的碰撞問題，尤其是在裝配式市政橋梁的設(shè)計過程中，可以發(fā)現(xiàn)橋梁樁基礎(chǔ)與現(xiàn)狀管線之間的碰撞情況，指導(dǎo)設(shè)計人員優(yōu)化設(shè)計。如圖6所示為雨污水管道碰撞檢測，通過碰撞檢測發(fā)現(xiàn)：（1）雨水管與污水管間碰撞7處;（2）管線與樁基間碰撞24處。

（3）4D施工模擬就是在建設(shè)工程結(jié)構(gòu)物的三維模型上附加時間因素，并將該結(jié)構(gòu)物的三維模型隨時間變化的形成過程以動態(tài)形式表現(xiàn)出來[5]，這一特性運(yùn)用在施工階段保通方案的確定上效果顯著。如圖7所示。

5.2 基于BIM技術(shù)的設(shè)計階段質(zhì)量控制

設(shè)計質(zhì)量控制是設(shè)計管理中的核心工作，影響到建設(shè)項(xiàng)目施工的可實(shí)施性及實(shí)用性。在裝配式市政橋梁的設(shè)計質(zhì)量控制中，主要表現(xiàn)為設(shè)計成果是否符合規(guī)范要求、是否滿足業(yè)主方使用功能要求、是否符合市政部門要求、是否達(dá)到規(guī)定的設(shè)計深度以及具備施工和安裝的可建造性等方面。裝配式市政橋梁的設(shè)計質(zhì)量控制的難點(diǎn)在于如何把握各預(yù)制構(gòu)件連接處的處理（見圖8），而通過BIM 3D建模以及4D施工模擬，可以有效解決質(zhì)量控制問題。

5.3 基于BIM技術(shù)的設(shè)計階段進(jìn)度控制

針對傳統(tǒng)設(shè)計階段的進(jìn)度控制，本文基于BIM建立模型平臺，進(jìn)行了設(shè)計-校審?fù)竭M(jìn)行的嘗試，具體流程設(shè)計如圖9所示。

BIM平臺可以實(shí)現(xiàn)信息共享，利用BIM技術(shù)的實(shí)體模擬以及可視化的功能，實(shí)現(xiàn)設(shè)計時程管理的全信息化控制，設(shè)計、復(fù)核、審核可以在同一個平臺上進(jìn)行。這一方面可以實(shí)現(xiàn)部分設(shè)計成果完成后及時進(jìn)行“三校三審核”;另一方面節(jié)省了二維圖紙流轉(zhuǎn)的時間，縮短設(shè)計時間，進(jìn)而加快項(xiàng)目設(shè)計進(jìn)度。通過bentley的工程協(xié)同平臺，將規(guī)劃文件、設(shè)計資料、各專業(yè)二維設(shè)計圖紙、模型文件統(tǒng)一管理，并通過權(quán)限設(shè)置，可將多專業(yè)協(xié)同設(shè)計效率提高1倍以上。如通過Bentley的參數(shù)化工具生成上部現(xiàn)澆箱梁標(biāo)準(zhǔn)段截面，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)澆箱梁批量建模，使建模效率提高5倍以上，并可實(shí)現(xiàn)橋梁配筋設(shè)計與一鍵出圖（如圖10所示）。

5.4 基于BIM技術(shù)的設(shè)計階段投資控制

項(xiàng)目投資控制是工程建設(shè)項(xiàng)目管理的核心指標(biāo)之一，在設(shè)計管理中主要依靠工程造價管理實(shí)現(xiàn)，而工程造價管理又主要依托工程數(shù)量統(tǒng)計以及成本預(yù)算。在目前普遍使用Auto CAD作為主要繪圖手段的基礎(chǔ)上，工程量統(tǒng)計一方面消耗預(yù)算人員大量時間（據(jù)統(tǒng)計約占預(yù)算人員50%～80%的時間及精力）;另一方面，由于裝配式市政橋梁的設(shè)計涉及專業(yè)眾多，在統(tǒng)計過程中容易出現(xiàn)疏漏，造成預(yù)算不準(zhǔn)確。

BIM的5D工程管理技術(shù)是在4D的基礎(chǔ)上附加了成本因素，一方面在模型建立完成后工程數(shù)量可以自動統(tǒng)計;另一方面BIM為參與項(xiàng)目的所有設(shè)計人員提供了公共信息數(shù)據(jù)庫，便于檢查，提高了投資控制的準(zhǔn)確性。如圖11所示。

6 結(jié)語

在裝配式市政橋梁設(shè)計管理中運(yùn)用BIM技術(shù)的信息化流程，可以改善項(xiàng)目設(shè)計進(jìn)度緩慢的現(xiàn)狀;同時在改善設(shè)計階段溝通協(xié)調(diào)、提高設(shè)計質(zhì)量以及設(shè)計階段投資控制方面也有很好的效果。為了能夠更好地提高設(shè)計管理效率，可以利用BIM技術(shù)處理設(shè)計理論和實(shí)際應(yīng)用中的各種問題，建立起5D（3D實(shí)體模型、時間因素、成本因素）關(guān)系數(shù)據(jù)庫，從而能夠建立起跟相關(guān)數(shù)據(jù)相結(jié)合的時間和空間關(guān)系，對于每一個工作的工序和處理維度的關(guān)系也能很好地應(yīng)用，BIM項(xiàng)目模擬的實(shí)際過程因此達(dá)到了極為精確地效果;同時在信息共享平臺上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，為實(shí)現(xiàn)設(shè)計-校審?fù)竭M(jìn)行提供了可行性，進(jìn)而改變傳統(tǒng)的設(shè)計管理模式?，F(xiàn)代化的土木工程設(shè)計領(lǐng)域正在經(jīng)歷著一場深刻的技術(shù)變革，基于BIM數(shù)字模型技術(shù)的科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，涉及到了電子科技和聲像、媒體的發(fā)展，信息化技術(shù)正在改善著人們的生活，各國的土木工程設(shè)計和施工企業(yè)正在通過BIM模擬技術(shù)，悄然改變整個土木工程行業(yè)的設(shè)計習(xí)慣和建設(shè)流程，潛移默化地改變著人們的日常生活，為土木工程施工行業(yè)的快速發(fā)展作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)而不斷努力。

總之，應(yīng)用BIM技術(shù)在裝配式市政橋梁設(shè)計管理中，優(yōu)化設(shè)計階段溝通協(xié)調(diào)、設(shè)計階段質(zhì)量控制以及設(shè)計階段投資控制，其優(yōu)化效果往往是非常顯著、顯而易見的。但是，鑒于裝配式市政橋梁尚處在推廣階段，同時BIM技術(shù)在裝配式市政橋梁中的應(yīng)用實(shí)例較少，而本文主要針對本工程設(shè)計管理展開探索性應(yīng)用，尚未進(jìn)行如動態(tài)安全檢測、運(yùn)營階段模擬、5D資源管理等深層次的研究。如果進(jìn)行全周期、全方位的BIM應(yīng)用研究，還需對更為復(fù)雜的裝配式建筑工程進(jìn)一步應(yīng)用，才可以體現(xiàn)其更大的價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧雪原.CAD、BIM與協(xié)同研究[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2013，5（5）：20-25.

[2]賴華輝，鄧雪原，劉西拉.基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的BIM數(shù)據(jù)共享與交換[J].土木工程學(xué)報，2018（4）：121-128.

[3]王智佳，苑東亮，薛苗苗.淺析我國在施工階段BIM應(yīng)用中的存在問題及對策[J].價值工程，2014（32）：150-152.

[4]伍 軍.基于4D模型的橋梁施工進(jìn)度動態(tài)仿真[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2010，7（1）：64-68.

[5]胡振中，路新灜，張建平.基于建筑信息模型的橋梁工程全壽命期管理應(yīng)用框架[J].公路交通科技，2010（S1）：20-24.