BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計中的應(yīng)用

顧越明 上海振華重工（集團）股份有限公司鋼結(jié)構(gòu)事業(yè)部設(shè)計部二室項目總工、中級工程師

在鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計過程中融入BIM 技術(shù)，借助三維建模技術(shù)，分析、管理模塊，有助于提高鋼結(jié)構(gòu)橋梁建造的質(zhì)量與設(shè)計效率。與此同時，BIM 技術(shù)的應(yīng)用能最大限度地減少設(shè)計中存在的問題，推動鋼結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展與進步。

一、鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計中應(yīng)用BIM 技術(shù)的重要性

現(xiàn)階段，我國BIM 技術(shù)快速發(fā)展，而且在鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用，對促進我國建設(shè)行業(yè)的發(fā)展起到了一定的推動作用。具體來看，鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計中應(yīng)用BIM 技術(shù)具有多種優(yōu)勢：第一，BIM 技術(shù)使用的基礎(chǔ)是三維建模技術(shù)，打破了傳統(tǒng)二維設(shè)計所具有的局限性，有效減輕了工作人員的任務(wù)量，提高了工作效率；第二，在設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)橋梁的過程中，在設(shè)計梁、板等零部件的基礎(chǔ)上，還應(yīng)對零部件組合后的整體性能進行全面考慮；第三，BIM 技術(shù)應(yīng)用到鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計中，便于后續(xù)橋梁數(shù)據(jù)管理工作的開展，最終實現(xiàn)橋梁全過程、全壽命的設(shè)計目標。在鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計中應(yīng)用BIM 技術(shù)，不僅能促使設(shè)計工作效率得到有效提升，而且能最大限度地減少設(shè)計誤差、錯誤情況的出現(xiàn)，保障橋梁整體質(zhì)量，為推動我國建設(shè)行業(yè)穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。

二、鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計存在的問題

1、鋼結(jié)構(gòu)橋梁工藝設(shè)計難度相對較大

鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計工藝較為復(fù)雜，而且具有較大的設(shè)計難度。鋼結(jié)構(gòu)橋梁涉及多個構(gòu)件，各個構(gòu)件復(fù)雜地連接在橋梁空間內(nèi)，以各種曲線、曲面的形式存在。所以，設(shè)計師在設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)橋梁的過程中，需要對其中結(jié)構(gòu)復(fù)雜位置進行全面考慮，對其進行放樣處理，從而便于確定鋼結(jié)構(gòu)的位置，避免各個構(gòu)件之間出現(xiàn)碰撞情況。而從當前的具體設(shè)計情況來看，通常采用CAD 軟件對橋梁進行平面放樣處理，不僅不直觀，而且放樣工程量相對較大。從實際效果來看，工作效率相對較低。與此同時，設(shè)計人員要對其中存在的大量信息進行嚴格核對，要求充分運用CAD 技術(shù)，但是此種技術(shù)的應(yīng)用也會增加設(shè)計員的工作量，在一定程度上降低了設(shè)計工作效率[1]。另外，由于橋梁設(shè)計構(gòu)件繁多，如果僅僅依靠CAD 軟件進行設(shè)計，無法真實體現(xiàn)構(gòu)造的空間布置，那么就會很大程度上增加設(shè)計人員的出錯概率，降低設(shè)計質(zhì)量。

2、信息傳遞效率有待提升

在鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計過程中，由于鋼結(jié)構(gòu)橋梁較為復(fù)雜，所以在設(shè)計階段就需要多個設(shè)計人員進行配合合作。但是，大部分鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計采用的是傳統(tǒng)設(shè)計模式，從而導(dǎo)致信息傳遞出現(xiàn)不及時、不完整的情況。而且，從當前鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計的實際情況來看，大部分設(shè)計人員都較為依賴二維設(shè)計軟件或者文本信息的使用，從而在設(shè)計交底的過程中需要花費較多的時間來提高施工人員對設(shè)計圖紙的認識[2]。與此同時，在橋梁設(shè)計階段，如果出現(xiàn)了設(shè)計誤差，那么設(shè)計人員需要結(jié)合實際設(shè)計圖紙對構(gòu)件進行調(diào)整變更，而且需要對后續(xù)構(gòu)件的組成進行相應(yīng)分析，在一定程度上加重了設(shè)計人員的工作量，增加了設(shè)計人員的工作難度，降低了其工作效率。

3、管理效果相對較低

在鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計階段，受到周邊環(huán)境因素及管理者因素的影響，會對鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計管理效率產(chǎn)生不利影響，在一定程度上降低管理效率。而此種問題的出現(xiàn)主要是由于部分設(shè)計條件發(fā)生了變化，使得施工人員需要對施工圖紙進行相應(yīng)的變更調(diào)整，但是由于部分設(shè)計人員并沒有對這部分信息進行充分的掌握，所以導(dǎo)致工作進程被延誤，并且不能對工作進程進行科學有效的協(xié)調(diào)[3]。與此同時，在具體施工建設(shè)過程中，大部分工程都會采用大量運輸橋梁構(gòu)件的模式，然后在施工現(xiàn)場對橋梁構(gòu)件進行集中管理，而此種模式可能會一定程度上降低管理效率，并不利于后續(xù)鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)工作的開展。

三、BIM 技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計中的應(yīng)用

1、三維建模

在具體應(yīng)用BIM 技術(shù)的過程中，相關(guān)設(shè)計人員需要結(jié)合實際的鋼結(jié)構(gòu)橋梁情況，對其中關(guān)鍵部位進行提取，然后形成相應(yīng)的構(gòu)件對象。在傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計過程中，雖然會用到大樣圖、細部圖等內(nèi)容，但是其本身拓展性相對較弱，所以需要結(jié)合BIM 技術(shù)構(gòu)建相應(yīng)的參數(shù)化模型，為后續(xù)施工提供有利條件，不僅可以對于施工方案進行及時的調(diào)整優(yōu)化，而且可以保障鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計質(zhì)量與提高效率。例如，應(yīng)用Solidworks 軟件，可以將橋梁數(shù)據(jù)信息輸入進去，然后通過軟件建立三維模型，并且能為后續(xù)調(diào)整修改奠定基礎(chǔ)。另外，可以使用CATIA 軟件，由于其本身帶有鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊，所以可以在鋼板上進行開孔等作業(yè)。由此可以得出，在設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)橋梁的過程中，可以充分借助三維建模軟件，從而為建設(shè)鋼結(jié)構(gòu)橋梁奠定基礎(chǔ)。

2、對模型進行計算與分析

在設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)橋梁的過程中，需要計算整體的模型。與此同時，需要對部分模型的節(jié)點進行分析。在此過程中充分應(yīng)用BIM 技術(shù)，有效簡化橋梁設(shè)計過程，可在一定程度上縮減建模時間，提高建模效率。在普通鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計過程中，由于橋梁構(gòu)件較為復(fù)雜，缺乏相應(yīng)的規(guī)定標準，所以在具體使用的過程中易出現(xiàn)交互性差的情況，從而在一定程度上增加計算模型需要重新計算的概率，最終對設(shè)計效率產(chǎn)生不利影響。而在實際應(yīng)用BIM 技術(shù)的過程中，可以充分利用三維軟件，然后將橋梁結(jié)構(gòu)放置在同一個模型框架下，進行多專業(yè)協(xié)同設(shè)計，充分利用模型優(yōu)勢對橋梁數(shù)據(jù)進行計算[4]。例如，在此過程中，使用Revit Structure 軟件，由于其具有一定的計算模塊，所以在對模型進行計算和分析的過程中，可以有效促使設(shè)計質(zhì)量與效率的提高。

3、對圖紙的輸出

在傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計過程中，設(shè)計人員主要是運用二維CAD 軟件輸出設(shè)計圖紙。這種出圖模式，特別在多人協(xié)作的時候，設(shè)計人員在精心繪制設(shè)計圖紙的同時往往無法全面兼顧關(guān)聯(lián)性。設(shè)計人員一旦出現(xiàn)錯誤，特別是對于邊設(shè)計邊施工的項目，將會對施工質(zhì)量與進度產(chǎn)生嚴重影響。而在此過程中應(yīng)用BIM技術(shù)，則可以將模型幾何特征充分反映出來。如果條件允許，那么就可以將三維模型直接輸出作為施工圖的輔助，為后續(xù)橋梁建設(shè)提供有利條件，然后將其與鋼結(jié)構(gòu)加工廠進行直接對接，保障施工質(zhì)量得到有效提升，進一步降低產(chǎn)生施工誤差的概率。

4、虛擬拼接

在設(shè)計階段，通過應(yīng)用BIM 技術(shù)，能幫助橋梁實現(xiàn)預(yù)拼接的目標。而實現(xiàn)此目標的關(guān)鍵分為2 個方面。第一，通過利用BIM 技術(shù)，可以模擬設(shè)計過程中快速完成的模型。第二，結(jié)合現(xiàn)場實際施工情況，實時采集施工現(xiàn)場的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)及外部條件參數(shù)，即時對設(shè)計模型進行調(diào)整優(yōu)化，使得三維模型能與實際相符，用于指導(dǎo)實際拼裝[5]。而隨著數(shù)字技術(shù)與軟件技術(shù)的快速發(fā)展，此技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計中的應(yīng)用將越來越廣泛。

5、設(shè)計后期階段

通常，隨著工程竣工，設(shè)計工作隨之完成。但是，為了保障鋼結(jié)構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)更加安全可靠，進一步延長鋼結(jié)構(gòu)橋梁的使用年限，則需要設(shè)計人員實時參與橋梁項目的運營。而在此過程中通過BIM 軟件的應(yīng)用，不僅能為橋梁設(shè)計提供合理的三維模型，還能為橋梁設(shè)計提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)平臺。在橋梁的設(shè)計與施工階段，模型管理人員需要提高重視，考慮可追溯性，對于模型當中的各個零部件賦予相應(yīng)的信息，如構(gòu)件出廠信息、構(gòu)件涂裝顏色等信息。而在橋梁運營過程中，模型管理人員需要其中存在的疲勞損傷、銹蝕等情況提前錄入模型中，對其進行統(tǒng)一管理，從而提前發(fā)出預(yù)警，保障橋梁運營管理效率與質(zhì)量得到有效提高。

6、橋梁可視化技術(shù)交底

在橋梁設(shè)計過程中，技術(shù)交底環(huán)節(jié)占據(jù)重要地位，屬于設(shè)計人員同施工單位溝通交流的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，利于設(shè)計人員表達出橋梁設(shè)計的主要意圖，闡明橋梁設(shè)計的注意事項。但是，在此過程中，傳統(tǒng)方法并不能將設(shè)計意圖與注意事項講述清除，經(jīng)常會出現(xiàn)理解不到位或者表述不清的情況，從而在一定程度上降低了橋梁施工質(zhì)量，耽誤了橋梁的施工周期。

而通過應(yīng)用BIM 技術(shù)，可以對施工過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行模擬，從而了解其中的設(shè)計意圖與注意事項，應(yīng)用三維模式將施工重點環(huán)節(jié)進行標注，有效提高溝通效率，保障施工質(zhì)量得到提高。與此同時，在技術(shù)交底環(huán)節(jié)，可以將施工工法與施工工藝進行成套制作，將其作為施工過程的主要依據(jù)，充分保障橋梁工程的施工質(zhì)量，推動建設(shè)行業(yè)發(fā)展與進步。

四、結(jié)語

在鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計中應(yīng)用BIM 技術(shù)，可以使得鋼結(jié)構(gòu)加工模型變得更加可視化，通過建立相應(yīng)的三維BIM 模型，并且同時將工程信息存儲到BIM 模型中，有效解決CAD 圖紙中存在的表述不清、無法及時反饋施工現(xiàn)場信息等問題。與此同時，在手機等設(shè)備當中安裝相應(yīng)軟件，不僅僅能隨時隨地查看橋梁工程的3D 模型，還可以實時上傳相應(yīng)的施工信息，便于后續(xù)查看工程項目信息，保障項目信息共享能力得到有效提高。另外，還可以對三維模型數(shù)據(jù)信息進行可視化管理，為后續(xù)鋼結(jié)構(gòu)下料加工及安裝過程提供管控指導(dǎo)，為后續(xù)生成設(shè)計圖紙與設(shè)計審查報告奠定基礎(chǔ)，有效控制生產(chǎn)成本、質(zhì)量及進度等。