BIM 技術(shù)在道路橋梁工程中的應(yīng)用

袁凱陽(yáng)，尹錦明，盤(pán)奕彤，曾宇豪，梁玉敏，項(xiàng)侃

南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院城市建設(shè)與設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇 泰州 225300

BIM 的理念最初起源于1975 年喬治亞理工大學(xué)的Chuck Eastman 教授，他在自己的一個(gè)課題中提出了“A computer-based description of building”。經(jīng)過(guò)多年的研究發(fā)展，在20 世紀(jì)80 年代，芬蘭的一位學(xué)者提出了Product Internation Model 系 統(tǒng)；2002 年，Autodesk 公司推出BIM 軟件。隨后Bentley 和Graphisoft 兩大軟件公司，也推出了自己的BIM 軟件，BIM 技術(shù)開(kāi)始成為一種可視化工程建模和提高工程建設(shè)效率的工具[1]。近年來(lái)，BIM技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，實(shí)踐表明，應(yīng)用BIM 技術(shù)可以降低工程成本、提高工作效率、縮短工程時(shí)間。相較于房屋建筑工程，BIM 技術(shù)在道路橋梁工程中的應(yīng)用還不充分，文章主要闡述BIM 技術(shù)在道路橋梁工程中的應(yīng)用情況，為BIM 技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展提供參考[2]。

1 BIM 技術(shù)在道路工程中的應(yīng)用

BIM 技術(shù)因具有在三維表達(dá)、信息集成與傳遞方面的優(yōu)勢(shì)，故在道路工程的前期規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)維階段都有相關(guān)的工程應(yīng)用。

1.1 前期規(guī)劃階段

（1）GIS+BIM 模式。如今，GIS+BIM 模式是道路工程的設(shè)計(jì)規(guī)劃階段的一個(gè)重要方向。GIS 主要用于空間地理信息分析，而B(niǎo)IM 主要用于建模，兩相的結(jié)合將環(huán)境與項(xiàng)目緊密聯(lián)系，使設(shè)計(jì)階段可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行正確合理的設(shè)計(jì)。例如，重慶港城工業(yè)園區(qū)B 區(qū)路網(wǎng)工程運(yùn)用了GIS+BIM 模式，使路網(wǎng)與周邊環(huán)境完美融合，不僅提升了工程的科學(xué)性和合理性，而且降低了成本[3]。但是，目前GIS+BIM 模式仍然處于初期階段，GIS 和BIM 還不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息共享，一般先在BIM 中建模再到GIS 中查看，或者先由GIS 采集信息再導(dǎo)入BIM 軟件中進(jìn)行設(shè)計(jì)建模。無(wú)論是哪一種方式，其信息的傳輸效率都不高，還可能會(huì)出現(xiàn)信息缺失或軟件不兼容等情況。

（2）BIM 與無(wú)人機(jī)航測(cè)的結(jié)合。無(wú)人機(jī)測(cè)繪已經(jīng)逐漸應(yīng)用在實(shí)際的道路勘察過(guò)程中，其影像資料將在軟件中形成三維圖像，然后作為BIM 道路模型創(chuàng)建的重要依據(jù)[4]?，F(xiàn)在，無(wú)人機(jī)可以輕松捕獲數(shù)據(jù)，通過(guò)各種軟件平臺(tái)很容易實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)建模、管理和共享，使其成為GIS 分析師、測(cè)繪師以及飛行員等用戶的資源。無(wú)人機(jī)測(cè)繪可利用AI 規(guī)劃飛行路線，其具有強(qiáng)大的智能化數(shù)據(jù)處理和分析能力。在此基礎(chǔ)上，再由人工加以補(bǔ)充，便可初步確定選線設(shè)計(jì)。其所有的數(shù)字信息都可以為接下來(lái)的工作提供依據(jù)，從而在BIM 的全壽命周期管理系統(tǒng)中發(fā)揮作用。

1.2 設(shè)計(jì)階段

（1）軟件工具。目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)BIM 技術(shù)較強(qiáng)的軟件公司，Autodesk 公司和Bentley 公司的軟件被大多數(shù)設(shè)計(jì)和施工單位選用，還有的單位選用了國(guó)內(nèi)的緯地和鴻業(yè)軟件。同時(shí)，國(guó)內(nèi)公司在軟件二次開(kāi)發(fā)方面做了不少工作，取得了一定效果[5]。

（2）道路專項(xiàng)設(shè)計(jì)。在三維地形建立后，就可以進(jìn)行道路的平縱橫設(shè)計(jì)。在三維環(huán)境中分析道路，可以檢查道路是否與實(shí)際地形相匹配，判別與控制物之間的沖突以及影響程度，也可以通過(guò)漫游等形式從汽車(chē)駕駛員或者空中視角來(lái)判斷行車(chē)的舒適性和道路的安全性等問(wèn)題。三維環(huán)境更加有利于設(shè)計(jì)人員進(jìn)行縱斷面設(shè)計(jì)，在軟件中可以直觀地展現(xiàn)道路填挖的程度以及平縱組合的分析情況。橫斷面可采用裝配式的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)不同模組的相互組合，準(zhǔn)確表現(xiàn)道路實(shí)施過(guò)程和實(shí)施后的情況。由于道路設(shè)計(jì)中的地形和平縱橫斷面都是在同一個(gè)數(shù)據(jù)空間中進(jìn)行的，因此可以調(diào)整不同子項(xiàng)的數(shù)據(jù)模型[6]。

（3）道路附屬設(shè)施設(shè)計(jì)。一個(gè)完整的城市道路設(shè)計(jì)不僅包括道路自身，還包括橋梁、地下管線、交通設(shè)施、路燈、綠化等內(nèi)容。這些附屬類設(shè)施可以在BIM 中創(chuàng)建模型與道路主體關(guān)聯(lián)而得到一個(gè)綜合的數(shù)字化模型。這不僅提高了項(xiàng)目文件的整體性，將離散的各子項(xiàng)整合到一個(gè)文件中，也便于設(shè)計(jì)人員進(jìn)行全面的把握與設(shè)計(jì)，防止在子項(xiàng)調(diào)整修改時(shí)出現(xiàn)遺漏。

1.3 施工階段

（1）對(duì)接設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。在多方會(huì)審和圖紙交底時(shí)，設(shè)計(jì)單位可應(yīng)用BIM 技術(shù)提供可視化施工設(shè)計(jì)圖，而施工單位可以采用BIM 技術(shù)制訂施工方案[7]。BIM 技術(shù)能夠讓施工單位通過(guò)三維可視化技術(shù)結(jié)合施工特點(diǎn)將實(shí)際施工方法、流程等通過(guò)BIM 技術(shù)預(yù)先模擬，從而提高施工的質(zhì)量，確保施工的精準(zhǔn)度。不過(guò)目前路橋方面BIM 技術(shù)還處于初期階段，沒(méi)有房屋建筑方面成熟，設(shè)計(jì)階段的模型在施工階段還不能直接使用，需要施工單位重新建立施工模型。同時(shí)，道路模型不同于建筑模型，暫時(shí)沒(méi)有一款軟件能完美勝任其要求。

（2）安全、質(zhì)量、進(jìn)度、成本管控。目前，“BIM+VR”技術(shù)被用來(lái)進(jìn)行施工安全分析和排查安全隱患，以此保障施工安全，但是“BIM+VR”軟件仍不成熟，在實(shí)際環(huán)境中不易執(zhí)行或執(zhí)行過(guò)程出現(xiàn)沖突。質(zhì)量、進(jìn)度、成本的管控都依賴于多軟件融合和協(xié)同平臺(tái)建立[8-9]。然而各軟件并非同一公司研發(fā)，且不同軟件其程序各有不同，協(xié)同使用時(shí)常出現(xiàn)不兼容的問(wèn)題。各專業(yè)人員協(xié)同共進(jìn)是為達(dá)到協(xié)同平臺(tái)建立的目的，但軟件的不兼容以及各專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的不同，勢(shì)必會(huì)對(duì)項(xiàng)目的實(shí)施造成影響。

（3）運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段。BIM 技術(shù)與運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理系統(tǒng)相結(jié)合是運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的一種應(yīng)用，在運(yùn)營(yíng)維護(hù)時(shí)使用BIM技術(shù)可以科學(xué)且有效地協(xié)調(diào)設(shè)備與空間之間的關(guān)系，并對(duì)可能出現(xiàn)的情況進(jìn)行防范[10]。但是道路BIM 技術(shù)在這方面的發(fā)展較為落后，雖然有類似于南寧市BIM 技術(shù)運(yùn)用管理云中心[11]這樣的嘗試，但是BIM 技術(shù)在運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段仍存在諸多問(wèn)題，使運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理的實(shí)施受到限制。

2 BIM 技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用

將BIM 技術(shù)應(yīng)用于橋梁工程，有利于優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；精確量算，降低施工成本；保證高效的協(xié)同作業(yè)；實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程的動(dòng)態(tài)管理，為質(zhì)量問(wèn)題追溯提供支持；通過(guò)三維施工模擬實(shí)現(xiàn)從紙面交底和三維交底的轉(zhuǎn)變[12]。BIM技術(shù)的使用不僅為設(shè)計(jì)提供了更優(yōu)化的解決方案，而且為傳統(tǒng)的管理模式帶來(lái)了轉(zhuǎn)變，從而提高施工效率，節(jié)約成本。

2.1 設(shè)計(jì)階段

（1）信息化模型。在設(shè)計(jì)階段不僅要完成橋梁的方案設(shè)計(jì)，還要使用一些建模軟件對(duì)橋梁的各種參數(shù)進(jìn)行編輯生成三維模型。設(shè)計(jì)過(guò)程結(jié)合GIS 數(shù)據(jù)與BIM 模型，對(duì)周?chē)h(huán)境或地形要素進(jìn)行相關(guān)性分析，提高模型信息的完備性[13]，可以更直觀地了解橋梁，獲得其在二維、三維空間下的外形、尺寸等信息以及橋梁不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件的屬性。在BIM 模型中對(duì)某個(gè)對(duì)象進(jìn)行更改，其他與之有關(guān)的對(duì)象也會(huì)隨之改變，這是模型的關(guān)聯(lián)性。

（2）工程量計(jì)算。以前橋梁工程的工程量計(jì)算一般是通過(guò)二維圖紙加上造價(jià)軟件對(duì)工程量進(jìn)行計(jì)算，這樣的方式與實(shí)際會(huì)產(chǎn)生較大誤差。BIM 軟件能充分了解工程中建筑模型各個(gè)部分不同構(gòu)件的參數(shù)信息，對(duì)不同部分進(jìn)行特定分析得到最終的工程量和工程造價(jià)。通過(guò)使用BIM 軟件對(duì)工程進(jìn)行計(jì)算，將定額和材料的實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)量相結(jié)合，然后以定額為基礎(chǔ)進(jìn)行材料數(shù)量的調(diào)整，從而提高工程量成本控制的水平[14]。

（3）信息管理。橋梁工程的規(guī)模很大，施工復(fù)雜，結(jié)構(gòu)多樣，數(shù)據(jù)多，通過(guò)BIM 技術(shù)展現(xiàn)橋梁設(shè)計(jì)模型中各方面的數(shù)據(jù)信息，能對(duì)橋梁進(jìn)行模擬管理，從而合理調(diào)配施工建設(shè)區(qū)域和施工資源，確定施工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生的費(fèi)用。

2.2 施工階段

BIM 技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行管理，對(duì)整個(gè)施工過(guò)程進(jìn)行控制，可在模擬施工過(guò)程中提前發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目在施工過(guò)程中的潛在問(wèn)題，降低施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)；在真正出現(xiàn)問(wèn)題前選擇良好的解決方案或者避免問(wèn)題的出現(xiàn)，能節(jié)約人力成本減少工期；可以后期優(yōu)化施工順序，合理安排工期，提高施工效率。

橋梁工程施工程序十分復(fù)雜，施工涉及的領(lǐng)域范圍廣，施工難度大，危險(xiǎn)程度高，因此在施工前，技術(shù)人員應(yīng)該根據(jù)累積的經(jīng)驗(yàn)，將BIM 技術(shù)引入橋梁的設(shè)計(jì)階段，匯集設(shè)計(jì)方案中橋梁工程的數(shù)據(jù)信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)方案中不符合要求的點(diǎn)，改善施工設(shè)計(jì)方案，從而保障施工人員安全，優(yōu)化施工過(guò)程[15]。

在施工過(guò)程中，施工的如期竣工和質(zhì)量控制頗為重要，要在工程規(guī)定的時(shí)間內(nèi)保質(zhì)保量地完成施工。BIM 技術(shù)在施工階段的應(yīng)用無(wú)疑為施工技術(shù)人員帶來(lái)一絲希望，其能同時(shí)實(shí)現(xiàn)多階段的操作，統(tǒng)一管理每個(gè)參與方，促進(jìn)參與方溝通，降低工程難度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)三維立體模型中可視性，方便技術(shù)人員及時(shí)改正施工過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，并保證工程能保質(zhì)保量地在規(guī)定工期內(nèi)完成[16]。

2.3 運(yùn)維階段

BIM 技術(shù)的引進(jìn)改變了我國(guó)橋梁項(xiàng)目的施工建設(shè)方式，特別是在橋梁的運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段運(yùn)用BIM 技術(shù)，橋梁運(yùn)營(yíng)管理人員可以通過(guò)實(shí)時(shí)分析橋梁的數(shù)據(jù)信息，制訂更優(yōu)化的運(yùn)營(yíng)方案，在橋梁安全使用的前提下降低成本，還能監(jiān)測(cè)橋梁的耗能情況，評(píng)估橋梁的使用壽命。但是我國(guó)目前在橋梁運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段較少使用BIM 技術(shù)，盡管對(duì)BIM 技術(shù)在橋梁的運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段中出現(xiàn)的各種問(wèn)題進(jìn)行了深入分析與研究，在BIM 技術(shù)使用和規(guī)范管理等方面仍然存在難以攻破的難題。國(guó)內(nèi)BIM 技術(shù)在橋梁工程的應(yīng)用還不成熟，缺乏大量經(jīng)驗(yàn)，因此在運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段，為更好地利用BIM 技術(shù)，應(yīng)加大對(duì)BIM 技術(shù)的研究力度，攻破目前存在的難題，發(fā)揮BIM 技術(shù)在運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的最大價(jià)值與優(yōu)勢(shì)[17]。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，BIM 技術(shù)滿足了道路橋梁工程的實(shí)際需求，推動(dòng)了道路橋梁設(shè)計(jì)水平、施工管理水平、運(yùn)營(yíng)維護(hù)水平，讓工程更加直觀，有效地減少了問(wèn)題的出現(xiàn)。BIM 技術(shù)在道路橋梁設(shè)計(jì)中全面應(yīng)用是必然的趨勢(shì)。我國(guó)正處于由傳統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)方法轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒒椒ǖ倪^(guò)程中，在這過(guò)程中也存在諸多問(wèn)題，但隨著時(shí)間的推移，科研人員不斷努力探索，BIM 技術(shù)必將會(huì)促進(jìn)我國(guó)道路橋梁工程更好發(fā)展。