BIM 技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用調(diào)研

董 雪

（中交公路規(guī)化設(shè)計院有限公司，北京 100000）

建筑信息模型BIM，全稱為：Building Informa tion Modeling，是根據(jù)建筑工程、建設(shè)項目的相應(yīng)信息數(shù)據(jù)在電腦中使用信息化方式建立建筑模型的工具，它可以通過數(shù)字信息模擬實際的環(huán)境，最后通過屏幕以三維動畫的形式展現(xiàn)出來。橋梁專業(yè)與建筑專業(yè)有所區(qū)別，橋梁設(shè)計師兼顧結(jié)構(gòu)與美學(xué)，既是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ處?，又是浪漫的藝術(shù)家。所以在設(shè)計階段有巨大的工作量。設(shè)計時對有限元計算模型的調(diào)整優(yōu)化需要實際展現(xiàn)在圖紙設(shè)計中，這個精雕細(xì)琢的過程需要反復(fù)推敲，經(jīng)常需要花費大量的時間，實際上效率較低。如果能夠在一個協(xié)同設(shè)計的BIM 模型上統(tǒng)一設(shè)計，修改調(diào)整后，均可通過該模型自動出圖，將大大提高設(shè)計效率、降低成本、提高質(zhì)量。

1 設(shè)計階段

1.1 設(shè)計階段劃分及設(shè)計案例

設(shè)計可以分成前期與后期，前期設(shè)計包含項目立項、項目的可行性研究、方案對比等相關(guān)內(nèi)容，當(dāng)下設(shè)計者使用立體模型工具如Vectorworks、Revit、Rhino 等建成動態(tài)三維模型，根據(jù)實際需求對橋型、尺寸、外觀美化等方面進(jìn)行整體調(diào)節(jié)，最后形成仿真模型，可直觀展現(xiàn)出設(shè)計者的意圖、設(shè)計的完整效果。在將3D 模型展現(xiàn)給相關(guān)人員后，相關(guān)人員可以以最直觀、簡便的方式了解設(shè)計方案，并根據(jù)需求對方案進(jìn)行調(diào)整、修改，通過添加各種橋梁設(shè)計信息對各類參數(shù)進(jìn)行對比和控制，這種方式可以幫助橋梁初期設(shè)計方案加速確定，提高整體工程進(jìn)度。

在橋梁工程設(shè)計中應(yīng)用BIM 技術(shù)建模之后，通過模型的計算分析，主要是針對局部模型計算和整體模型計算。在局部模型計算環(huán)節(jié)，可以充分使用前期的建模成果來進(jìn)行，從而可以更好地縮短工作時間。

圖1為海文大橋（原鋪前大橋）模型。模型建立過程如下：

圖1 海文大橋BIM 模型

①導(dǎo)入地形圖，創(chuàng)建三維地形；②創(chuàng)建三維路線圖；③按照各部件在設(shè)計圖紙中的位置，分別創(chuàng)建主橋、兩側(cè)引橋、橋面及附屬設(shè)施的三維模型；④參考上述各模型，建立橋墩模型，將所有模型組合成整體模型。

通過上述操作可知，3D 建模的方式可以更好向業(yè)主方展現(xiàn)橋梁設(shè)計方案，匯報時通過3D 模型對橋梁細(xì)節(jié)展示可以幫助理解項目在實際環(huán)境中的最終模樣，達(dá)到直觀的展示效果。在講解效果圖時可以使用三維動畫進(jìn)行360 度無死角展示，以此展現(xiàn)不同角度的設(shè)計細(xì)節(jié)。

平面設(shè)計模型建成后可以使用3D 渲染方式使得設(shè)計圖樣變得更加真實，使用3D 動漫漫游效果可以使決策人充分理解設(shè)計理念、設(shè)計細(xì)節(jié)。所有的設(shè)計師都可以通過學(xué)習(xí)相關(guān)軟件對模型環(huán)境進(jìn)行渲染，模擬設(shè)計方案在實際環(huán)境中的場景，建立實際的環(huán)境立體關(guān)系。再者，使用3D 動漫漫游效果進(jìn)行匯報時，方案的展示可以更加生動、直觀，整體效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于簡單的平面圖展示。

1.2 參數(shù)化設(shè)計

參數(shù)化設(shè)計分為兩個部分：參數(shù)化單元和參數(shù)化修改引擎。工程設(shè)計中的每個單位都是一個圖元或單元，通過參數(shù)的調(diào)整，可以反映出這些單元的區(qū)別，而這些參數(shù)又包涵了參數(shù)化單元所需的信息。

參數(shù)化修改引擎用來修改不同的參數(shù)，當(dāng)使用這種技術(shù)時，使用者對設(shè)計方案作的所有更正都可以在軟件中查找展示，當(dāng)使用此技術(shù)將每個設(shè)計單元相連接時，可以更加直觀地了解到根據(jù)設(shè)計方案修改而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)變化，從而確認(rèn)整體設(shè)計方案的合理性。相應(yīng)的，通過對某一單元的修改，如改變此單元的大小、移動此單元等改動，會產(chǎn)生整體設(shè)計方案聯(lián)動發(fā)生改變，這種方式可以通過最小的改動保證整體設(shè)計方案的合理性，以簡化但凡單一構(gòu)件改變，每一個相關(guān)構(gòu)件都要修正的情況。

當(dāng)前的參數(shù)化設(shè)計軟件還沒有針對公路橋梁行業(yè)開發(fā)的產(chǎn)品，導(dǎo)致目前使用者只能用建筑或制造業(yè)的通用設(shè)計軟件來進(jìn)行公路等某特定領(lǐng)域的三維建模，但由于這些軟件是針對制造業(yè)和建筑業(yè)而設(shè)計的，在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面使用這些軟件會出現(xiàn)很多問題，如：工程設(shè)計習(xí)慣不同，只能滿足三維建模需求；復(fù)雜的參數(shù)約束導(dǎo)致建模過程麻煩、處理效率很低，以致于無法真正解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)物的設(shè)計。

當(dāng)下的設(shè)計軟件在建設(shè)模型時往往無法基于線路模型，因而不能得到準(zhǔn)確的線路資料，造成設(shè)計精確程度大打折扣；基于路線信息的橋梁計算在需要出圖時，復(fù)雜的計算和詳細(xì)的細(xì)節(jié)很難在當(dāng)下的設(shè)計軟件中展示出來。對當(dāng)下的3D 設(shè)計軟件需進(jìn)行改進(jìn)升級或開發(fā)出針對公路橋梁的建設(shè)方案，以實現(xiàn)公路橋梁的3D 技術(shù)參數(shù)化設(shè)計方案?？梢酝ㄟ^以下幾個點來優(yōu)化當(dāng)前的設(shè)計問題：

參數(shù)化和特征化。參數(shù)化是設(shè)計建模的基本模式，在橋梁設(shè)計中，每個單元的參數(shù)化轉(zhuǎn)化及幾種基本的橋梁形式（即拱橋、梁橋、斜拉橋、懸索橋）的參數(shù)化轉(zhuǎn)化都是十分有必要的。在大橋、特大橋項目中，除了基礎(chǔ)單元要有參數(shù)化模型外，特殊的結(jié)構(gòu)單元也需要實現(xiàn)參數(shù)轉(zhuǎn)化。這些特殊結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行參數(shù)化轉(zhuǎn)化是建造橋梁設(shè)計模型的必要條件。此外，還需要將公路橋梁整體流程進(jìn)行特征化轉(zhuǎn)化，尤其是橋梁中特有的部件，如橋梁拱腳、吊桿、墩柱等。

標(biāo)準(zhǔn)化和批量化。當(dāng)前，在我國常規(guī)橋梁占整個橋梁工程90%以上，這類項目已經(jīng)基本實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，雖然工作量繁重但其實設(shè)計難度比較低，如何提高橋梁設(shè)計品質(zhì)，增強(qiáng)建設(shè)時效是當(dāng)前的一大問題。針對常規(guī)橋梁的設(shè)計，需要將橋梁單元標(biāo)準(zhǔn)化，對每個部件進(jìn)行規(guī)范化轉(zhuǎn)化，在設(shè)計師進(jìn)行橋梁設(shè)計時可以直接對標(biāo)準(zhǔn)化的部件進(jìn)行使用，從而提高了基礎(chǔ)橋梁的設(shè)計效率，也使設(shè)計質(zhì)量歸于統(tǒng)一。

一體化和關(guān)聯(lián)化。當(dāng)設(shè)計師在擁有了標(biāo)準(zhǔn)化的橋梁部件后，怎樣節(jié)省建模所花費的大量時間成了重點突破的問題，簡化橋梁設(shè)計方案的來回變動就可以將設(shè)計部件的參數(shù)與橋梁的結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來。即將內(nèi)部的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)與外觀的模型數(shù)據(jù)連接起來，當(dāng)對某一部件數(shù)據(jù)修改時，橋梁的整體結(jié)構(gòu)、外觀數(shù)據(jù)也會隨之改變。這種方式可以進(jìn)行組合建模，節(jié)省建模時間，直觀進(jìn)行模型比對，又可以減少建模過程中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)錯誤。

當(dāng)下建筑類軟件中也有將二維設(shè)計圖紙與三維設(shè)計進(jìn)行關(guān)聯(lián)，這種技術(shù)用在橋梁設(shè)計中可以大大節(jié)省數(shù)據(jù)對應(yīng)時間，并真實對二維、三維進(jìn)行切換，實現(xiàn)設(shè)計的同時更新。

族庫積累。最初，“族”是Revit 中使用一個強(qiáng)大的概念，BIM 技術(shù)人員已經(jīng)越來越擴(kuò)展和深化這個族的概念?，F(xiàn)在的“族”已經(jīng)不僅僅局限于某個軟件，現(xiàn)在把具有典型意義、可重復(fù)利用性的構(gòu)件統(tǒng)稱為“族”。擁有大量的族文件，技術(shù)人員可以在建模過程中直接應(yīng)用或經(jīng)稍微修改即可使用，大大提升了設(shè)計效率。在項目的實施過程中積累的大量的族庫，是單位不可多得的數(shù)字化財富。構(gòu)件庫中典型構(gòu)件如圖2。

圖2 深中通道BIM 族庫

3 施工階段

通過設(shè)計階段數(shù)據(jù)模型的延用或接口開發(fā)，可將設(shè)計期BIM 應(yīng)用于施工模擬與施工管理，利用現(xiàn)有參數(shù)將設(shè)計與施工相結(jié)合，充分使用BIM 技術(shù)模擬真實施工過程功能，提高工作效率，減少施工誤差。

在橋梁工程模型基礎(chǔ)上結(jié)合時間軸，應(yīng)用為橋梁的4D 技術(shù)。在基礎(chǔ)的橋梁模型中增加了時間因素，可以使橋梁更加動態(tài)地進(jìn)行展現(xiàn)，對橋梁實際運營情況進(jìn)行預(yù)估。當(dāng)下，4D 技術(shù)在業(yè)內(nèi)已經(jīng)被認(rèn)同，可以把模擬施工流程和施工過程的管理兩個要素進(jìn)行結(jié)合，已經(jīng)實際應(yīng)用在建筑、工程等地方，其中有建筑施工過程、建筑建材使用管理、建筑物業(yè)信息管理等等，在橋梁施工方面也可以投入使用。

橋梁施工階段使用的BIM 技術(shù)體現(xiàn)在可視化技術(shù)交底、施工模擬、施工組織模擬、物料管理等方面。

3.1 可視化技術(shù)交底

施工單位可以通過對BIM 模型中的三維模型細(xì)節(jié)和數(shù)據(jù)信息對施工方案進(jìn)行分析討論，與設(shè)計方進(jìn)行技術(shù)交底。這樣可以正確直觀的理解設(shè)計圖紙及設(shè)計數(shù)據(jù)，避免了不必要的誤解。在對設(shè)計模型進(jìn)行分析后也可以就模型的可行性、施工技術(shù)等進(jìn)行深入交流和協(xié)調(diào)修改。通過三維模型對建材需求進(jìn)行估算，減少資源浪費?，F(xiàn)場施工的技術(shù)人員也可以根據(jù)三維設(shè)計圖進(jìn)行指導(dǎo)施工，這種方式可以提高施工效率，減少施工期間的技術(shù)失誤。

3.2 施工模擬和施工組織計劃

通過使用BIM 模型及時更新施工過程和進(jìn)度，對施工組織進(jìn)行合理的規(guī)劃。對項目整體成本進(jìn)行更科學(xué)的預(yù)估測控，在人員安排、資金、項目成本控制等方面做到精確管控，節(jié)約了項目施工花費，提高了項目施工質(zhì)量。

通過利用BIM 技術(shù)的性能效用，可以建立工程安全疏散模型，不僅可以對施工現(xiàn)場進(jìn)行模擬預(yù)演，演示可能出現(xiàn)的安全事故和疏散通道等靜態(tài)事件，同時還可以對施工人員的疏散情景進(jìn)行模擬，如人員位置、人數(shù)及擁堵情況等，從而為安全管理和人員疏散培訓(xùn)等方面提供主要依據(jù)，提高安全管理工作的有效性。

應(yīng)用BIM 技術(shù)可以對施工機(jī)具進(jìn)行碰撞檢查和移動路徑檢查。通過檢查可以設(shè)定最優(yōu)的施工方案，本著降本增效的理念與發(fā)包方對施組計劃進(jìn)行溝通說明，達(dá)到減少施工過程中方案變更的目的。施工過程中需要對現(xiàn)場的橋梁數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集，并將這些數(shù)據(jù)同步到BIM 三維模型中進(jìn)行數(shù)據(jù)計算，如果計算結(jié)果與設(shè)計圖紙差距過大，系統(tǒng)會自動提示，及時采取有效措施進(jìn)行防范，杜絕施工事故。根據(jù)橋梁施工過程中由監(jiān)控單位量測的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)實時反映橋梁的結(jié)構(gòu)安全性以及與理論計算結(jié)果的差值，及時糾正施工出現(xiàn)的偏差，確保橋梁工程的施工質(zhì)量，降低施工風(fēng)險。

4 結(jié)語

綜上所述，BIM 技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用可以提質(zhì)增效，標(biāo)準(zhǔn)化、參數(shù)化的管理模式與傳統(tǒng)模式相比力度更強(qiáng)。BIM 技術(shù)的應(yīng)用是實現(xiàn)科學(xué)管理的重要手段，也是當(dāng)下橋梁工程現(xiàn)代化發(fā)展的必經(jīng)階段。文章通過對BIM 技術(shù)在橋梁設(shè)計、施工的調(diào)研，說明了每個步驟相應(yīng)的技術(shù)重點，以供參考。