BIM技術(shù)在道路橋梁工程運用的研究現(xiàn)狀

張繼偉，楊貴華，陳星宇，張星江

（云南交投集團云嶺建設(shè)有限公司，云南 昆明 650051）

近年來，我國交通建設(shè)領(lǐng)域快速發(fā)展，據(jù)交通運輸部運輸統(tǒng)計2019年我國橋梁建設(shè)數(shù)目為87.83 萬座，約6063.46 萬米。隨著橋梁數(shù)量的不斷增長，對于橋梁的耐久性、承載力、經(jīng)濟效益的要求隨之提高。在我國現(xiàn)階段的橋梁建設(shè)中，橋梁工程設(shè)計和構(gòu)造主要依托CAD（計算機輔助設(shè)計）軟件完成，但在整個周期內(nèi)會出現(xiàn)不同管理之間溝通協(xié)作不當(dāng)?shù)那闆r，這阻礙了橋梁后期運營的有效開展，嚴(yán)重影響了橋梁耐久性和使用壽命使其減短，促使養(yǎng)護成本增加等風(fēng)險提高。而BIM（建筑信息模型）技術(shù)在橋梁工程中運用不僅可以滿足建筑行業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)，而且可以達到信息集成化，滿足橋梁工程“構(gòu)建設(shè)計”-“施工管理”-“養(yǎng)護維修”三位一體化，提高實際工程的安全性。目前，BIM技術(shù)在道路橋梁工程方面應(yīng)用并未完全成熟，在應(yīng)用方面還有較高的進步空間。本文梳理了BIM 技術(shù)在橋梁工程運用的現(xiàn)狀，旨在為后續(xù)橋梁工程設(shè)計和建模中提供部分參考和指導(dǎo)作用。

1 道路橋梁工程特點及管理現(xiàn)狀

1.1 特點

道路橋梁屬于線性控制工程，相較于其他建筑行業(yè)具有一定特殊性，施工場地占地面積大、組織復(fù)雜，其特點主要為：①投入資金數(shù)量大，工程質(zhì)量要求高。在項目實施過程中需要大量資金投入，且對于橋梁使用年限有高的要求（使用年限一般為100～120年）。②施工程序復(fù)雜，工程周期長。由于橋梁種類繁多，如：拱橋、斜拉橋、梁式橋和組合橋等，不同種類的橋在施工建設(shè)中程序差別明顯，隨著跨度、體量的不同，施工的復(fù)雜程度也有所調(diào)整。相對應(yīng)的工期也隨之延長。③多方合作共同施工，環(huán)境復(fù)雜多變。在橋梁的施工中需要不同部分協(xié)同配合，如：設(shè)計單位、施工單位和監(jiān)理單位等。此外，大部分橋梁施工環(huán)境艱苦，面對復(fù)雜的地勢、氣候等不可控因素增多，加大施工難度。

1.2 管理現(xiàn)狀

隨著施工技術(shù)多樣化和復(fù)雜化，加劇了橋梁建設(shè)的難度，從施工場地布置、管理進度和信息三個方面總結(jié)了施工管理現(xiàn)狀。①場地資源配置不合理。施工方通常采用二維紙質(zhì)方案進行交底，不利于多方的協(xié)同工作和技術(shù)交流，且在施工處多出現(xiàn)物料堆放隨意，設(shè)備使用不規(guī)范等，造成施工效率低。②進度管理采用傳統(tǒng)方法。傳統(tǒng)的管理手段有橫道圖、網(wǎng)絡(luò)計劃、關(guān)鍵鏈等，施工進度控制手段有PDCA 循環(huán)、S 形比較法。這些方法在實際施工中控制性較差、關(guān)聯(lián)性低。不利于管理人員對實際工程的熟悉掌握。③信息流通閉塞。小型工程可以采用施工記錄表進行報告，但在大型或復(fù)雜項目中，依然采用相同的方式會造成多方人員無法信息共享，數(shù)據(jù)滯后和對接不通順等，嚴(yán)重影響施工進程。

2 主流BIM 軟件在道路橋梁的應(yīng)用對比

2.1 Autodesk

Autodesk 的主要軟件包括Revit（該軟件側(cè)重單體設(shè)計方向，可以對道路橋梁的部分內(nèi)容進行精細(xì)化處理）；Infraworks（該軟件側(cè)重于道路橋梁設(shè)計的可行性和前期設(shè)計部分，提供方案的對比擇優(yōu)）；Dynamo（該軟件通常用于較為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計，一般和Revit 軟件配合使用）；Navisworks（該軟件可以對建好的模型進行拼裝，并效驗正確與否和施工進度等）。Autodesk 軟件操作較為簡單適合新手但不適用于復(fù)雜曲面的設(shè)計。各軟件之間存在的關(guān)系見圖1所示。

圖1 Autodesk 在道路橋梁工程的應(yīng)用[4]

2.2 Bnetley

Bentley 軟件在適用于多個領(lǐng)域，如：地理、土木、工廠和建筑等。軟件以Micro Station 為主，針對道路橋梁方向研發(fā)了三種專業(yè)性較強的軟件：Openroads Designer 及Conceptstation（道路）、Openbridge Modeler（橋梁）。歷經(jīng)上述軟件的處理后，可以建立起橋梁/道路的基本結(jié)構(gòu)模型，然后利用LumenRT 軟件對上述模型進行可視化處理，比如針對模型進行動畫和效果圖的渲染等。最后運用軟件Synchro 4D 進行施工進度管理安排，該軟件功能較強即便在大型的復(fù)雜工程建設(shè)中，也能準(zhǔn)確發(fā)揮作用。Bentley 軟件中各部分細(xì)化的軟件應(yīng)用見圖2所示。

圖2 Bentley 在道路橋梁工程的應(yīng)用[4]

2.3 Dassault

Dassault 軟件主要應(yīng)用于機械和航空領(lǐng)域，其核心軟件為CATIA。相較于前兩種軟件，這款軟件的特色和優(yōu)點是參數(shù)化建模能力較為突出，使用者可以根據(jù)自己的參數(shù)要求，建立體量較大的較為精確的模型，且可以針對模型細(xì)節(jié)進行修改。王達研究表示Dassault 軟件可以為構(gòu)建好的模型實時修改和更新提供良好的支持。針對道路橋梁方面，可以通過流程“骨架－模板－實例”構(gòu)建橋梁模型，結(jié)合模板/構(gòu)件庫的信息進行擴展填充，用戶選擇需要的參數(shù)進行模型建立，較為精確地模擬和運算。

2.4 對比分析軟件Autodesk、Bentley 和Dassault

前三小節(jié)主要介紹軟件Autodesk、Bentley 和Dassault 的核心軟件及建構(gòu)模型時的特點，為了明確三種軟件如何選擇應(yīng)用，給讀者更直觀的選取，本文對上述三種軟件進行對比，見表1所示。

表1 軟件Autodesk、Bentley 和Dassault 的優(yōu)缺點

從表1中可以看出，三種軟件都具有各自的優(yōu)勢、不足，因此應(yīng)用領(lǐng)域也有所不同。綜合來看，軟件Bentley 操作較為簡單，可以支持在大體量工程和綜合性較強的復(fù)雜工程中應(yīng)用。在BIM 技術(shù)分支與道路橋梁實際應(yīng)用中優(yōu)勢突出。

3 BIM 技術(shù)在橋梁工程的優(yōu)勢及具體運用

3.1 優(yōu)勢

Bortolini 等研究發(fā)現(xiàn)4D-BIM 技術(shù)運用于較為復(fù)雜的施工現(xiàn)場，可以提高其物資管理的效率，此外，還能降低人力管理成本，是實現(xiàn)施工規(guī)劃和控制的有效措施。劉延宏也得到了相似的結(jié)論，他在橋梁工程中結(jié)合了BIM 設(shè)計，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該工程管理效率提高了25%左右。劉亞飛表示在道路橋梁施工管理中運用BIM技術(shù)的優(yōu)勢在于：①有利于優(yōu)化施工場地的布置。BIM 技術(shù)應(yīng)用可以較為直觀掌握施工過程的布置情況，節(jié)約施工過程中的時間和經(jīng)濟成本。②協(xié)調(diào)進度管理。主要是4D-BIM 技術(shù)的建模，其在3D 模型的基礎(chǔ)上，將工程進度的計劃性、管理可視化變?yōu)榭赡?。③集成施工信息。將實際工程中的信息和BIM 模型進行集成，采用BIM 技術(shù)記錄施工中的詳盡信息，且為管理人員提供溝通協(xié)作的平臺，有利于工程順利完成。盧曉認(rèn)為將BIM 技術(shù)應(yīng)用于施工中，在成本管理方面優(yōu)勢突出，除了軟件本身兼容性好，較為高效和協(xié)調(diào)性高。國家也在積極鼓勵行業(yè)內(nèi)對BIM技術(shù)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，早在2016年，我國就將BIM 技術(shù)列在了“十三五”—建筑行業(yè)重點推廣的首位，在2019年政府部門頻頻推出6 次文件用于推進BIM 技術(shù)的應(yīng)用，可見政府注重BIM 技術(shù)的發(fā)展和與實際工程結(jié)合的態(tài)度。在運用BIN技術(shù)的企業(yè)中，也發(fā)現(xiàn)BIM 帶來的項目優(yōu)勢，數(shù)據(jù)顯示，使用BIM 技術(shù)的項目平均工期減少10%，收益更是可以取得60%以上，實現(xiàn)了成本低速度快的發(fā)展趨勢。

3.2 具體應(yīng)用

孫煜煌運用BIM 技術(shù)結(jié)合到橋梁工程中，從可行性研究、設(shè)計和施工、運維等階段進行討論，為BIM技術(shù)在工程施工方向提供思路。如圖3所示。在不用的階段，構(gòu)建的信息模型和精度等級都是可控的，采用動態(tài)的方式。相較于二維設(shè)計，BIM 模型可以提供完整的施工所需數(shù)據(jù)信息，降低施工過程中不可控因素出現(xiàn)時帶來的波動。

圖3 BIM 技術(shù)在橋梁中的應(yīng)用[15]

世界上跨度最大的鋼筋混凝土拱橋—北盤江大橋項目，施工方就采用了BIM 技術(shù)對大橋進行了設(shè)計以及后續(xù)的安全監(jiān)控等，采用BIM 技術(shù)的數(shù)字化拼裝發(fā)現(xiàn)前期設(shè)計工作的錯誤并進行修改，通過4D-BIM 可視化指導(dǎo)施工現(xiàn)場，且及時收集模型和實際工程中生成的數(shù)據(jù)和文檔，使得如此大規(guī)模的工程得以呈現(xiàn)。

李陽將BIM 技術(shù)運用在了京杭大運河省道268特大橋中，采用Bentley 軟件構(gòu)建了基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)典型構(gòu)件的參數(shù)化數(shù)據(jù)庫，在模擬施工工藝的基礎(chǔ)上提出了優(yōu)化，為大型橋梁耐久性和后期運營維護管理提供參考價值。

4 結(jié)論與展望

本文主要結(jié)論和展望如下：

（1）道路橋梁工程要求較高，傳統(tǒng)的管理可能導(dǎo)致資源配置不合理、進度不明和信息化較低問題的出現(xiàn)。BIM 技術(shù)可以有效解決上述道路橋梁問題的出現(xiàn)。

（2）介紹了主流BIM 軟件Autodesk、Bentley 和Dassault 的特點，并對比三種軟件的優(yōu)缺點，最后綜合分析得到，軟件Bentley 具有應(yīng)用到橋梁工程的突出優(yōu)勢，其他軟件都有較大發(fā)展空間。

（3）BIM 技術(shù)在應(yīng)用過程中優(yōu)勢明顯，有利于物資管理效率提高、管理進程可視化和集成施工信息。此外，在多個大型道路橋梁中得以應(yīng)用，并取得良好效益。

（4）我國對于BIM 技術(shù)結(jié)合在大型橋梁工程中的實際應(yīng)用缺乏，雖然BIM 技術(shù)擁有眾多優(yōu)勢并取得一些研究成果，但還需要長時間地研究和彌補不足。制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有助于BIM 技術(shù)的普及應(yīng)用。