基于BIM技術(shù)橋梁施工全過程優(yōu)化研究

高立廣

摘要 為了優(yōu)化橋梁施工全過程，文章以BIM技術(shù)為核心展開研究，深入探討了BIM技術(shù)的特點(diǎn)以及在橋梁施工過程中各個(gè)環(huán)節(jié)的應(yīng)用。研究結(jié)果表明，基于BIM技術(shù)的橋梁施工全過程優(yōu)化能夠改善資源調(diào)配、提高施工效率、降低施工成本、增強(qiáng)工程合作的協(xié)同性。此外，將BIM技術(shù)與其他技術(shù)如大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、PDCA循環(huán)等進(jìn)行了深度融合，進(jìn)一步提高了施工管理的效果。

關(guān)鍵詞 BIM技術(shù)；橋梁施工；全過程優(yōu)化

中圖分類號(hào) U414文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）12-0103-03

0 引言

隨著建筑業(yè)信息化不斷發(fā)展和應(yīng)用，構(gòu)建基于BIM、大數(shù)據(jù)、智能化等技術(shù)的全壽命周期管理模式與機(jī)制在橋梁施工領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增多。橋梁工程作為基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，其設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營階段的協(xié)同與優(yōu)化對(duì)于保障交通運(yùn)輸?shù)陌踩托手陵P(guān)重要。BIM技術(shù)以其全面的信息整合和協(xié)調(diào)能力，為橋梁施工全過程提供了一種創(chuàng)新的優(yōu)化方法。通過探討基于BIM技術(shù)的橋梁施工全過程優(yōu)化方法，以提高施工效率、降低成本、減少施工期間的風(fēng)險(xiǎn)，并優(yōu)化橋梁的設(shè)計(jì)和運(yùn)營。

1 BIM技術(shù)概述

BIM技術(shù)是一種基于三維數(shù)字技術(shù)構(gòu)建建筑信息模型的方法，通過智能數(shù)字化的方式傳達(dá)工程實(shí)體。BIM技術(shù)建模包括信息安全集成管理系統(tǒng)和BIM模型，利用B/S和C/S技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和傳遞[1]。BIM建模具體流程如圖1所示，首先利用Open Roads Designer創(chuàng)建橋梁的中線、橋面鋪裝模板和三維地形環(huán)境。然后，運(yùn)用Open Bridge Modeler創(chuàng)建橋梁的主體模型。接下來，借助Micro Station建立橋梁附屬設(shè)施構(gòu)件的模型。最終通過Synchro 4D進(jìn)行施工模擬，將所有模型進(jìn)行集成展示，即通過Bentley平臺(tái)上的不同軟件實(shí)現(xiàn)BIM模型的建立過程。

BIM技術(shù)的應(yīng)用如圖2所示，包括GIS系統(tǒng)、施工工藝、安全質(zhì)量、系統(tǒng)集成、BIM信息模型、可視化、3D電子施工日志、進(jìn)度管理、報(bào)表中心、模型導(dǎo)入和文檔交付、建設(shè)管理等。此外，BIM技術(shù)還可以用于系統(tǒng)集成，將橋梁的各個(gè)系統(tǒng)（如結(jié)構(gòu)、電氣、機(jī)械等）進(jìn)行整合和優(yōu)化。BIM模型中的信息可以用于生成報(bào)表，方便管理人員進(jìn)行項(xiàng)目進(jìn)展和成本控制的監(jiān)測和分析。

2 BIM技術(shù)在橋梁施工全過程中的應(yīng)用

2.1 BIM技術(shù)在橋梁施工前期的應(yīng)用

BIM技術(shù)在施工前期主要涉及設(shè)計(jì)和模型協(xié)調(diào)，以及碰撞檢測和沖突解決。在設(shè)計(jì)和模型協(xié)調(diào)方面，BIM平臺(tái)為不同專業(yè)的設(shè)計(jì)師提供了信息共享和集成的機(jī)會(huì)。例如，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在模型中使用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，如優(yōu)化算法、有限元分析等，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，通過最小化目標(biāo)函數(shù)確定最優(yōu)的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，公式如下：

minimizf（x） （1）

subjectog（x）≤0，i=1，…，m （2）

h（x）≤0，i=1，…， p （3）

式中，f（x）——目標(biāo)函數(shù)；x——設(shè)計(jì)變量；g（x）、h（x）——約束條件。

在碰撞檢測和沖突解決方面，BIM技術(shù)通過將各個(gè)專業(yè)的模型整合在一起，進(jìn)行自動(dòng)碰撞檢測，以檢測模型中是否存在重疊、沖突或不一致的部分，進(jìn)而優(yōu)化調(diào)整設(shè)計(jì)。

2.2 BIM技術(shù)在橋梁施工中的應(yīng)用

BIM技術(shù)在橋梁施工中的應(yīng)用如圖3所示，主要包括橋梁上部和下部的建模。首先，橋梁上部的BIM建模包括預(yù)應(yīng)力箱梁、鋼箱梁、組合梁、防撞護(hù)欄等部分。建模流程主要包括新建橋梁、創(chuàng)建布跨線，根據(jù)橋梁橫斷面模板建立預(yù)應(yīng)力箱梁、鋼箱梁、組合梁、防撞護(hù)欄等構(gòu)件，并在參數(shù)設(shè)置界面輸入相關(guān)參數(shù)，如布跨線的距離和斜交角度等，以確保布跨線的合理性。這些步驟通常使用Open Bridge Modeler軟件完成。

其次，橋梁下部的BIM建模主要涉及承臺(tái)、墩柱（臺(tái)）、支座等部分。Open Bridge Modeler提供了通用的下部結(jié)構(gòu)構(gòu)件庫，可直接調(diào)用，也能夠根據(jù)具體項(xiàng)目情況擴(kuò)充構(gòu)件庫。建模步驟包括使用擴(kuò)充構(gòu)件庫布置特殊位置處的橋墩，以及使用參數(shù)化建模的方式快速布置數(shù)量較多且類型一致的橋墩。

2.3 BIM技術(shù)在橋梁施工進(jìn)度中的應(yīng)用

BIM技術(shù)在橋梁施工中可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)管理和有效監(jiān)控。通過傳感器技術(shù)，實(shí)時(shí)采集施工過程中的數(shù)據(jù)，并根據(jù)模型的模擬和仿真結(jié)果對(duì)工程展開情況進(jìn)行比對(duì)和分析。施工進(jìn)度優(yōu)化采用進(jìn)度優(yōu)化模型，如進(jìn)度網(wǎng)絡(luò)圖、路徑分析等，通過確定最短的施工時(shí)間和最優(yōu)的施工順序進(jìn)行優(yōu)化，公式可以表示為：

minT （4）

subjecttoT≥Ti （5）

T=max{Tj+Dj|（i， j）∈E} （6）

式中，T——總施工時(shí)間；Ti——第i個(gè)任務(wù)的最早開始時(shí)間；Tj——第j個(gè)任務(wù)的最晚完成時(shí)間；Dj——第j個(gè)任務(wù)的持續(xù)時(shí)間；E——任務(wù)之間的關(guān)系集合。

2.4 BIM技術(shù)在成本控制中的應(yīng)用

2.4.1 成本動(dòng)態(tài)管理

利用BIM技術(shù)的5D模型，可以將實(shí)際進(jìn)度和成本信息輸入模型中，實(shí)現(xiàn)施工過程的成本動(dòng)態(tài)管理。通過跟蹤分析掙得值法所涉及的數(shù)據(jù)，可以計(jì)算不同時(shí)間點(diǎn)的費(fèi)用效益指標(biāo)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)成本偏差并進(jìn)行預(yù)警[2]。

2.4.2 實(shí)時(shí)監(jiān)控

BIM技術(shù)可以實(shí)時(shí)查詢施工階段的材料用量和實(shí)際工程量，幫助管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)成本管理問題。通過準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，可以采取針對(duì)性的解決措施，調(diào)整機(jī)械調(diào)度和人員管理，實(shí)現(xiàn)施工成本的動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

2.4.3 限額領(lǐng)料管理

利用BIM技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的物料領(lǐng)取管理。通過自動(dòng)分析工程量數(shù)據(jù)信息和物料領(lǐng)用信息，可以實(shí)時(shí)查看特定區(qū)域內(nèi)的工程量完成情況以及可領(lǐng)取的材料限額。施工資源優(yōu)化使用資源平衡模型，如線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃等，通過最優(yōu)化資源分配提高施工效率，公式表示為：

minZ （7）

subjecttoXi*Ri≤Ci （8）

Xi∈{0，1} （9）

式中，Z——最小化的目標(biāo)函數(shù)；Xi——決策變量，表示是否為第i個(gè)任務(wù)分配資源；Ri——第i個(gè)任務(wù)所需的資源量；Ci——第i個(gè)資源的可用量。

2.4.4 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)整合

BIM協(xié)同管理平臺(tái)具備強(qiáng)大的功能，能夠?qū)τ嘘P(guān)方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)整合。例如，材料價(jià)格的變化會(huì)直接影響施工成本，BIM協(xié)同管理平臺(tái)能夠自動(dòng)采集相關(guān)價(jià)格的變化，并自動(dòng)進(jìn)行成本核算調(diào)整，有效縮短了計(jì)價(jià)變更的時(shí)間。

2.5 BIM技術(shù)在竣工階段中的應(yīng)用

在竣工階段，BIM技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目數(shù)字化成果的歸檔移交，為項(xiàng)目資料提供了更高的學(xué)術(shù)性和科學(xué)性。BIM技術(shù)生成詳細(xì)的數(shù)字化成果，包括橋梁模型、結(jié)構(gòu)模型、設(shè)備模型等[3]。這些數(shù)字化成果通過BIM軟件進(jìn)行管理和歸檔，確保信息的完整性和可追溯性。

BIM技術(shù)可以與項(xiàng)目運(yùn)維進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化成果的無縫銜接。通過將BIM模型與運(yùn)維管理系統(tǒng)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備定位、故障監(jiān)測、維護(hù)計(jì)劃等功能，提高運(yùn)維工作的效率和準(zhǔn)確性。此外，BIM技術(shù)還可以為竣工階段的學(xué)術(shù)研究提供數(shù)據(jù)支持。

由此可知，BIM技術(shù)在橋梁施工過程的各個(gè)階段都十分重要，其在橋梁施工全過程的實(shí)施流程圖如圖4所示：

3 BIM技術(shù)優(yōu)化橋梁施工全過程的策略

3.1 完善3D模型

將3D模型與前期構(gòu)件完成的進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行關(guān)聯(lián)，為3D模型添加不同的時(shí)間維度參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)施工過程的分析和模擬，同時(shí)加強(qiáng)各個(gè)部門之間的協(xié)作機(jī)制。使用Navisworks軟件對(duì)MEP、結(jié)構(gòu)、建筑等專業(yè)的文件進(jìn)行分層，并轉(zhuǎn)化為可被軟件整合和利用的DEF/DWFX文件。通過Navisworks軟件的“timeliner”命令，將Project軟件生成的“Mpp”格式文件與3D模型進(jìn)行鏈接，實(shí)現(xiàn)高效的管控目標(biāo)[4]。

調(diào)整和模擬時(shí)間單位，模擬的時(shí)間單位包括天、周、月等，可以分別按照逆序和正序展開項(xiàng)目技術(shù)的模擬，以不同的時(shí)間間隔全面反映施工進(jìn)度對(duì)后續(xù)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的影響。同時(shí)，為了更直觀地展現(xiàn)不同構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)特征，可以引入動(dòng)畫和視頻等多種形式對(duì)施工進(jìn)度進(jìn)行播放，并對(duì)未完成的工作進(jìn)行管理。

3.2 橋梁拆除工藝虛擬仿真

通過BIM技術(shù)建立橋梁的全面數(shù)字模型，包括幾何形狀、結(jié)構(gòu)元素和構(gòu)件屬性等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)拆除工藝和策略的規(guī)劃和控制。利用BIM軟件或?qū)Ｓ玫奶摂M仿真軟件，將拆除工藝應(yīng)用到BIM模型中進(jìn)行模擬。通過虛擬仿真，觀察橋梁的逐步拆除過程，并調(diào)整施工區(qū)域和機(jī)械進(jìn)場路線等。

基于虛擬仿真的結(jié)果和分析，對(duì)拆除工藝和策略進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。例如，改變拆除順序、調(diào)整工具和設(shè)備的使用等，從而提高施工的效率和準(zhǔn)確性。根據(jù)虛擬仿真的結(jié)果，生成橋梁的三維可視化動(dòng)畫或靜態(tài)圖片，用于展示拆除過程和結(jié)果。

3.3 技術(shù)集成

技術(shù)集成是優(yōu)化橋梁施工全過程的關(guān)鍵策略之一。通過將BIM技術(shù)與其他技術(shù)進(jìn)行集成，可以實(shí)現(xiàn)更高效、精確和可視化的施工管理。

3.3.1 PDCA循環(huán)原理

PDCA循環(huán)包括計(jì)劃、執(zhí)行、檢查和調(diào)整四個(gè)環(huán)節(jié)，將BIM技術(shù)與PDCA循環(huán)原理相結(jié)合，推動(dòng)項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃管控模式。在橋梁施工中，可以通過PDCA循環(huán)建立完善的三維信息管控模型，進(jìn)行施工進(jìn)度的動(dòng)態(tài)管理，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目進(jìn)度的高效管控和優(yōu)化。

3.3.2 與其他技術(shù)集成

通過將BIM技術(shù)與設(shè)計(jì)工具、信息技術(shù)、移動(dòng)設(shè)備等集成到協(xié)同平臺(tái)，并與大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、GIS等信息技術(shù)進(jìn)行深度融合，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)反映建設(shè)工程項(xiàng)目投資、進(jìn)度等各項(xiàng)狀態(tài)，并利用遠(yuǎn)程設(shè)備解決施工現(xiàn)場安全隱患等問題[5]。這樣的“BIM+”融合模式使得BIM技術(shù)可以在全過程橋梁施工中發(fā)揮更大作用。

4 結(jié)束語

該文系統(tǒng)地探討了基于BIM技術(shù)的橋梁施工全過程優(yōu)化研究，通過準(zhǔn)確的物料統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、資源調(diào)配優(yōu)化和施工進(jìn)度的動(dòng)態(tài)管理，為橋梁施工管理提供了一種新的思路和方法。通過與其他信息技術(shù)的融合，如大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、GIS等，進(jìn)一步提高了施工管理的效率和質(zhì)量。該文的分析結(jié)果證明了BIM技術(shù)在橋梁施工中的優(yōu)化效果，并強(qiáng)調(diào)了集成的“BIM+”融合模式在全過程中的重要性。未來的研究可以進(jìn)一步探索BIM技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用，并結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不斷完善和優(yōu)化BIM技術(shù)在橋梁施工中的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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