BIM技術(shù)在橋梁工程設(shè)計(jì)與施工中的應(yīng)用綜述

【摘要】文章研究報(bào)告了BIM技術(shù)在橋梁工程設(shè)計(jì)與施工流程優(yōu)化中的核心作用，深入分析了其在橋梁項(xiàng)目設(shè)計(jì)施工各階段的實(shí)施策略。研究顯示，BIM技術(shù)通過(guò)整合橋梁構(gòu)件的詳細(xì)信息，顯著優(yōu)化了資源配置和成本控制。BIM擁有強(qiáng)大整合能力能夠系統(tǒng)化管理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、施工變更及運(yùn)維計(jì)劃，提升了橋梁項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工管理效率。盡管面臨技術(shù)層面的諸多挑戰(zhàn)，但研究認(rèn)為，推廣BIM技術(shù)的應(yīng)用是適應(yīng)時(shí)代發(fā)展、實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)革新的重要途徑。

【關(guān)鍵詞】BIM技術(shù)；橋梁工程；設(shè)計(jì)優(yōu)化

【中圖分類號(hào)】TU443.38 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2024）09-0007-03

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件工程的迅速發(fā)展，建筑行業(yè)正經(jīng)歷從傳統(tǒng)的紙質(zhì)圖紙和手工操作向全面數(shù)字化管理的根本性轉(zhuǎn)變。BIM（建筑信息模型）技術(shù)，作為這一轉(zhuǎn)變的核心，既滿足了行業(yè)需求，又提供了一種高效且精確的新工作模式。該技術(shù)通過(guò)利用數(shù)字信息模型全面管理建筑項(xiàng)目的整個(gè)生命周期，從設(shè)計(jì)到施工最后再到維護(hù)管理，代表了建筑行業(yè)一場(chǎng)全新的技術(shù)革命。

在行業(yè)和產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的背景下，尤其是隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加速，橋梁工程的規(guī)模和復(fù)雜性不斷增加，BIM技術(shù)的應(yīng)用顯得尤為重要和緊迫。在橋梁工程領(lǐng)域，BIM技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了設(shè)計(jì)的精確性和工程的效率，還符合國(guó)家對(duì)建筑行業(yè)現(xiàn)代化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略要求。在設(shè)計(jì)階段，BIM技術(shù)支持復(fù)雜的幾何設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)分析。在施工規(guī)劃中，BIM技術(shù)在時(shí)間管理、材料采購(gòu)和人力資源分配中發(fā)揮了重要作用。

綜上所述，采納并普及BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)與施工中的應(yīng)用，對(duì)于改進(jìn)設(shè)計(jì)和施工流程及提高建設(shè)品質(zhì)至關(guān)重要，這同時(shí)也是國(guó)家產(chǎn)業(yè)升級(jí)及現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的關(guān)鍵部分。為實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)的持續(xù)進(jìn)步，需相關(guān)行業(yè)政策的支持和科技創(chuàng)新的推動(dòng)。

1 BIM技術(shù)在建筑工程中的主要功能

1.1 三維數(shù)字模型

BIM技術(shù)通過(guò)創(chuàng)建三維數(shù)字模型提供一種全面而細(xì)致的方式來(lái)表達(dá)建筑項(xiàng)目。與傳統(tǒng)的二維圖紙相比，三維模型在呈現(xiàn)建筑物的物理和功能特性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。三維數(shù)字模型不僅包括外部結(jié)構(gòu)的視覺(jué)表達(dá)，還可以精確反映內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，如電氣系統(tǒng)、管道及其他關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。而且三維模型支持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)輸入和更新，允許設(shè)計(jì)師和工程師在設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中實(shí)時(shí)進(jìn)行修改和優(yōu)化。這種詳細(xì)且交互式的表達(dá)方式，可以使得項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)能夠更準(zhǔn)確地評(píng)估設(shè)計(jì)方案，預(yù)見(jiàn)潛在問(wèn)題并進(jìn)行必要的調(diào)整。這提高了設(shè)計(jì)的精確性和效率，也為施工階段提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支持。

1.2 協(xié)同性

BIM技術(shù)通過(guò)在單一模型上整合來(lái)自各方的數(shù)據(jù)與信息，如建筑、結(jié)構(gòu)、環(huán)境等信息，為項(xiàng)目參與者提供了一個(gè)共享和互動(dòng)的平臺(tái)。各方利用共享模型在同一個(gè)數(shù)字環(huán)境下實(shí)時(shí)協(xié)作，使得項(xiàng)目規(guī)劃、設(shè)計(jì)審查、施工調(diào)度和資產(chǎn)管理更加高效，進(jìn)而縮短項(xiàng)目周期，降低成本，也提高了工程質(zhì)量。集成的信息系統(tǒng)也支持多方參與者進(jìn)行更為復(fù)雜的任務(wù)和更精細(xì)的操作，例如沖突檢測(cè)和資源優(yōu)化，推動(dòng)了建筑項(xiàng)目向數(shù)字化和智能化的轉(zhuǎn)型。

1.3 成本和進(jìn)度控制

BIM在工程的早期階段就可以對(duì)成本和時(shí)間進(jìn)行詳細(xì)預(yù)測(cè)，這是因?yàn)槟Ｐ椭械拿總€(gè)構(gòu)件都可以關(guān)聯(lián)具體的成本和施工時(shí)間信息。BIM技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)工程團(tuán)隊(duì)實(shí)時(shí)更新工程狀態(tài)，調(diào)整資源配置，優(yōu)化成本控制和保證施工進(jìn)度。例如，在模擬施工過(guò)程中，可以預(yù)見(jiàn)和解決潛在的沖突和延誤，有效避免額外成本和時(shí)間損失。BIM技術(shù)還支持制作較為詳盡的物料清單和工作分解結(jié)構(gòu)，提高了資源的利用效率。以上這些綜合管理策略，使得BIM技術(shù)不僅可以提升工程財(cái)務(wù)的可見(jiàn)性和預(yù)測(cè)性，也增強(qiáng)了對(duì)工程進(jìn)度的控制，確保工程按預(yù)定的成本和時(shí)間順利完成。

2 BIM技術(shù)在橋梁工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)橋梁設(shè)計(jì)工程量大，并且存在設(shè)計(jì)中信息交互較慢、協(xié)同設(shè)計(jì)困難、設(shè)計(jì)效率較低的問(wèn)題，基于BIM技術(shù)的橋梁設(shè)計(jì)可以提供智能化、精細(xì)化三維建模、效果圖和二維圖紙輸出、結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化等強(qiáng)大功能，因此實(shí)現(xiàn)針對(duì)橋梁的BIM設(shè)計(jì)在橋梁智能化建造領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定的必要性。

李頻等[1]對(duì)復(fù)雜的曲面橋塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了正向造型設(shè)計(jì)，積累了大量異形結(jié)構(gòu)的建模經(jīng)驗(yàn)。他們通過(guò)運(yùn)用三維模型輔助二維繪圖技術(shù)并采用多種技術(shù)手段如斷面輸出與參數(shù)表輸出，成功實(shí)現(xiàn)了從三維曲面到二維圖形的轉(zhuǎn)換。

祝兵等[2]利用Catia軟件，遵循“骨架+模板”的建模策略，開(kāi)發(fā)了一套橋梁參數(shù)化智能建模方法及其技術(shù)流程。通過(guò)使用EKL語(yǔ)言增強(qiáng)構(gòu)件模板的參數(shù)化功能，并運(yùn)用Catia的二次開(kāi)發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件的批量實(shí)例化。此外，他們還利用WPF框架開(kāi)發(fā)的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)使得從構(gòu)件模板的創(chuàng)建、設(shè)計(jì)到實(shí)例化的整個(gè)過(guò)程得以實(shí)施，進(jìn)一步促進(jìn)了橋梁建模的精細(xì)化和智能化。這一技術(shù)路線有效整合了設(shè)計(jì)流程，提升了模型的精確度和操作的效率。

鄧璐等[3]以玉皇閣二號(hào)橋?yàn)楣こ虒?shí)例，首先基于Revit豐富完善了相應(yīng)的橋梁構(gòu)件族庫(kù)，其次進(jìn)行了全橋參數(shù)化建模，最后建立了Revit與Midas之間的接口，完成了數(shù)據(jù)流傳遞，進(jìn)行了全橋FEM計(jì)算分析。該方法顯著提高了傳統(tǒng)建模流程的效率，展示了BIM技術(shù)在信息化和協(xié)同工作方面的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也擴(kuò)展了BIM技術(shù)在橋梁工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

梁春明[4]針對(duì)索梁錨固中構(gòu)造復(fù)雜、設(shè)計(jì)分析難度大等問(wèn)題，通過(guò)建立參數(shù)化BIM，將復(fù)雜的索梁錨固構(gòu)造的結(jié)構(gòu)尺寸、邏輯關(guān)系和位置關(guān)系拆解成參數(shù)化的零件，再通過(guò)組裝成部件導(dǎo)出sat格式，生成命令流文件導(dǎo)入到Ansys中來(lái)輔助設(shè)計(jì)和分析計(jì)算，并且采用參數(shù)化建模和命令流的方式大大節(jié)約了建模和結(jié)構(gòu)分析的時(shí)間，從而降低設(shè)計(jì)難度，提高生產(chǎn)效率。

3 BIM技術(shù)在橋梁工程施工中的應(yīng)用

橋梁工程一般情況下工程體量較大，并且在施工時(shí)會(huì)面臨許多復(fù)雜的挑戰(zhàn)，包括但不限于設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、施工過(guò)程的精確度要求、多部門的協(xié)調(diào)問(wèn)題，以及安全和成本控制。BIM技術(shù)通過(guò)提供詳細(xì)的三維可視化模型和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理，有效解決了這些難點(diǎn)，并帶來(lái)了顯著的優(yōu)勢(shì)。

楊炎炎[5]運(yùn)用BIM技術(shù)對(duì)復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精細(xì)化建模，并配合施工監(jiān)控，開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于WinForm的可視化施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。使用Revit根據(jù)工程圖紙構(gòu)建了預(yù)應(yīng)力管道模型，并進(jìn)一步在Navisworks中進(jìn)行碰撞檢測(cè)。碰撞檢測(cè)揭示了原設(shè)計(jì)中預(yù)應(yīng)力管道的多個(gè)沖突點(diǎn)。他利用從BIM得到的結(jié)果，調(diào)整了施工順序和方案，從而提升了工作效率并減少了重工的需求。此過(guò)程不僅優(yōu)化了施工計(jì)劃，還確保了施工過(guò)程的順利進(jìn)行。

黃鑫等[6]利用BIM軟件成功構(gòu)建了西拉沐淪特大橋的信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大橋施工過(guò)程中各種記錄文件的系統(tǒng)化歸納與管理。該系統(tǒng)為用戶提供了一整套工程進(jìn)度管理工具，通過(guò)在橋梁建設(shè)的各個(gè)階段應(yīng)用BIM技術(shù)，施工團(tuán)隊(duì)能夠?qū)崿F(xiàn)更加有效的監(jiān)控和控制，顯著提高了項(xiàng)目間的溝通流暢性和信息反饋速度。這不僅有助于減少部門間的推諉現(xiàn)象，還能縮短決策周期，推動(dòng)項(xiàng)目管理向規(guī)范化和精細(xì)化的方向發(fā)展。

例如在S306仁懷市五馬至茅壩公路改擴(kuò)建工程中，對(duì)五馬大橋的連續(xù)T梁進(jìn)行了基于BIM的預(yù)應(yīng)力混凝土T梁數(shù)字化仿真應(yīng)用框架搭建，應(yīng)用框架中根據(jù)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁的特點(diǎn)及結(jié)合體系優(yōu)點(diǎn)，提出“CBIMS+EBS”的新編碼體系。基于可視化編程、自適應(yīng)參數(shù)化、開(kāi)源編碼體系等BIM技術(shù)領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)展預(yù)應(yīng)力混凝土T梁模型參數(shù)化流程，構(gòu)建預(yù)應(yīng)力混凝土T梁的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，并開(kāi)展基于BIM技術(shù)的預(yù)應(yīng)力混凝土T梁數(shù)字化仿真技術(shù)，為預(yù)應(yīng)力混凝土T梁負(fù)彎矩區(qū)施工控制提供參考，如圖1所示。

4 BIM技術(shù)存在的不足

在橋梁工程設(shè)計(jì)階段，現(xiàn)有的BIM軟件尚未能夠提供全面的結(jié)構(gòu)分析，通常需要其他專業(yè)的有限元分析軟件的配合。這種依賴使得BIM的創(chuàng)建過(guò)程中出現(xiàn)重復(fù)工作，也限制了工作流程的連續(xù)性，同時(shí)增加了設(shè)計(jì)人員對(duì)軟件操作的專業(yè)性要求。如何確保BIM與有限元分析模型之間的精確轉(zhuǎn)換，并維持計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，這一點(diǎn)成為BIM技術(shù)與有限元分析軟件在交互過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。

此外，BIM技術(shù)的整合過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)所謂的“翻?！爆F(xiàn)象，這一現(xiàn)象涉及設(shè)計(jì)人員在初期依賴傳統(tǒng)的平面地形圖、文字說(shuō)明和二維地質(zhì)剖切圖等信息，使用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工具完成橋梁設(shè)計(jì)并輸出圖紙[7]，BIM建模人員根據(jù)這些二維圖紙和附加信息構(gòu)建三維信息模型，并進(jìn)行后續(xù)的仿真分析。限于二維設(shè)計(jì)環(huán)境的約束，此方法導(dǎo)致了設(shè)計(jì)與信息模型之間的隔離，且不能實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)更新，進(jìn)而造成數(shù)據(jù)的相關(guān)性降低，建模工作量增加，設(shè)計(jì)效率下降等問(wèn)題。

在橋梁施工過(guò)程中，如何保障BIM的實(shí)時(shí)更新與信息精確性。橋梁工程涉及的地理和環(huán)境條件復(fù)雜多變，這要求工作人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這些條件的變化并根據(jù)變化及時(shí)更新BIM。目前，市場(chǎng)上缺乏專門創(chuàng)建地形、地質(zhì)模型的平臺(tái)，設(shè)計(jì)變更在橋梁施工中也較為常見(jiàn)，每次變更都需迅速在BIM中反映，同時(shí)還需實(shí)時(shí)展示橋梁工程的進(jìn)度。以上都要求對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的獲取、信息的存儲(chǔ)和處理提出更高的挑戰(zhàn)，這也威脅著當(dāng)前BIM技術(shù)的實(shí)用性與效率。

5 結(jié)論及建議

文中通過(guò)分析BIM技術(shù)在橋梁工程設(shè)計(jì)和施工應(yīng)用的實(shí)際案例，研究了利用三維模型、結(jié)構(gòu)分析、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理和協(xié)同工作平臺(tái)解決傳統(tǒng)橋梁建設(shè)中遇到的復(fù)雜問(wèn)題。研究表明，BIM技術(shù)提升了設(shè)計(jì)的精確度，優(yōu)化了施工流程，并且增強(qiáng)了項(xiàng)目管理的系統(tǒng)化與效率。為進(jìn)一步推廣和豐富BIM技術(shù)，給出以下結(jié)論和建議。

1）橋梁工程中常涉及復(fù)雜或重復(fù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，BIM技術(shù)的應(yīng)用通過(guò)計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言和二次開(kāi)發(fā)顯著提升了橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確性。這種高級(jí)應(yīng)用主要包括智能化參數(shù)化建模和批量建模。當(dāng)前的BIM軟件如Revit和Tekla Structures均提供了豐富的應(yīng)用程序接口（APIs），用戶能夠利用NET、Python等編程語(yǔ)言編寫(xiě)腳本并自動(dòng)化設(shè)計(jì)任務(wù)。設(shè)計(jì)人員也可通過(guò)二次開(kāi)發(fā)自定義插件或工具，自動(dòng)執(zhí)行常規(guī)重復(fù)的設(shè)計(jì)任務(wù)，此方法不僅減少了人為錯(cuò)誤，又保證了設(shè)計(jì)輸出時(shí)的準(zhǔn)確性。

2）在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，設(shè)計(jì)人員通常需要?jiǎng)?chuàng)建FEA模型。為確保在數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程中的準(zhǔn)確性和連續(xù)性，可考慮在BIM初步創(chuàng)建階段采取模型精簡(jiǎn)策略，這意味著在BIM中只能包含結(jié)構(gòu)分析的關(guān)鍵信息和細(xì)節(jié)，以此來(lái)減少非必要的數(shù)據(jù)冗余。并且為了進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)工作流程，推薦開(kāi)發(fā)和部署自動(dòng)化腳本與插件工具?？勺詣?dòng)將BIM轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)分析軟件可以接受的格式，從而提升設(shè)計(jì)過(guò)程的效率和準(zhǔn)確性。

3）BIM技術(shù)可以提供實(shí)時(shí)更新三維可視化模型和實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)管理來(lái)優(yōu)化橋梁施工過(guò)程。但如何實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更新是一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)。建議通過(guò)激光掃描、無(wú)人機(jī)技術(shù)和傾斜攝影等技術(shù)生成高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)的方法，將這些數(shù)據(jù)整合到BIM系統(tǒng)中來(lái)提高模型的更新頻率和準(zhǔn)確性。同時(shí)，五馬大橋連續(xù)T梁的預(yù)應(yīng)力混凝土T梁數(shù)字化仿真應(yīng)用框架搭建，也為預(yù)應(yīng)力混凝土T梁的施工控制提供了新的思路。

6 結(jié)語(yǔ)

BIM技術(shù)在解決橋梁工程中的復(fù)雜問(wèn)題方面已證明其有效性和可靠性，但在橋梁全生命周期的應(yīng)用領(lǐng)域還存在較大改進(jìn)空間。深入開(kāi)發(fā)BIM技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用，可以有效地實(shí)施橋梁工程項(xiàng)目的數(shù)字化信息表達(dá)、數(shù)據(jù)交互和項(xiàng)目管理，從而提升項(xiàng)目的效率和品質(zhì)。

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[作者簡(jiǎn)介]陳超（1987—），男，陜西咸陽(yáng)人，本科，助理工程師，研究方向：橋梁隧道工程。