BIM技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用研究綜述

劉可心　李彥婕　楊亞麗

【摘 要】BIM作為目前國(guó)內(nèi)建筑業(yè)熱門的技術(shù)之一，因其可視性、協(xié)同性強(qiáng)等特點(diǎn)展現(xiàn)出良好的應(yīng)用效果而愈加受到重視，并在建筑工程中得到廣泛應(yīng)用。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)多位學(xué)者的研究資料分析了BIM技術(shù)在橋梁工程全壽命周期的應(yīng)用以及創(chuàng)造的價(jià)值，指出目前尚待解決的問題，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

【關(guān)鍵詞】BIM技術(shù)；橋梁工程；全壽命周期

0 引言

BIM（Building Information Modeling）是以三維數(shù)字為基礎(chǔ)，集成了建筑工程項(xiàng)目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，是對(duì)工程項(xiàng)目設(shè)施實(shí)體與功能特性的數(shù)字化表達(dá)[1]。其概念于1975年首次被提出，繼而美國(guó)于2007年頒布了第一個(gè)國(guó)家BIM標(biāo)準(zhǔn)，BIM技術(shù)開始在國(guó)外廣泛應(yīng)用。BIM技術(shù)因其具有可視性、模擬性、優(yōu)化性、協(xié)調(diào)性、和可出圖性等特點(diǎn)在工程中發(fā)揮了重要作用，提高了建筑行業(yè)的效率。2001年，BIM技術(shù)開始逐步在我國(guó)建筑行業(yè)中得到應(yīng)用。上海中心大廈、中國(guó)尊等一批重點(diǎn)工程全面采用BIM技術(shù)，帶來了工作效率的顯著提升。隨著住建部發(fā)布建筑業(yè)信息化發(fā)展“十三五”規(guī)劃，BIM技術(shù)已列為重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)之一。各省市如北京、廣東、上海等各地政府也相應(yīng)出臺(tái)了相關(guān)政策推動(dòng)BIM技術(shù)的應(yīng)用。在國(guó)家政策支持和BIM技術(shù)本身具有的優(yōu)勢(shì)下，BIM技術(shù)受到廣泛關(guān)注并成為理論研究和實(shí)踐應(yīng)用的熱點(diǎn)技術(shù)之一。

橋梁工程是國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分和交通系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)。隨著城市和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，橋梁工程的規(guī)模日益擴(kuò)大，大型橋梁、特大型橋梁工程，其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)要求和多變的造型形式，使得傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和施工手段體現(xiàn)出很多弊端。同時(shí)，大量已建橋梁工程由于“老齡化”和服役條件惡化導(dǎo)致病害問題突出，安全事故日益增多，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)危橋總數(shù)已達(dá)9.4萬座，占現(xiàn)有橋梁的1/9，且今后這一比例還會(huì)不斷提高[2]。橋梁運(yùn)維階段的安全監(jiān)測(cè)和養(yǎng)護(hù)十分重要。因此，基于橋梁工程全壽命周期的精細(xì)化管理、信息化管理急需新的信息技術(shù)支撐。學(xué)者們圍繞BIM技術(shù)及其在橋梁工程中的應(yīng)用開展了大量理論研究，這些研究為BIM技術(shù)在橋梁工程全壽命周期中的實(shí)踐應(yīng)用及BIM技術(shù)的發(fā)展提供了理論依據(jù)。

1 BIM技術(shù)在橋梁工程設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

設(shè)計(jì)階段對(duì)節(jié)約投資、控制工程進(jìn)度、質(zhì)量等起著關(guān)鍵性的作用。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式下，各專業(yè)設(shè)計(jì)人員分散工作導(dǎo)致各專業(yè)工程之間容易產(chǎn)生不協(xié)調(diào)或碰撞，到施工過程中才發(fā)現(xiàn)問題，從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)變更，增加成本。而BIM技術(shù)提倡的就是協(xié)同工作，設(shè)計(jì)人員基于同一個(gè)平臺(tái)進(jìn)行信息共享和交流，改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式，通過軟件的自動(dòng)碰撞檢查不僅提升了工作效率，而且使得大量的沖突問題在施工前就得已解決，大大的降低了設(shè)計(jì)變更的數(shù)量，從而減低了工程造價(jià)。韓厚正等學(xué)者深入分析了BIM應(yīng)用于橋梁設(shè)計(jì)時(shí)在可視化、參數(shù)化設(shè)計(jì)、智能化設(shè)計(jì)、自動(dòng)化制圖和協(xié)同工作等諸多方面的價(jià)值，表明BIM在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用不僅能顯著提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，更有利于優(yōu)化和再造橋梁設(shè)計(jì)乃至全生命周期管理的流程，可極大地提升橋梁工程的建設(shè)與管理水平[3]。

BIM技術(shù)根據(jù)工程實(shí)際信息建立的三維模型，使整個(gè)橋梁工程可視化水平高，通過模型、動(dòng)畫、漫游等方式可以直觀的將設(shè)計(jì)理念傳遞給業(yè)主，便于業(yè)主方理解和決策。劉智敏等學(xué)者通過分析BIM技術(shù)在實(shí)際工程設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用，得出BIM技術(shù)可以大幅度改善業(yè)主與設(shè)計(jì)方的溝通效率，從而為優(yōu)化設(shè)計(jì)和建設(shè)階段工作奠定良好的基礎(chǔ)[4]。

2 BIM技術(shù)在橋梁工程施工階段的應(yīng)用

2.1 可視化技術(shù)交底

施工階段技術(shù)人員通常以圖紙和規(guī)范進(jìn)行技術(shù)交底，可視化程度低，交底時(shí)施工人員易產(chǎn)生理解錯(cuò)誤而導(dǎo)致施工材料浪費(fèi)或施工進(jìn)度拖延。曹旭光等研究發(fā)現(xiàn)利用BIM模型向施工單位進(jìn)行技術(shù)交底，能夠通過BIM模型的可視化性和信息性向施工人員詳細(xì)介紹設(shè)計(jì)思路，對(duì)施工危險(xiǎn)、施工難度大的地方進(jìn)行協(xié)調(diào)修正，避免實(shí)際施工工藝與施工圖紙產(chǎn)生分歧的情況，從而避免施工浪費(fèi)與質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的問題[5]。

2.2 施工模擬與施工工序的優(yōu)化

與普通建筑工程相比，橋梁工程的施工環(huán)境多變，對(duì)施工方案要求高，因環(huán)境等客觀因素導(dǎo)致的不可預(yù)測(cè)因素較多，難以保證施工方案的可行性。基于BIM技術(shù)可以進(jìn)行橋梁工程的施工模擬。即施工前根據(jù)施工方案將BIM模型進(jìn)行切分、定義BIM模型的時(shí)間、位置、資源需求等參數(shù)，在計(jì)算機(jī)中模擬橋梁建造過程[6]。用這種方法，將施工時(shí)間作為單位，對(duì)施工進(jìn)行模擬，同目前施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境相結(jié)合，及時(shí)調(diào)整工程情況，從而對(duì)不同的施工方案進(jìn)行調(diào)整[7]。李紅學(xué)等結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目利用BIM技術(shù)和模擬技術(shù)，將橋梁三維模型與施工方法有效集成在一起，進(jìn)行橋梁施工工序的模擬，指出應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行生動(dòng)、直觀的過程模擬，可以對(duì)橋梁的復(fù)雜工序進(jìn)行細(xì)化分析，進(jìn)而對(duì)施工工序進(jìn)行優(yōu)化，施工人員可以有效分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)的施工工序是否合理、預(yù)制構(gòu)件的吊裝程序是否合理[8]。

2.3 施工管理優(yōu)化

傳統(tǒng)管理思想是一種被動(dòng)管理，即等待問題發(fā)生后再采取相應(yīng)措施，而基于上述可視化技術(shù)交底和施工模擬，項(xiàng)目管理人員可以提前發(fā)現(xiàn)工程中出現(xiàn)的問題并及時(shí)解決，做到事前管理，提高管理效率和管理水平。王鳳琳等學(xué)者結(jié)合襄陽漢江三橋工程、武漢江漢六橋工程實(shí)例，將BIM技術(shù)應(yīng)用于工程項(xiàng)目的施工管理、成本控制，采用Revit軟件和Tekla 軟件創(chuàng)建三維模型，導(dǎo)入Navisworks軟件中進(jìn)行整合、分享和審閱，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)圖紙交底、技術(shù)方案優(yōu)化、機(jī)械設(shè)備協(xié)同和物資材料管控[9]。除此之外，在以往三維模型加時(shí)間維度的4D模型基礎(chǔ)上，5D模型再與成本相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了包括物料、施工進(jìn)度、資金流量等方面的施工階段的動(dòng)態(tài)管理。

3 BIM技術(shù)在橋梁工程運(yùn)維階段的應(yīng)用

橋梁工程的運(yùn)營(yíng)階段在橋梁工程全生命周期里是耗時(shí)最長(zhǎng)、信息量和管理的工作量最大的一個(gè)階段，這一階段的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出建設(shè)階段的時(shí)間，同樣的該階段的成本大約占建設(shè)項(xiàng)目全壽命周期的55%～75%[10]。因此有效控制和管理該階段十分重要。

橋梁工程結(jié)構(gòu)體量大，施工環(huán)境多變，而在運(yùn)營(yíng)階段，所需的信息量更大，參與的人員更廣。在傳統(tǒng)橋梁工程中，由于不同階段涉及專業(yè)眾多，在信息的建立與傳遞過程中容易造成數(shù)據(jù)丟失，對(duì)后期橋梁的運(yùn)營(yíng)維護(hù)造成較大的困難。李亞君研究分析了基于BIM技術(shù)的橋梁工程運(yùn)營(yíng)精益管理、基于BIM技術(shù)的協(xié)同工作平臺(tái)和其他一些應(yīng)用，指出通過構(gòu)建基于BIM技術(shù)的協(xié)同工作平臺(tái)，并結(jié)合計(jì)算機(jī)“云”技術(shù)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將實(shí)時(shí)的橋梁運(yùn)營(yíng)信息以共享的方式傳遞到各個(gè)參建方和相關(guān)管理部門，讓各方及時(shí)獲取相應(yīng)信息并制定下一步?jīng)Q策[11]。

橋梁養(yǎng)護(hù)作為后期運(yùn)維的重點(diǎn)之一，一直以來受經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件限制，存在“重建輕養(yǎng)”現(xiàn)象，而BIM技術(shù)的到來一定程度上解決了技術(shù)上的問題。沈海華等在分析中國(guó)公路橋梁管理系統(tǒng)（CBMS）的基礎(chǔ)上，初步探討B(tài)IM技術(shù)與地理信息系統(tǒng)（GPS）相結(jié)合的應(yīng)用模式及可視化橋梁養(yǎng)護(hù)信息的實(shí)現(xiàn)方式，結(jié)合橋梁信息模型的特點(diǎn)，分析了建立專家輔助決策系統(tǒng)的可能性，為BIM在橋梁養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)中的應(yīng)用發(fā)展提供參考[12]。BIM技術(shù)不僅可以在一個(gè)完整橋梁項(xiàng)目的運(yùn)維階段發(fā)揮明顯成效，還可以有效解決既有橋梁工程運(yùn)營(yíng)維護(hù)的難題。周紅波等提出了解決既有橋梁建筑信息模型快速重建關(guān)鍵技術(shù)，解決了既有橋梁建筑信息模型創(chuàng)建問題；進(jìn)而借助項(xiàng)目案例，完整地展現(xiàn)從既有建筑信息模型到運(yùn)維管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)路線，為既有橋梁建筑以及其他類型既有建筑的BIM技術(shù)應(yīng)用找到了一條全新道路[13]。

4 橋梁工程量統(tǒng)計(jì)

傳統(tǒng)橋梁工程中其工程量和造價(jià)主要依靠人工計(jì)算，其工作量大、校核時(shí)間長(zhǎng)、精準(zhǔn)度及效率較低。不同專業(yè)造價(jià)人員的參與容易造成信息冗余和共享困難的現(xiàn)象。引入BIM技術(shù)后，各階段工程量及造價(jià)不僅可以通過軟件進(jìn)行快速準(zhǔn)確的計(jì)算，還可以將每個(gè)階段的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，為下一階段提供數(shù)據(jù)支撐，更便于校核與調(diào)取。汪杉通過Revit以橋梁變髙箱梁為例，指出在配筋完成之后，通過BIM得出的工程量數(shù)據(jù)不僅可以估算橋梁造價(jià)，為方案擬定提供真實(shí)可靠依據(jù)，還可以為以后施工階段編制施工圖預(yù)算提供數(shù)據(jù)支撐[14]。

5 結(jié)語

BIM技術(shù)作為現(xiàn)階段橋梁工程中最熱門的技術(shù)之一，其應(yīng)用效果突出于可視化、模擬、協(xié)同性強(qiáng)等特點(diǎn)必定使得該項(xiàng)技術(shù)在未來建造工程中擔(dān)任愈加重要的角色。比起房屋建筑領(lǐng)域，BIM技術(shù)在橋梁工程中的研究應(yīng)用尚處于起步階段。目前鮮有較完整的應(yīng)用案例，多數(shù)研究?jī)H集中于BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)階段和施工模擬中的應(yīng)用。而BIM技術(shù)在橋梁后期監(jiān)測(cè)和維護(hù)中的應(yīng)用尚存在很大的研究空間。設(shè)計(jì)階段BIM應(yīng)用的核心是模型建立，而目前橋梁工程方面的軟件針對(duì)性不強(qiáng)，建模效率較低。除此之外，目前企業(yè)中缺乏具有相應(yīng)能力的專業(yè)BIM團(tuán)隊(duì)，缺乏統(tǒng)一的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，將BIM理論運(yùn)用到實(shí)際工程中還存在較大距離。今后對(duì)橋梁工程等大型基礎(chǔ)設(shè)施工程的軟件開發(fā)方面值得更加深入的研究，同時(shí)也應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)人才的培養(yǎng)。相信在國(guó)家政策的指導(dǎo)下，隨著研究力度和深度的加大，BIM技術(shù)將會(huì)在橋梁工程全壽命周期中展現(xiàn)更大的價(jià)值。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]