BIM技術在橋梁設計中的應用研究

王吉文，夏 楓

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

BIM技術在橋梁設計中的應用研究

王吉文，夏 楓

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

分析BIM技術的優勢和應用特點，詳細總結橋梁設計的基本特征和難點，從而明確了應用BIM技術對橋梁設計的改造優化。從可行性和施工圖兩個階段詳細總結了BIM在橋梁設計中的應用，凸顯基于BIM的全壽命管理理念。

BIM；橋梁設計；全壽命；應用研究

0 引言

BIM即建筑信息模型（Building Information Model,BIM），已成為近年來整個土木工程領域發展的熱門。BIM利用計算機技術采用可視化手段呈現結構立體特點，由于這種可視化的信息模型可以應用于全壽命設計的各個階段，從而極大地改善了目前二維模型信息溝通困難、執行效率低、工作量大等問題。BIM技術最初在建筑結構領域大力發展，近年來開始廣泛應用到橋梁工程、地下工程、水利工程等領域[1,2]。

BIM技術可以應用的范圍非常廣泛，包括最初的可視化設計、參數化建模、碰撞檢查、工程量統計和成本估算，發展到現在的安全分析、施工進度設計、現場施工管理及運維管養等，可以看到BIM技術發展得更加深入和廣泛[3]。橋梁結構具有構件類型多、施工環境復雜、設計施工及管養沒有高度協調的特點，相關學者已經引入BIM技術解決橋梁設計、施工和運維的問題，例如復雜橋梁可視化設計、橋梁施工全過程4D設計和基于BIM的運營橋梁病害分析等方面，但還未形成系統的基于BIM的橋梁設計方法。

本文首先探討BIM技術優勢和應用特點，其次分析橋梁結構的設計特點以及BIM的應用前景，最后詳細探討了基于BIM的橋梁設計方法和應用，以期推進BIM技術在我國橋梁設計中的應用與實踐。

1 BIM技術優勢和應用特點

BIM是在計算機基礎上，利用數字化方法，對建筑工程項目全周期（設計、施工、運營）中的信息進行建模的過程。BIM建模的整體思路是：首先進行信息識別，并把握住信息的質量要求，然后進行信息的采集、處理和利用，最后實現BIM模型的建立。BIM的實施，通過產生高質量信息數據，同時高效率地交流項目信息，必然提高建筑工程的工作質量，提高項目參與者的效率，節約材料、人力和資金，實現可持續發展。

BIM模型中的信息必須滿足一定的質量要求，這是整個BIM模型發揮價值的根本，也是BIM模型質量要求的基礎。BIM的應用價值體現在以下幾個方面：（1）參數化。在BIM中，采用參數化建模，在各信息之間建立相關性，能夠做到一次創建、多次利用，一處修改、智能聯動。（2）可視化。BIM中可以做到在橋梁全生命周期中的可視化，包括橋梁結構的3D可視、施工設計方案可視、施工實際過程可視。（3）節約成本。利用BIM，可以實現各設計與施工方案之間的成本對比，進行成本估算，合理分配資源。（4）加快進度。利用BIM，可以實現各設計與施工方案之間的進度對比，進行項目進度分析，合理調整進度。（5）提高質量。在工程項目中，BIM有著廣泛應用，可以進行碰撞檢測、安全性分析、綠色建筑分析等，從而有效提高工程的質量。因此通過應用BIM技術平臺，可以極大優化和改善現有的技術和方法。

2 橋梁設計特點與BIM應用分析

2.1 橋梁設計特點

橋梁是線形結構體系，其設計涉及大量構件，為了滿足橋梁的安全要求，往往對各類構件及構件之間的連接要求較高，這使得構造更加復雜。在復雜的結構設計要求下，往往很容易出現沖突，例如配筋、連接、安裝等，這些沖突對于預制安裝的橋梁構件更加顯著。

隨著我國工業化建設的發展，越來越多的橋梁結構開始將現場澆筑施工轉移到工廠預制和現場裝配，從而通過工廠高效率和高質量的流水線式制造技術，保證橋梁構件的施工質量，同時極大減少了現場作業帶來的資源浪費和環境污染問題。工廠預制構件在現場進行連接裝配，形成結構體系。這就要求各種連接構件在設計圖紙下能夠很好地進行匹配連接，而一旦連接質量不能達到要求，或者出現不能連接的問題，則直接影響整個公路橋梁的建設質量。

然而，目前我國的橋梁工程設計，仍然依賴傳統的二維設計圖紙，通過合并不同構造圖、詳圖和總圖等檢查可能的沖突及構造不合理之處。這種設計理念對工業化建造體系下的裝配式橋梁施工配合效率低下，一旦在施工中發現構造沖突和不合理，只能通過修改設計圖紙和現場施工調整的方式解決，造成工期拖延和不經濟。綜合以上分析，根據BIM技術特點，應用BIM技術對于橋梁設計具有很大的改進和促進意義。

2.2 BIM在橋梁設計中應用分析

綜合分析BIM技術特點和優勢，根據以上對橋梁設計特點的分析，應用BIM技術可以極大地改造和優化橋梁設計。

首先，橋梁BIM模型提供了橋梁全壽命過程的可視化信息模型，為全壽命分析與計算提供了基礎，也為各種信息的溝通提供了直接載體，提高了管理效率。

其次，橋梁BIM模型為設計的合理性提供了檢驗標準。通過BIM模型可以對設計構造進行直觀評判，有利于設計的優化，同時有利于各種設計的檢錯查重，提高了設計方案的實施性。

再次，橋梁BIM模型為設計材料通算、結構安全分析、施工方案擬定等都提供了基礎方法，具有深遠的影響和意義。

因而，需要充分利用BIM技術這一優勢，將其應用于橋梁工程領域中，進一步促進該技術對橋梁設計與施工的改造，實現前沿發展。

BIM技術改造升級現有的二維圖紙設計，其基本流程如圖1所示。首先，通過對初始二維圖紙的收集工作，獲得橋梁結構的基本信息，并以此構件三維模型圖；其次，通過對三維模型圖的檢錯分析和可視化分析，確定圖紙中可能存在的碰撞問題和遺漏問題，并以此進行調整修改二維圖紙，這就融合了BIM技術；最后，通過上述階段的反復調整和修改，直到不出現設計問題，完成橋梁的設計工作。

圖1 基于BIM的橋梁設計優化流程

3 基于BIM的橋梁設計應用

根據BIM技術特點和橋梁設計現狀，可以在橋梁設計的可行性階段和施工圖階段應用該技術，促進橋梁設計可持續性和全壽命周期性。

3.1 可行性階段的應用

橋梁可行性階段主要是方案的設計，方案設計的目標就是確定橋式方案和總體的構想，如橋梁平面、斷面、立面等。在可行性設計中涉及到多個方案的比選分析，往往需要較長的時間，而方案的設計精髓需要非常準確地傳遞給業主。這時候，BIM技術就體現了其三維可視化優勢，不同橋型方案的BIM模型直接提供了設計者的構思方法，而且可以很方便地轉化為立面圖、平面圖和斷面圖。另外，BIM模型實現了對所有構件的精細化建模，不僅能呈現三維信息模型的各個細節，還能實現材料的統計，節約大量時間。

圖2是某拱橋初步設計方案的BIM模型，通過該BIM模型可以直觀清楚地確定橋梁的空間形態和建成姿態，也可以很清楚地分析其中的設計施工難點，還可以明確橋上車輛的運營狀況，這為設計方案的選擇提供了很好基礎。

圖2 某拱橋初步設計方案的BIM模型

3.2 施工圖階段的應用

橋梁施工圖階段就是確定了初始方案后對方案進行全面完善的階段，這個過程中需要明確橋梁的設計功能、運營要求、施工方法等，因此需要為橋梁的建設和后期管理養護提供直接的圖紙參考，需要做到圖紙盡可能詳細準確。綜合而言，施工圖階段的BIM技術應用應該體現在設計優化、施工方案擬定與優化、管理優化三個方面。

（1）設計優化

橋梁施工圖設計不僅需要對主要承載力構件的尺寸、連接、截面構造等進行詳細勾畫，還需要對附屬結構的位置、連接方法、局部構造等進行明確。這就是大量的構件放樣問題。此外，橋梁結構除了作為車行系統之外，很可能布設有管道等，則需要將管道與橋梁空間位置確定，使得不出現構件的重合和重疊，降低施工操作的難度。因此，在橋梁的設計階段，需要利用BIM模型進行檢錯撿漏，核查所有的設計標準，確保連續性，保證各種構件的設計位置匹配，不出現沖突問題。

由于施工圖設計階段涉及到很多構件，一旦發生設計問題，如果采用傳統的二維圖紙設計，則需要進行大量的修改工作，且往往顧此失彼。采用BIM模型后，相關更改直接在BIM模型中進行修改，對應的橋梁立面、斷面、平面、局部構造等圖紙直接進行更改，且材料用量等也隨著自適應更改，極大地提高了設計效率。這一技術在建筑領域有非常顯著的效益，據統計，77%的企業遭遇因圖紙不清或混亂而造成項目的投資損失，其中有10%的企業認為該損失可達項目建造投資的10%以上，43%的施工企業遭遇過招標圖紙中存在重大錯誤，改正成本超過100萬元。因此可以預見，利用BIM技術進行橋梁施工圖深化核對，可以減少因為圖紙信息不明確造成的施工錯誤。

（2）施工方案擬定與優化

BIM模型提供全三維的橋梁信息模型，由于橋梁結構狀態與施工方法直接對應，不同施工工法所形成的橋梁狀態和結構構造、配筋等均不相同，因此橋梁施工過程非常重要。依據BIM模型，可以很方便地模擬橋梁的施工過程，這種施工過程也是非常直觀的。如果把這種施工過程直接傳遞到有限元模型進行結構安全性分析，則可以非常簡便地比較不同施工工法下的橋梁狀態差異性和施工組織復雜性，這就為橋梁施工方案的擬定提供了直接基礎，還可以基于現有的施工方案進行優化，提高工作效率和質量。

（3）管理優化

橋梁BIM技術的核心是提供了橋梁全壽命決策的基礎模型，因此在設計階段就提供了施工和運營階段的所有信息，為管理提供了優化基礎。首先，提供了施工組織方法。BIM技術使得各種橋梁信息都能夠動態地呈現，因此可以通過建模模擬，確定合理的工種作業區間劃分，從而確定最適宜的人、機、料分配，優化施工組織過程，形成資源的優化分配，提高施工效率。其次，提供了成本、進度和質量管理方法。橋梁施工中所涉及到的原材料、施工機械設備使用費、工人工資和施工管理發生的費用等通過BIM模型可以實現精確計算，相應的施工工期也能很方便確定。最后，提供了管理和養護的優化方法，基于BIM技術可以確定管理養護周期，每次養護重點，實現全方位覆蓋。

4 結語

BIM技術是目前土木工程領域的革新技術，有望改善橋梁設計效率和全壽命管理方法。論文探討了BIM技術特征和應用特點，并分析了橋梁設計特點，從而明確了BIM在橋梁設計中的應用前景和方向，從可行性和施工圖階段詳細總結了BIM技術的應用方法，以期促進BIM在橋梁領域的應用和發展。

[1]隋振國,馬錦明,陳東,等.BIM技術在土木工程施工領域的應用進展[J].施工技術,2013,42(S2):161-165.

[2]李紅學,郭紅領,高巖,等.基于 BIM的橋梁工程設計與施工優化研究[J].工程管理學報,2012(6):48-52.

[3]鄭國勤,邱奎寧.BIM國內外標準綜述 [J].土木建筑工程信息技術,2012(1):32-34.

U442.5

B

1009-7716（2017）10-0078-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.10.022

2017-04-17

王吉文（1980-），男，湖南邵陽人，工程師，從事市政路橋設計工作。