橋梁工程全生命周期中BIM技術的研究和應用

新疆龍口一號大橋剛構橋方案

新疆龍口一號大橋拱橋方案

近年來，BIM（Building Information Modeling）技術在公路建設和養護中開始受到廣泛重視并開始試點應用。與建筑、市政、鐵路領域相比，公路領域開展BIM研究和應用較晚，但是發展勢頭迅猛。2014年，中交集團立項特大科研項目，組織集團重點企業進行技術攻關。BIM技術在項目上的應用，已經從最初的重點集中于規劃設計階段的方案展示、碰撞檢查、三維模型制作，逐步發展到施工進度、質量管理和成本管理，再到運維階段的建養一體化管養平臺，逐步展示出通過BIM技術手段在工程全生命周期實現信息傳遞、共享、使用帶來的巨大效益。

中交公路規劃設計院有限公司（簡稱“中交公規院”）與公路長大橋建設國家工程研究中心依托重點橋梁項目，對BIM技術在工程全生命周期中進行了研究和應用，目前已形成一整套應用流程。

規劃設計階段BIM技術應用

地形地質模型及結構模型

橋梁規劃設計階段，主要工作在于建立橋址處及道路沿線地形和地質模型，以及橋梁結構模型。首先是建立地形模型，目前實現獲取地形模型所需圖像信息的方式主要有衛星圖片、航拍、無人機拍攝、激光掃描等。衛星圖片是最容易獲取的信息，但是因衛星圖片精度的限制（目前，民用衛星圖片精度是平面精度10米、垂直精度5米），這樣形成的地形模型精度無法達到工程要求。航拍、無人機拍照、激光掃描，在精度上都可以達到工程要求。實際應用表明，對于如基坑開挖防護等小范圍地形抽模，旋翼式小型無人機即可勝任，但是如高速公路等大范圍地形建模工作，大型固定翼無人機是更好的選擇。

通過將工程模型與場地模型相結合，可以在投標和方案研究階段非常直觀方便地選擇和優化工程方案。中交公規院完成了新疆龍口一號大橋剛構橋方案和拱橋方案的比較。

大連灣跨海大橋設計方案VR展示效果

工程的總體方案基本確定后，往往要優化結構細節，這時采用虛擬現實（VR）技術是一個很有競爭力的做法，VR技術強大的顯示能力，能夠讓業主直觀感受到設計方案的真實效果。中交公規院負責設計的大連灣跨海大橋，應業主要求對比多種傾斜角度（0度、5度、7度）的橋塔方案，采用VR技術向業主方案匯報時，直觀地展示了各種傾斜角度的橋塔在車行和船行兩個視角下的視覺效果，使業主迅速敲定最終設計方案。目前，該項技術同樣在西江大橋等多座大橋的方案展示中得到應用。

參數化建模

參數化建模是BIM設計的趨勢。通過建立土木工程結構的標準構件庫（如箱梁、橋塔、墩身、基礎等），可實現快速參數化建模。同時，符合規則的標準化建模方式是實現下文所述設計計算一體化的關鍵。標準構件庫（族庫）隨著工程實例的增加而不斷完善，最終會成為一個單位的核心競爭力之一。尤其在方案研究階段，豐富的族庫可以非常高效地完成方案比選工作。

碰撞檢查

碰撞檢查是BIM技術的一個突出優勢，主要分幾何碰撞和時間流程碰撞兩類。在設計階段主要針對的是幾何碰撞，對于橋梁設計而言，主要是結構的碰撞、鋼筋及預應力筋的碰撞、機電管線的碰撞。采用BIM技術正向設計，碰撞檢查可以有效地發現設計中的問題，大大提高設計質量。

參數化構件信息表

族庫

梁內配筋碰撞檢測

設計分析一體化

工程師們在設計階段往往會面對方案的多次修改，修改后的方案需要重新總體計算以驗證合理性。此時，如果設計模型不能直接用于總體計算，而需另行建立一個總體計算模型，效率將大大下降，同時兩個模型的一致性往往因為人為因素而出現錯誤。因此，BIM技術與結構分析軟件一體化融合技術，一直是國內外軟件廠商研究的熱點，中交公規院希望實現用一個模型同時完成設計和總體計算工作。但由于橋梁BIM模型是實體模型，而總體計算模型是簡化模型，需要將實體模型抽象成空間梁單元，并做多方面的減化考慮。因而，目前BIM技術與分析一體化融合在橋梁應用上仍存在較大難度，沒有針對橋梁推出成熟的商業化應用。

BIM參數化建模腳本自動生成Osis命令流

中交公規院基于自主研發的三維非線性計算分析軟件OSIS，編制了一套可參數化的命令流語言，通過修改參數來驅動橋梁模型，實現有限元模型的快速修改，以參數化的命令流為核心，完成BIM建模軟件與分析軟件的互通。通過參數化建模軟件Dynamo提供的Python語言，將參數化腳本文件自動生成OSIS軟件能夠識別的命令流，從而根據BIM模型在分析軟件OSIS中生成節點、截面，并添加邊界條件，自動建立有限元模型，用于結構總體計算。當BIM模型修改時，有限元總體計算模型會自動修正，實現了BIM參數化建模與有限元總體計算的統一。

三維模型二維出圖

由于長期以來形成的習慣，工程師們還是離不開二維圖紙，如何利用三維BIM模型快速并符合一般制圖規定地批量生成二維圖紙，是亟需提升的關鍵技術之一。中交公規院依托鋼橋通用圖項目，基本解決了二維出圖問題，除總體布置圖等少量圖紙，已能完成大部分二維圖紙的出圖。

施工階段BIM技術應用

設計階段生成的BIM模型與施工階段無縫銜接，是應用BIM技術的一個重要目標。利用模型指導預制構件的生產、施工工藝的檢驗，并管理施工進度、質量、成本等，根據施工的實際情況修正BIM模型，最終完成用于數字化交付的施工模型。

鋼構件預制和拼裝

最終接頭tekla模型（含舾裝設備）

數控機床下料切割

中交公規院主持設計的港珠澳大橋采用橋-島-隧形式，其中沉管隧道最終接頭的設計和施工是港珠澳大橋建設中的一個關鍵問題。為保證最終接頭的加工精度，中交公規院與振華重工合作，實現了BIM模型在設計和預制環節的無縫銜接。將用Tekla軟件制作的BIM模型導入數控機床，采用自主研發軟件自動進行工藝余量添加，通過半自動套料排版（該環節目前仍需人工干預），直接用于數控機床的自動化下料切割，并利用BIM三維模型自動生成鋼結構深化設計詳圖（整體布置圖、零件圖、構件圖和節段圖等）和各種報表，以利于鋼構件拼裝。這一技術顯著提高了新型整體預制安裝式最終接頭的生產效率和精確度，縮短了設計和施工整體工期，保障了最終接頭的成功沉放對接。

施工管理平臺

施工階段BIM應用的關鍵是展示完整施工過程的BIM模型和相應的施工管理平臺，可進行工程結構的虛擬施工模擬、構件管理、施工進度管理、施工質量管理及計量支付管理。通過虛擬施工模擬，在實際施工前便能了解整個項目施工的過程、結果以及對應的工程量，為實際工程項目施工提供經驗和最優的可行方案。

將BIM模型附加施工進度計劃屬性參數，形成4D模型，從而直觀展現計劃建造過程，并通過手機、iPad等終端溝通施工方、監理方和管理者，通過反饋的實際施工信息分析其與進度計劃的偏差，合理糾偏并調整進度計劃，使管理者對工程量及進度影響一目了然。根據計劃和實際進度，計算整個工程、任意WBS節點、3D施工段或構件，在任意時間范圍的工程量及累計工程量，為計量支付提供工程量依據。中交公規院在鋪前大橋、平塘大橋、西江大橋等項目中嘗試了基于BIM的施工管理。

在結構施工完成以后，復核構件質量。根據復核結果修正BIM模型，形成一個真實反映建筑物的竣工模型和包含質量、設備、文檔等信息的數據庫，這些將作為施工數字化交付成果移交到運維階段。

橋梁運維階段評估管理流程

施工結束后交付的BIM模型中，記錄了施工中的受力、變形及初始缺陷等信息，運維階段將施工交付的BIM模型導入統一的建養一體化運維管理平臺，作為初始運營監測模型，這項工作可以替代傳統的運維開始階段的零狀態檢測。將健康監測系統相關信息也納入建養一體化運維管理平臺，并通過巡檢系統獲得的橋梁實際狀態結果，修正橋梁模型，通過監測系統獲得的環境變量作為外荷載輸入計算分析橋梁靜動力，為橋梁運營狀態的安全評估、預警及決策，自動提供管養方案。基于維修加固信息實時修正BIM模型以保證運維模型的長期準確性，綜合各類運維信息給出橋梁的全生命周期成本評估，實現了管養的信息化、智能化、精細化。

橋梁建養一體化云平臺

目前，中交公規院與公路長大橋建設國家工程研究中心建立了基于BIM的橋梁建養一體化云平臺，硬件設備主要是監控大廳和橋梁云數據中心，軟件系統由橋梁運維BIM模型、橋梁實時感知系統和遠程傳輸系統、數字化巡檢系統、橋梁評估及預警決策系統組成。

橋梁施工管理平臺示意圖

BIM模型運維階段數據流動示意圖

建養一體化云平臺中，橋梁運維BIM模型通過將建設期形成的橋梁BIM模型與運維期監測系統模型相融合，形成運維期橋梁BIM模型。橋梁實時感知系統和遠程傳輸系統，針對多災害作用下橋梁工程發生的災害行為及后果，采用并發采集技術和遠程高效傳輸技術，建立多災害實時感知與傳輸子系統、橋梁監測數據庫系統，為感知結構響應、預測災變行為提供數據支撐；數字化巡檢系統由智能化巡檢運營養護管理系統和移動端App系統組成，實現了從數據采集、養護計劃、巡查檢查、養護檢測評定、日常養護、養護工程等的養護業務全過程的信息化管理；橋梁評估及預警決策系統利用大數據方法，分析挖掘管養數據，實現基于監測與檢測數據的橋梁性能綜合評估。目前，橋梁建養一體化云平臺已實時監控全國20多座特大橋梁。嘉紹大橋根據監測檢測數據得到剛性鉸位移和應力分析的結果，與縱向位移計算結果完全吻合，證明了這套系統的有效性。

中交公規院通過自主研發和吸收引進相結合，已初步實現了BIM技術在橋梁工程全生命周期的應用，但還有很多技術難點需要攻克。未來，中交公規院將積極推動BIM正向設計，繼續重點深入研究BIM技術與結構分析軟件一體化融合技術、施工管理平臺、建養一體化云平臺等，并積極參與BIM標準規范編制，推動BIM技術在工程建設領域的廣泛應用。