關于橋梁設計優化方面BIM技術的應用分析

文/劉國祥

一、BIM技術的特點

BIM技術是通過一系列的數字模型，應用三維和四維信息技術，實現了對整個橋梁工程項目進行全過程的協同設計、施工及運營管理，具有虛擬仿真橋梁結構、工程量計算和成本管理的功能，在橋梁工程中合理應用BIM技術可以有效的避免計算失誤和消除工程施工中存在的隱患。

1.可視化。

在實際橋梁工程設計中，工程結構的可視化對橋梁設計具有一定作用。在橋梁結構設計中，一些部件是由特定的線條交叉組合而成的。在傳統的橋梁設計中，結構部件的外觀需要想象力，在橋梁設計的過程中，它不能直接顯示橋梁的外觀。BIM技術可以在橋梁設計時，實現對橋梁結構的視覺化，可促使建設單位對工程設計方案做出決定，對工程建設有一定的幫助。同時，BIM模型所攜帶的信息，可以在橋梁工程生命周期的項目設計、施工、運營等過程均可以重復使用。且在BIM三維平臺上，任何橋梁構件和管線均可以清晰、直觀的展示在眼前，從而可以有效地幫助建設單位、設計單位和施工單位進行全方位的溝通、協調。

2.協調性。

在橋梁工程施工建設中，常發生構件與構件沖突、橋墩與主梁高程沖突的現象，為了解決該現象需要應有效協調各單位和協調各工序、各專業，確保施工順利完成。根據工程施工經驗可知，常發現在工程建設中由于各工序協調不到位，導致了一些過程的沖突，影響了建設項目的正常開展。而BIM技術通過三維技術可以有效地協調各專業之間的工作流程，有效地協調施工過程中的問題，減少橋梁工程施工中的不合理部位，確保橋梁工程施工項目的順利實施。

3.模擬性。

BIM技術可用于模擬橋梁工程，包括3D畫面模擬、日照模擬、能效模擬、緊急疏散模擬等，并可模擬橋梁工程施工組織，優化施工組織，減少橋梁組織錯誤造成的損失。此外，利用BIM技術可以實現4D施工模擬、5D造價模擬等與時間關系緊密聯系的模擬仿真，并能有效地控制該項目的成本。

4.可出圖性。

利用BIM技術，可以實現對橋梁工程三維模型的快速繪制，并具有出圖功能，減少橋梁結構設計人員的工作量，且可以方便施工人員快速識別圖紙，從而可以實現橋梁工程的可視化，避免二維圖紙造成的視覺誤差，促進橋梁工程的快速施工，減少工程施工的返工次數。

二、BIM技術在橋梁工程結構優化設計中的應用

1.分析橋梁結構及場地。

橋梁結構的自身穩定性、安全性與橋梁結構的設計合理性有關，同時還受橋梁工程建設場地和場地的環境以及場地的地質條件等存在較為密切的關系。BIM技術可以與地理信息相互連接，從而可以有效地模擬橋梁工程場地的狀況，并建立對應的場地模型。并對建立的場地模型進行地質條件分析，以選出最適宜的建設場址，從而提高橋梁結構的穩定性和耐久性。

2.復雜節點模型與驗算。

對于橋梁結構中復雜構造節點，可以利用BIM建出模型后導為.sat格式文件，再導入至ANSYS等有限元分析軟件中，對復雜節點進行分析驗算，再根據節點構件的受力情況判斷出該節點設計是否符合設計要求，從而保障了結構構件受力性能。若分析結果表明該節點受力不滿足要求，則需要對該節點部件進行優化設計，調整設計方案，再重新導入至有限元分析軟件中進行分析，從而保障橋梁復雜節點設計的合理性。

3.橋塔節點板件關系檢查。

由于現代大型橋梁結構造型較為新穎，對于一些節點處可能存在板件相互交錯，而單純的依靠二維圖紙無法檢查出是否存在板件沖突、碰撞等現象，而利用BIM三維模型的可視化功能，可以輕松的檢查出板件存在沖突的部位。在利用BIM建出橋梁結構三維模型后，將外部局部構件設置為透明，從而就可以較為容易的看出內部構造存在沖突的部位，且可以利用漫游視角檢查板件之間的空間關系，對存在沖突的部位進行優化設計，避免構件的沖突、碰撞現象。

4.分析橋梁結構性能。

橋梁結構設計不僅是對橋梁構件進行簡單的布置或者排列，還需要對結構的力學性能、抗震性能進行充分的分析，從而保障橋梁結構具有充足的強度、剛度。在傳統的橋梁結構進行結構分析時需要耗費較多的人力、物力以及財力，且人為分析橋梁結構力學性能，會添加人的主觀意識，導致分析結果存在一定的偏差。而利用BIM技術中的分析模塊，可以對建立的BIM模型進行數據分析，且可以對結構部件設計不足之處進行修正，從而提高了橋梁結構設計的效率，保障橋梁結構具有充足的強度和剛度。

5.原材料的BIM控制。

橋梁工程原材料性能是決定整個工程質量的主要因素。因此，橋梁工程原材料的質量管理是控制工程質量的因素之一。BIm技術可以對工程施工材料建立材料數據信息庫，對原材料進行統一規劃管理。同時，利用BIM技術可以將橋梁工程模型與工程進度計劃相互結合，詳細記錄工程項目仍一階段施工所用的材料類型和工程用量，實現了科學合理的管理工程施工材料，并可以實現了橋梁工程施工過程中方便快捷查詢施工檔案，一定程度上提高了工程效率。

此外，利用BIM技術建立的材料信息數據庫，可以查詢到工程項目施工中使用的材料信息，例如供應商、產地、材料性質等，并可依據該信息實現對施工材料進行評價分級。

6.施工人員 BIM 控制。

BIM技術的應用可以大大提高項目經理和實際運營商的工作效率，并保證項目如期完成。 BIM技術通過建立3D實體橋梁信息模型，使項目經理可以對橋梁工程有全面了解，提高管理效率，總結和分析橋梁工程可能出現的問題，然后確定項目整個過程中質量管理與控制，減少工程施工問題，降低事故不確定因素造成工程項目質量管理的可能性。通過使用BIM技術，可以使工作人員的施工任務提前展示，幫助員工在工程施工過程中高效、清晰、準確地了解需要注意的工作內容和實際施工質量控制點的，更加注重橋梁工程的施工質量，減少事故問題。

7.橋梁工程BIM模型深度制定。

施工圖設計階段的橋梁工程BIM模型應達到一定的深度，此階段的模型包含精確的數量、幾何尺寸、外觀形式、空間位置以及內部構造，適應于成本估算以及施工協調，施工進度計劃，施工進度模擬和可視化。此階段模型應包含的非幾何信息：項目基本信息、位置信息、經濟信息、技術參數信息等。橋梁工程結構模型主要技術指標（高度、層高、結構形式、荷載等級等）構件的物理性能、材質、構造、工藝要求等。

此外，針對關鍵典型混凝土構件如樁基、橫梁、立柱等建立相應的鋼筋模型，每種類型的鋼筋應附加鋼筋類型等屬性。

8.BIM技術施工信息化技術及管理系統研發。

基于BIM技術、物聯網和互聯網+等新一代信息化技術，對橋梁工程施工階段BIM項目管理信息平臺及移動應用終端，建立工程建設期BIM項目管理信息共享平臺，實現對橋梁工程建設期的遠程、動態、可視化、信息化和自動化管理。基于BIM的橋梁施工過程模擬。設計階段的模擬施工只模擬施工階段的進度管理，為施工組織提供基本參考。根據設計方案提出的施工方案，通過施工4D初步模擬，對施工設計方案可能遇到問題制定解決方案，以及施工方案的可行性和施工方案進行優化。

三、BIM 在橋梁設計階段的價值體現

1.可視化方案交流。

BIM技術使得僑聯結構設計從二維圖紙轉變為三維模型，使得橋梁結構設計走向數字化。它可以使得結構設計從而抽象、復雜的二維圖紙轉變為三維、可視化的方式展現，從而可以使得各個專業人員提前了解項目情況，并可使得建設單位對工程項目的基本情況進行掌握。

2.協同化的工作新模式。

BIM技術可以將橋梁工程的各個專業整合到一個模型中，從而改變了傳統二維圖紙分專業的設計模式。在結構設計時，前期根據不同專業和任務分工劃分子項，構件項目族庫，然后再利用相同的項目基點組合到中心文件中，從而可以協同設計，加快設計效率。

3.設計質量提升。

根據橋梁工程局部構件建模細度要求，進行建立相應的模型，并可以直接生成施工圖紙，統計施工材料，并可以減少結構設計中的沖突問題，從而一定程度上提升了結構設計的質量。

4.成本控制。

通過BIM模型對工料的計算，比利用2維圖紙計算的工料要更加準確，且工料成本計算均有計算機進行完成，減少人為參與出現錯誤的可能性，可以方便業主控制施工成本。

5.橋梁產業化發展。

通過BIM技術可以實現橋梁局部構件在預制場進行施工生產，再由拼裝而成，從而加快了橋梁工程往產業化方面的發展。

四、結論

綜上所述，在橋梁結構設計中，利用BIM技術可以實現對橋梁結構設計的可視化、協調性、出圖性，且可以實現對橋梁設計場地的分析、結構力學分析、橋梁構件材料用量等，且可以實現對工程施工人員的合理安排，從而提高橋梁結構設計的質量，保障橋梁結構具有充足的強度和剛度，促建橋梁工程的可持續發展。