BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)維中的應(yīng)用

文/毛瑞麒 峽江中學(xué) 江西吉安 331409

傳統(tǒng)土木工程行業(yè)在力學(xué)理論和施工實(shí)踐上已十分成熟和完善，但是這些土木工程如橋梁工程施工的標(biāo)準(zhǔn)化和效率化有待近一步提高，以BIM技術(shù)為代表的信息化技術(shù)的推進(jìn)和發(fā)展對(duì)橋梁等土木工程行業(yè)具有重大影響，主要體現(xiàn)為：BIM技術(shù)在橋梁工程的設(shè)計(jì)階段、施工階段及運(yùn)維階段的關(guān)鍵應(yīng)用。

在針對(duì)橋梁工程進(jìn)行BIM技術(shù)的應(yīng)用之前，需要先對(duì)BIM技術(shù)的定義和歷史發(fā)展做深刻和準(zhǔn)確的理解。BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技術(shù)是以工程建筑項(xiàng)目的三維數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)模擬建立構(gòu)筑物模型，并附加相應(yīng)屬性信息 [1]。BIM 技術(shù)起源于20世紀(jì)末的建筑計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)，由美國(guó)Chuck Eastman 博士提出。它是一種數(shù)據(jù)可視化工具，用于工程前期設(shè)計(jì)和后期建造管理，項(xiàng)目的各項(xiàng)信息可以通過參數(shù)模型進(jìn)行融合。信息的的共享和傳遞貫穿在項(xiàng)目前期設(shè)計(jì)、中期運(yùn)行和后期維護(hù)的過程中，可以幫助工作人員正確理解和高效應(yīng)對(duì)各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)，為各方建設(shè)主體提供協(xié)同工作的基礎(chǔ)，包括設(shè)計(jì)師隊(duì)伍和建筑運(yùn)營(yíng)單位，在縮短工期和節(jié)約成本有著重要作用[1]。隨著時(shí)間發(fā)展，其越來越成熟，越來越多的建筑企業(yè)將目光投向BIM技術(shù)；目前BIM技術(shù)正處于概念階段轉(zhuǎn)向?qū)嵺`階段的重要時(shí)期。

1、BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)上的應(yīng)用

在方案設(shè)計(jì)階段，橋梁設(shè)計(jì)方面的工作量比較大。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)表達(dá)方式，以圖紙和材料的統(tǒng)計(jì)工作為例，具有繁瑣復(fù)雜和容易出錯(cuò)的特點(diǎn)。此外，橋梁設(shè)計(jì)的好壞和細(xì)節(jié)直接決定了施工工藝環(huán)節(jié)是否嚴(yán)謹(jǐn)，因此，如果能在前期設(shè)計(jì)階段模擬出橋梁的三維動(dòng)態(tài)施工過程，可以盡可能地規(guī)避設(shè)計(jì)付諸實(shí)際時(shí)在施工中產(chǎn)生額外問題。在橋梁設(shè)計(jì)階段，充分利用BIM技術(shù)，能夠提高施工效率和施工質(zhì)量，保障合理施工周期。

1.1 橋梁設(shè)計(jì)階段前期

設(shè)計(jì)階段包括設(shè)計(jì)階段前期和設(shè)計(jì)階段后期[2]，在設(shè)計(jì)階段前期，構(gòu)建模型是應(yīng)用BIM技術(shù)的核心，故在橋梁設(shè)計(jì)前期，應(yīng)先以基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)建模型，再在三維模型上，根據(jù)數(shù)據(jù)的不同屬性及其組合，實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用[2]（見圖1）。其中主要有：（1）模型的力學(xué)和幾何分析，（2）各個(gè)平面的視圖 ，（3）工程量計(jì)算，（4）總體的展示，（5）模擬施工。可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，將其整體動(dòng)態(tài)化，直觀地將設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)規(guī)劃和參考數(shù)據(jù)等以三維可視化模型展現(xiàn)給項(xiàng)目決策者，甚至可在設(shè)計(jì)階段前期中加入成本控制信息和時(shí)間變化，進(jìn)行5D的設(shè)計(jì)模擬，極大地方便了項(xiàng)目決策者進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的調(diào)整，使得前期的橋型橋式方案設(shè)計(jì)十分方便快捷。

圖1 橋梁設(shè)計(jì)前期舉例

1.2 橋梁設(shè)計(jì)階段后期

在設(shè)計(jì)階段后期中，BIM需要完成設(shè)計(jì)出圖。由于橋梁的空間關(guān)系交錯(cuò)復(fù)雜，傳統(tǒng)的二維圖紙中，用不同的圖紙表示不同的結(jié)構(gòu)，易在設(shè)計(jì)中形成部分部件的重疊，整體模型的缺失等問題[3]；BIM技術(shù)可完美地解決這些問題，基于BIM技術(shù)的特性，以整體構(gòu)建模型，和以三維可視化的形態(tài)顯示，解決了二維圖紙易形成的部件重疊、模型缺失的問題；在后期處理中，傳統(tǒng)的二維圖紙一旦出錯(cuò)（見圖 2），則需要大量的精力去修改，可謂是牽一發(fā)而動(dòng)全身，而且錯(cuò)誤不易被發(fā)現(xiàn)，但若BIM技術(shù)的圖紙出錯(cuò)，可清楚地發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤處，及時(shí)修改，而且只需要修改錯(cuò)誤部分，其余與之相關(guān)聯(lián)的部分也會(huì)一并調(diào)整，十分方便。

圖2 橋梁設(shè)計(jì)后期：結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤

綜上所述，在橋梁設(shè)計(jì)方面，由傳統(tǒng)的CAD二維圖紙技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)锽IM技術(shù)可謂是大勢(shì)所趨，堪稱是一次技術(shù)革命。

2、BIM技術(shù)在橋梁施工上的應(yīng)用

2.1 橋梁施工進(jìn)度控制

BIM技術(shù)的特性，是以三維可視化圖像顯示。對(duì)于施工單位來說，充分理解設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)意圖和設(shè)計(jì)風(fēng)格，可避免由于施工單位與設(shè)計(jì)師的理解分差而導(dǎo)致施工質(zhì)量的下降。同時(shí)也可以有效地發(fā)現(xiàn)施工中的難點(diǎn)和設(shè)計(jì)圖中的不合理之處，減少施工錯(cuò)誤產(chǎn)生和資源浪費(fèi)。在應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行建設(shè)工程施工進(jìn)度控制的過程中，首選需要建立一個(gè)自主的BIM系統(tǒng)。為在實(shí)施階段盡可能地保證在各參建主體之間暢通無阻地傳遞項(xiàng)目信息，各個(gè)職能部門能夠協(xié)同操控和調(diào)用，一個(gè)主要的需求是建立項(xiàng)目集成控制平臺(tái)，基本管理對(duì)象為建設(shè)項(xiàng)目，基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建協(xié)同的業(yè)務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同三跨（地域、企業(yè)和部門）管理，最終達(dá)到信息資源共享的目標(biāo)，進(jìn)而通過建立BIM平臺(tái)，進(jìn)行模擬施工，加快施工進(jìn)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)建設(shè)工程項(xiàng)目施工進(jìn)度的良好控制和管理。

2.2 橋梁施工成本控制

工程、人工、材料和機(jī)械控制等四個(gè)控制是橋梁施工階段成本控制的主要內(nèi)容[4]。同時(shí)，基于線性回歸、指數(shù)平滑、偏差分析、灰色預(yù)測(cè)的方法是成本控制的主要方法。其中，偏差分析方法是施工過程中使用頻率最高的。偏差分析法，其定義為分析目標(biāo)期望與目標(biāo)進(jìn)度和成本差異的方法，主要是比較差值來發(fā)現(xiàn)實(shí)際與設(shè)計(jì)之間差異。支撐項(xiàng)目的準(zhǔn)確分析，項(xiàng)目施工情況的有效控制，是其最大的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。通過收集并計(jì)算三個(gè)費(fèi)用，具體包括：（1）工作預(yù)計(jì)完成的預(yù)算費(fèi)，（2）工作已完成部分的預(yù)算費(fèi)用，（3）工作實(shí)際完成費(fèi)用的值，進(jìn)而分析成本和進(jìn)度相對(duì)于預(yù)期出現(xiàn)偏差的原因，基于展開糾偏措施，從而達(dá)到橋梁的施工成本控制。

2.3 橋梁施工安全管理

BIM技術(shù)可以在實(shí)際施工之前進(jìn)行虛擬的施工過程模擬，有利于盡快確定合理方案，便于人員之間的協(xié)調(diào)，減少施工變更的損失，及時(shí)糾正施工偏差。而在施工中較容易受到外界的影響，在施工時(shí)易發(fā)生安全以及質(zhì)量問題；橋梁工程的復(fù)雜性和不確定性顯而易見，其難度也是十分高的，BIM技術(shù)則可以提供較為完善的技術(shù)平臺(tái)，用于做好安全管理工作。在分析層次化的橋梁信息模型基礎(chǔ)上，建立以三維模塊模擬橋梁缺損的表達(dá)方式，建立面向養(yǎng)護(hù)管理階段的橋梁構(gòu)件編碼體系，并提出橋梁病害的可視化管理，為基于BIM的橋梁病害定位提供一定的技術(shù)基礎(chǔ)。以橋梁裂縫病害為例，可以利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫和工程管理器進(jìn)行自動(dòng)養(yǎng)護(hù)決策建議系統(tǒng)構(gòu)建，搭建基于BIM的橋梁病害輔助決策支持系統(tǒng)的框架，為實(shí)現(xiàn)可視化和自動(dòng)化的橋梁施工安全管理提供一定的研究基礎(chǔ)[4]。

3、BIM技術(shù)在橋梁運(yùn)營(yíng)管理中的運(yùn)用

3.1 橋梁設(shè)備維護(hù)管理

在國(guó)內(nèi)的橋梁運(yùn)營(yíng)管理方面存在不少缺陷，BIM技術(shù)的出現(xiàn)一定程度上可以進(jìn)行補(bǔ)充；在后期的運(yùn)營(yíng)管理中，保修等方面都可以通過BIM技術(shù)強(qiáng)大的信息化、可視化和模擬化進(jìn)行全面的監(jiān)督[5]。大型橋梁的全面監(jiān)督十分困難，但同過BIM技術(shù)的三維立體圖像可以清楚地進(jìn)行查看分析，甚至細(xì)化到每一個(gè)細(xì)節(jié)上，從而有效地提高管理水平和管理效率。

3.2 橋梁應(yīng)急管理控制

管理過程中，結(jié)合實(shí)際情況，利用BIM技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)、水電和消防等方面進(jìn)行信息采集、構(gòu)建和表達(dá)，建立完整的關(guān)系數(shù)據(jù)庫，可以有效地對(duì)橋梁的健康情況進(jìn)行監(jiān)督，避免了大量繁瑣的低效率工作，也可對(duì)一些易損部位進(jìn)行隨時(shí)督查，避免不必要的損失。尤其在一些極端事件或惡劣條件下，比如發(fā)生火災(zāi)或洪水災(zāi)害時(shí)，及時(shí)通過橋梁BIM系統(tǒng)查詢得到最短路徑和最穩(wěn)固構(gòu)建的信息，從而及時(shí)疏散人員和躲避災(zāi)害，進(jìn)而將損失降低到最小。

結(jié)論：

本文主要敘述了現(xiàn)代信息化BIM技術(shù)的原理和過程，將其運(yùn)用在以橋梁工程為代表的土木工程領(lǐng)域，從橋梁設(shè)計(jì)施工和運(yùn)營(yíng)管理三個(gè)不同階段闡述具體應(yīng)用過程；BIM技術(shù)與土木工程行業(yè)的交叉結(jié)合具有十分可觀的發(fā)展前景。