BIM技術在某橋梁工程設計階段中的應用研究

徐會杰 王 鑫

（1.河南省交通規劃設計研究院股份有限公司， 河南 鄭州 451450）

（2.鄭州工業安全職業學院， 河南 鄭州 450000）

近年來，中國的建筑行業飛速發展，國家的關注點放在了占比較大的基礎設施上。橋梁工程作為重點工程之一，設計要求自然更高、更嚴謹[1]。但是中國國內大多數大型橋梁工程項目的設計、施工仍然在很大程度上依賴二維圖紙，而作為傳統設計工具，二維圖紙具有諸多弊端，如其設計工作量大，信息傳遞效率低，設計過程中的不足難以發現。為了更有效地保證施工進度，控制施工成本，采用先進的設計方法是非常必要的。 雖然目前橋梁工程的案例很多，但應用BIM技術的案例十分有限，相關的理論研究還不足。而為了橋梁工程可及時跟上祖國發展的腳步，加大BIM技術的應用迫在眉睫。

1 工程概況

1.1 項目概況

某黃河大橋工程分為兩部分：主橋和引橋。主橋總長1316.02m。 上部結構采用現澆預應力混凝土變截面連續箱梁結構與現澆T型結構相結合。 孔跨度排列為：（55+3×100+70）m +（2×30）m +（70+ 2×100+70）m +（2×30）m +（70+ 3×100 + 55））m。主橋采用單箱單室段，除5#,9#墩外的下部結為空心薄壁墩，其余為矩形板墩，14＃墩由梁橋墩組成。

1.2 在該項目中應用BIM技術的必要性

該黃河大橋工程分主橋和引橋兩部分。總長度為1184米，橋梁分孔如下：(50+3×90+60)m+(2×27)m+(60+2×90+60)m+(2×27)m+(60+3×90+50)m，共計18跨。黃河大橋的鵝卵石分布廣泛。穿過黃河主干道時，橋址的主要通道很大。黃河灘的鵝卵石面積大，沉積物容易淤積，鵝卵石層中的細沙被夾在中間。黃河水域較弱，水深5-10米，地質條件十分復雜。這座橋橫跨黃河的主要通道，橋的建設都在水面上。黃河汛期過后，不僅現場施工人員施工風險高，而且施工現場環境也極為復雜。樁基受地質條件影響，難以在水上施工。黃河大橋渠道圍堰開挖深度大，水位高。承臺為18×10.8×4.2m，承臺底部為河面10m以下。變截面箱梁部采用掛籃施工，“T”構部分采用支架及滿堂支架相結合的方式施工。

故而本黃河大橋結構十分復雜，施工難度較大。

圖1.1 大橋“T”構部分示意圖

BIM的應用價值有：（1）利用BIM相關軟件進行包含數據的參數化建模，建立了各種信息之間的相關性，具有多次修改和及時問答的建模特點。簡化了各專業的聯系。（2）涵蓋工程全生命周期的可視化，包括橋梁結構的三維可視化，施工方案的視覺設計以及實際施工過程。從而預設方案，解決施工現場環境的復雜情況。（3）利用BIM技術，可以實現設計和施工方案之間的成本比較，可執行成本估算，并且可以合理地分配資源，節省成本。（4）協同性。可以及時實現設計和施工的進度同步，更便于分析項目的進展，協調各部門，提前調整計劃，避免因施工困難以延誤工程進度。（5）在工程項目中，BIM具有廣泛的應用，如碰撞檢測，安全分析，綠色建筑分析等，有效地提高了項目的質量。因此在橋梁工程中建立三維模型，為項目的各專業聯系、安全性分析提供了方便。它具有深遠的影響和意義。[2]

1.3 基于BIM技術的設計流程

設計階段作為橋梁工程全周期的一個重點環節。BIM技術又將整個設計階段的各個環節打散，分工給不同的專業人員設計，再進行匯總、融合，并基于協同平臺進行信息實時共享。經過設計人員上傳、同步，及時發現設計中存在的不合理，經討論解決措施改正后二次上傳、更改模型，即可及時修正錯誤，加快設計建模進度。在橋梁工程的設計階段階段中，與傳統設計模式相比應用BIM技術最大的不同則是將二維圖紙轉換為三維立體模型，該模型在橋梁工程的施工、運維階段都具有重大意義[3]。進而達到控制項目成本，降低風險發生率的目的。同時，由于BIM協同平臺的存在，每一階段細化后上傳，也確保了信息的完整性。

2 BIM在橋梁工程設計中的應用

2.1 地形圖處理與分析

傳統的地形圖處理是由勘察單位利用各種勘察技術采集地形信息，將信息繪制成二維圖紙交付設計單位。首先，測量實際施工場地，將獲取到的測量數據作為源數據。在確保源數據的有效性后，將源數據導入到計算機中，并重建場地的三維模型。然后根據施工方案及三維模型，確定各個重型施工設備的最小工作區域、施工場地所在區域，施工人員的必要活動區域等。對以上不同區域進行合理分配、科學布局[4]。采用BIM技術后勘測數據直接存儲在模型中用來生成三維地形，省去一次信息傳遞步驟，減少了信息傳遞的損耗。設計單位可以直接在三維地形圖的基礎上進行設計，設計過程直觀高效。

2.2 線型設計

橋梁工程設計要充分考慮通行功能、用地拆遷和周邊環境的關系、水文地質條件以及主要技術指標。將BIM模型與三維實景模型結合，結合對公路、社會敏感點以及建筑等地類分塊信息的可視化表達，分析設計模型和周邊環境和相關建筑物的空間位置關系，提高用地和拆遷分析效率。

2.3 結構物坐標點校核

在模型建立的過程中，需要建立嚴格的建模標準。本工程主橋上部結構在澆筑施工前，即需對其坐標點預先進行計算測量，由于是變截面箱梁，測量人員對其坐標點進行精確計算和測量難度很大。建模成員可按照結構部位對模型進行分解，下部結構和上部結構單獨建模然后進行整合；建模之初首先設置好基準軸網和標高，以對模型準確定位。模型建立完成后，將物體的三維坐標與標高等數據導入計算機中，由數字建模軟件完成物體坐標標注、物體三維模型渲染等工作。由數字建模軟件中計算出的數據可與人工繪制的數據進行橫向對比，幫助測量人員及時發現設計中存在的缺陷，并及時修正。從而實現精確建模與精確施工。

2.4 工程量統計

該項目的主體工程，支撐橋和鋼圍堰均采用鋼結構形式。因此，成本的控制與鋼構件工程量的細化息息相關。在建立模型的這一部分期間，建模者首先在不同位置建立鋼模組件模型系列，然后以嵌套族的形式將它們加載到項目中。建立模型后，以工程量計算鋼構件的長度，體積，重量等。在“屬性”（Properties）列中，還可以直接查看表面區域和體積，這些都是基于BIM建模軟件豐富的功能。將計劃的工作量與圖紙給出的工作量進行比較，找出差異并總結分析的原因。如果重新設計橋梁的平面，縱向和橫截面，則只需要重新更新道路模型，并且隨著部件信息的變化，工程量將實時調整。基于BIM模型的工程量計算方法不僅高效快速，而且計算結果更加真實可靠，可以大大提高工作效率。

2.5 施工模擬

使用專業的BIM軟件可以根據制定的施工計劃。本項目在施工圖設計階段建立了橋梁及周邊環境的三維模型，使用施工方提供的施工計劃，通過BIM軟件進行模擬施工，對施工過程中存在的機械和結構間、機械間、機械工作空間及操作空間的碰撞進行檢測。在模擬施工中發現多處機械工作空間的碰撞問題，根據施工模擬情況對施工計劃提出了修改意見，優化了施工方案。并且對最終的施工方案進行了施工模擬，為施工方提供了模擬視頻，方便了施工中的安全管理。

2.6 碰撞檢查

碰撞檢測是BIM技術的核心應用點。 橋梁工程結構復雜，涉及許多專業。 在傳統的二維設計中，每個專業設計都顯示在不同的CAD圖紙中，各專業設計人員很難通過二維圖紙判斷各構件的空間位置關系，因此在施工中經常發生構件碰撞與專業沖突的現象。BIM技術可以將各專業設計信息展現在同一個三維模型中，通過計算機技術分析各構件的空間位置，導出碰撞報告，提前找到構件碰撞與專業沖突位置。各專業設計人員可以根據碰撞報告和模型信息與相關設計人員直接溝通修改設計圖紙直至解決所有沖突碰撞，通過碰撞檢查可以極大減少設計返工與專業沖突。[5]

本項目箱梁采用三向預應力體系，其中部分三向預應力管道之間、管道與鋼筋之間的空間布置錯綜復雜，對其進行碰撞檢查可提前發現碰撞點。因此本項目在BIM軟件中建立了三向預應力管道模型和鋼筋模型，通過碰撞檢查發現了大量碰撞點，設計人員根據碰撞檢查報告進行了多處設計修改，在設計階段規避了碰撞，為項目帶來了可觀的效益。

3 結論

黃河橋梁工程通過地形圖的處理和分析，建立了三維模型，克服了傳統二維布局不直觀的缺點，有效地展示了各種布局效果。

在檢查結構坐標點后，發現了60多個繪圖設計問題。通過建模檢查，圖紙的中心高程與從設計高程獲得的中心高程不一致，并且及時更改，重新設計。

根據預先計算的工程量計算，與圖紙數量相比，使用的鋼材量減少了2.5%。預制的T型梁可以節省近30萬元的項目。

由此可見，BIM技術顯著地提高了本橋梁工程設計階段的工作效率和工作質量。以小見大，BIM技術對于改進現有的設計方法、施工手段以及管理模式都具有非常重要的促進作用。因此，BIM技術在橋梁工程中的應用發展勢不可擋。