BIM技術在裝配式橋梁施工中的應用綜述

丁壽文　周偉健

摘 要：以泰州市海陵區231省道（海姜大道至啟揚高速）快速化改造工程為依托，對BIM技術應用于裝配式橋梁預制技術的發展歷程、研究現狀以及技術特點進行回顧與總結。針對技術難點給出相應建議，指出BIM技術的深入應用以及裝配式橋梁結構形式的創新，是促進裝配式橋梁技術在我國推廣和發展的關鍵，并對其前景進行展望。

關鍵詞：BIM技術;裝配式;橋梁;施工階段

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.078

1 裝配式橋梁與BIM技術發展回顧

裝配式建筑是指部分或者全部的建筑構件是在預制工廠生產，運輸到施工現場后將其組裝成整體的建設方式。我國裝配式建筑施工技術最早起源于上世紀四五十年代，到八十年代中后期已經得到較為廣泛的應用。但由于當時相應國家監管體制的不足，用于裝配式建筑施工的預制構件存在大量的質量缺陷及不合理使用，帶來了不少負面影響，裝配式的發展因此沉寂。近年來，隨著大型施工機械設備及預制拼裝技術的進步，尤其是適用于預制構件的新型材料研發及應用，裝配式建筑施工技術得到進一步的發展，國家政府也陸續出臺了相應支持政策及管理辦法。在2016年，國家發改委發布了《國務院辦公廳關于大力發展裝配式建筑的指導意見》[1]，該意見明確指出在國內發展裝配式建筑“是推進供給側結構性改革和新型城鎮化發展的重要舉措?！?，并提出了要在十年內裝配式建筑面積占新建建筑面積的比例達到百分之三十的目標。近兩年，我國住房與城鄉建設部發布了《裝配式建筑評價標準》及針對特定技術、特定領域的裝配式技術行業及相關標準，并定期開展裝配式建筑實施情況統計與評估，重點在國內建設一批具有影響力的裝配式建筑示范城市和產業基地。

建筑信息模型（BIM）技術最初是為了實現建筑、結構、機械、電氣和施工等相關的各種軟件工具之間的信息交互和協同操作而出現的，其在開發三維可視化數字模型、質量檢測、結構分析、運營管理和成本估算等方面的應用現已能夠靈活地應用于現代建設工程之中。美國國家BIM標準（NBIMS）將BIM定義為：BIM是建筑物理特性和功能特性的數字化表達，它提供一個共享的信息資源，為人們在建筑全壽命周期做出決策提供基礎。BIM技術的概念來源于1975年美國佐治亞理工大學教授Chuck Eastman提出的建筑信息描述系統（BDS）[2]，并在2002年由Autodesk公司率先將其推廣到全世界[3]。在BIM全球化的影響之下，我國于2004年開始全面推廣BIM技術。在國務院發布的《關于促進建筑業持續健康發展的意見》中，要求建筑行業加快推進BIM技術在建筑工程中的集成應用。但目前BIM技術應用于裝配式橋梁的案例在我國較少，國內已運用BIM技術參與建設的橋梁建筑有湖北鄂東長江公路大橋、夜郎河雙線特大橋、滬通長江大橋、永定河特大橋、陶賴昭特大橋、漠谷河2號特大橋、淮安市淮海路跨京杭運河大橋、南昌港口大道Ⅲ標市政橋、港珠澳大橋等。

泰州市海陵區231省道（海姜大道至啟揚高速）快速化改造工程第二標段為全高架段，設置渦輪式樞紐互通1座、6條匝道。橋梁全長3776.067m，其中主線橋長446.551m，匝道橋長3329.516m。該標段地面橋系統采用先張法預制梁板，在項目施工前，項目設計團隊先利用三維建模軟件Revit搭建BIM可視化模型，對橋梁結構進行數據化模擬，通過碰撞檢測分析和動態吊裝過程仿真，有效指導施工，提前發現施工過程中存在的問題。在施工階段的項目管理過程中，利用BIM虛擬4D技術，根據項目管理軟件Microsoft Project編制施工進度計劃，按照現場實際情況進行實時動態調整，為進度計劃編制提供具有較高可靠性、準確性與真實性的依據，初步實現了二維進度計劃的可視化和集成化。

通過該實例可見，BIM技術與其特有的可視化、協調性、模擬性、優化性等特點在裝配式建筑的建設管理過程中，能夠得到較好的發揮以及融合應用，BIM與裝配式技術的深度結合是對傳統建筑施工工藝的一次提升。

2 國內外裝配式橋梁施工BIM技術應用及研究現狀

2.1 國外裝配式橋梁施工BIM技術應用及研究現狀

Seongheum Yoon等為了解決由于橋梁預制構件自然變形，剪切口和剪切連接器在施工現場不能精確匹配的問題，使用3D激光掃描儀獲取預制橋面板和預制梁的掃描數據，并使用DBSCAN和混合像素濾波算法估算其尺寸，使用RANSAC和K均值聚類算法從預制梁的掃描數據中提取剪切連接器的位置。最后，通過求解非線性最小化問題來確定甲板相對于大梁的最佳布置。

Clyde Zhengdao Li等利用射頻識別設備（RFID）啟與BIM技術的聯用平臺，集成各預制房屋建筑（PHC）工程參與方信息/數據流、預制流程和最先進的施工技術，簡化預制構件制造、物流和現場裝配施工三個層次的操作，同時使用實時捕獲的數據形成同時具有閉環可見性和可追溯性的管理模式，不同終端的用戶可以實時監督施工狀態，提高PHC管理中日常運營和決策的成功率，從而減輕關鍵的進度風險，確保預制工程項目及時交付。

Xiaodan等設計了一套完整的橋梁健康監測系統，實現該系統的實時監控和安全分析的可視化，以現代軟件工程系統開發方法為基礎，以各種設計模式為骨架，在MFC平臺上集成使用3D建模和渲染技術以及GDI+和SQL數據庫技術。研究表明該系統大大提高了橋梁監控系統的效率，可較為準確地預測及排查橋梁在建設過程中存在的安全隱患。

2.2 國內裝配式橋梁施工BIM技術應用及研究現狀

我國對BIM技術的研究起步較晚，BIM技術在我國橋梁領域的應用尚處于探索階段，隨著人們越來越多地認識到智能化和信息化在工程建設新技術研究領域的重要地位，許多單位開始積極組織培養BIM團隊，同時也對該技術在部分工程中的應用進行了分析與研究。

孫振堂[4]依托某公路橋梁預制梁場，結合BIM技術的可視化施工、質量、進度管理及動態監控系統等功能，創建智能化管理的“智慧梁場”，借助地理信息技術進行動態監控，以提升梁場的信息化管理水平和工作效率，從而提高了裝配式橋梁構建預制的工程質量。

袁觀富[5]等以武穴長江公路大橋主塔鋼錨梁為背景，通過BIM建模軟件將主塔、斜拉索、鋼錨梁等構件轉換成精細化三維模型，分析構件空間位置關系、型鋼打孔參數等，并歸納總結提煉鋼錨梁各型鋼零件的加工參數及工藝，從而指導鋼錨梁工廠化生產預制及現場精確吊裝，以提升鋼錨梁加工安裝效率、工廠預制和現場安裝的管理水平。

林光明[6]以懷芷快速干道太平溪大橋為實際案例，研究BIM技術在跨河橋施工中的應用優勢，在分析水上施工鋼平臺、樁基溶洞、預制箱梁架設等施工重難點的基礎上，通過軟件模型制定“流動+固定”式組織架構，在項目施工階段運用BIM技術虛擬布置施工場地、加強質安管控等，分別模擬鋼便橋、溶洞處理、箱梁架設的施工全過程，不斷優化施工方案。

李曉丹[7]將精益建造和并行工程理論與方法引入裝配式建筑，提出兩者結合應用于裝配式建造的實施框架，研究裝配式建造計劃與控制方法，借助BIM的有利支撐，研發裝配式建造計劃與控制系統，分析BIM的核心功能對精益和并行工程的支撐作用，指導裝配式建造的各個過程的活動計劃優化與控制、促進參與方的溝通與協調、信息共享。

任璐[8]以一鋼管混凝土拱橋為例，運用三維掃描技術和Revit軟件搭建可視化三維模型，并與Navisworks數據交互，實現BIM4D施工模擬。通過與結構計算軟件Autodesk Robot Structural Analysis數據交互，從而檢測橋梁結構的安全性。研究證明BIM技術能夠有效監測橋梁施工階段可能存在的問題，并提供良好的施工管理。

汪遜[9]為了實現橋梁BIM核心三維模型與受力簡化梁元模型的自動轉換，基于幾何造型軟件Rhino、AutodeskRevit的橋梁BIM參數化設計流程，運用參數化插件Grasshopper和結構分析軟件MIDAS/Civil及Navisworks等，探索了基于BIM的節段預制拼裝橋梁信息管理系統。

張華[10]等將BIM技術應用于DSC建筑體系中，搭建裝配式建筑數字化模型，制定基于BIM技術的施工圖標準出圖模板，并通過對項目模型的專業構件編排二維碼。

目前，國內相關案例大多是選擇能較大程度滿足橋梁工程應用的主流軟件，通過二次開發等手段，與其它相關專業軟件數據互通，實現BIM技術的應用，或者是開發專門的軟件，再借助計算機算法模型，對通過軟件挖掘的數據庫進行參數化的處理，形成裝配式橋梁全壽命周期的BIM技術應用。相比之下，國外許多國家由于較早開始對這類技術的研究應用，對信息化技術的開發更加深入，相關制度更為完善，BIM技術在建筑生命周期各個環節靈活運用也呈日益增長的快速發展趨勢。

3 BIM技術在裝配式橋梁施工中的應用前景

3.1 協調與監測

通過BIM技術建立虛擬數據庫，各項目參與方能夠實時交換在各個階段生成的工程信息，有助于有效地集成構建系統所需的協作環境，便于整合外部環境和內部條件[11]，以在各方均可接受的范圍內提供所需的裝配式建筑性能需求。工程信息的無縫交換能夠幫助滿足工程項目從設計審查、建筑性能分析到項目實施管理及竣工驗收過程中特定性能要求、工期要求和成本要求。將BIM技術作為工程信息載體，建立相應的傳感器模型，能快速定位傳感器，通過建立信息化橋梁健康監測系統，實時獲取橋梁構件及結構的變化、車輛荷載等安全信息，形成完備的橋梁安全預警系統。

3.2 橋梁系統沖突檢測

沖突檢測功能是基于BIM技術的深化設計核心應用點，碰撞檢查的主要目的是消除設計過程中的失誤對整體結構的影響[12]，建模軟件中一般自帶碰撞分析功能，比如預制構件的Revit模型可以通過NWC格式導入結構分析軟件Naviswork中，設置碰撞規則進行碰撞分析，可以直觀的地找到沖突位置。在實際施工之前對裝配式建筑系統碰撞狀態的早期檢測將節省提供所需建筑性能的時間和成本，還可以防止潛在的建筑性能的損失[13]。

3.3 施工模擬評估和風險規避

裝配式橋梁施工過程中受環境因素影響較大，隨著施工的展開，大量的預制構件和拼裝機械需要進場，眾多限制因素和工期和造價的要求，往往會導致施工方案的變更。BIM提供的虛擬3D、4D和5D技術可以在實際施工之前對設計的成本、時間和質量影響進行早期評估，并將模型轉換為動態演示文件來模擬施工[14]，不僅可以在虛擬環境中指導現場施工，通過利用BIM虛擬模型中構件信息自識別、數據提取、內嵌物理信息自統計等功能，還可以實現橋梁工程智能動態管理，進一步提高施工管理效率及精確性。同時，針對外部環境的變化及內部施工方案的變更，在BIM虛擬模型中可以進行變更前后工程量對比，提高工程變更管理效率及準確性的同時，通過建立風險分解結構（RBS）和BIM之間的聯系，傳統方法和BIM可以合并為風險管理的綜合解決方案，經過數據挖掘過程以及進一步評估和解譯數據來開發風險數據庫，能夠減少不必要的風險，為后期工程決算提供依據。

3.4 高水平的裝配式橋梁構件系統定制

BIM技術提供的虛擬3D、4D和5D技術可以根據項目的特定要求，研發高水平的預制構件族庫，通過大規模定制（MC）生產模式，將大批量預制構件分類編號形成能夠統一管理的BIM信息數據庫，如果需要更改設計或規范以滿足可持續建筑性能要求，BIM數據庫將有助于無縫更換訂單變更請求。BIM技術在按單設計（ETO）預制建筑構件上的應用就是將精益生產（LP）原理與建筑信息化原理相結合形成具有模型控制、物流規劃等功能的預制建筑現場裝配系統，能夠精準地實現項目綜合需求分析，以實現更為合理的、柔性的配置建模和求解過程。此外，一些創新技術，如全球定位系統（GPS）和射頻識別（RFID），已在該領域得到有效應用，在未來能夠更加因地制宜地成為改善裝配式橋梁實踐性能的有力工具。

3.5 精準數字化模型力學響應

BIM模型可結合數值模擬軟件、有限元分析軟件、C#編程語言等通過基于物理引擎功能的Unity 3D，動態仿真模擬橋梁吊裝的施工環境和施工過程，實現實際工程在計算機中施工預演，提前發現、解決施工中存在的隱患或者可能發生的問題。比如通過在有限元軟件ANSYS中通過相應命令自動生成幾何實體，或從已建好的模型中提取幾何信息并轉換成計算機程序能夠解讀數據格式，然后通過邊界表達的方法描述有限元分析軟件的幾何實體模型，再經過深入的解析和仿真模擬后，實現提取Revit三維結構預制構件關鍵點信息的目的。

4 BIM技術在裝配式橋梁中的應用發展建議

4.1 全面推廣IPO模式在信息化裝配式橋梁中的應用

綜合項目交付（IPD）是一種將人員、系統、商業架構以及實踐操作整合在一個過程中，將所有參與方的才智整合并積極促進實現項目成果最優化、效率最大化的項目交付方式。眾多學者研究表明BIM技術的應用是實現IPD的前提，將IPD的概念更深入地推廣到信息化裝配式橋梁建設中，為工程信息充分共享交互提供了更為合法化、便利化的協作環境。在IPD模式下，各參與方通過早期介入、共擔風險、開放交流、共同參與項目的全壽命周期管理，可以有效避免預制構件設計階段由于意見沖突和方案變更造成的大量損失，同時減少構件運送及構件搭接過程中的資源的浪費和工期的不合理安排，增強團隊成員之間的相互信任與尊重，并能充分考慮到項目維護和運營階段的需求。BIM的功能能夠為IPD模式的實施提供技術支撐，BIM技術要能夠應用也需要IPD提供良好的平臺。

4.2 利用BIM技術創新裝配式橋梁預制構件節點連接方式

裝配式橋梁相比混凝土現澆整體抗震性能較差，裝配式結構的穩定性很大程度上取決于搭接節點連接方式。橋梁預制構件拼裝時，受外部環境包括風力、水文等因素的影響較大，此外預制構件的自然老化徐變和運輸過程中產生的磨損，也會造成拼裝時難以精準定位等問題。目前國內裝配式橋梁中墩柱、預制梁片、節段箱梁等構件之間的連接方式普遍采用濕接縫方法施工[15]，濕接縫是通過對混凝土結合面進行施工預處理來實現新老混凝土的連接，接縫破壞了混凝土結構的連續性，且接縫處往往是PC橋梁結構受力最為薄弱部位。接縫的處理方式很大程度上決定了裝配式結構的極限承載力和長期使用性能。BIM技術提供了更具靈活性、可視化的三維構件設計平臺，在預制構件設計階段，結合精益生產理論、三維實體打印、力學分析及環境模擬等先進技術，為創新預制構件拼裝節點連接方式提供了條件。

4.3 利用BIM技術完善裝配式橋梁施工的多維監管平臺

BIM技術與物聯網（IoT）平臺的概念具有良好的結合點，從RFID和GPS收集的實時信息可以在物聯網平臺上與BIM連接，以此開發物聯網和BIM集成的預制結構現場裝配服務平臺。通過開發平臺，主要承包商能夠便捷地了解預制組件的實時信息，現場數據收集變得更為有效、可靠且更具附加值，主要承包商的整個現場團隊在面對變更時可以更具彈性，也為有效的工程監控提供了支持。目前已投入使用的BIM5D技術能夠基本實現在項目成本和工程進度上的管控，而項目安全、質量和施工環境的管理對預制建設項目也很重要，將BIM信息化平臺與其他先進的工程管理技術有機結合，建立相應的預防和預警系統，不斷完善和開發安全、質量和環境上的多維監管平臺是實現全面智能化裝配式橋梁施工管理的必要條件。

5 結語

在飛速發展信息化時代，BIM技術為裝配式建筑的發展提供了更為廣闊的平臺。BIM技術與裝配式橋梁的有機結合能夠有效提高施工質量的效率和管理水平，深入開發BIM技術的應用契合我國裝配式建筑快速發展的需要，必然有著長遠而光明的應用前景。

本文通過對國內外BIM技術應用于裝配式橋梁建設案例進行系統的研究，對BIM應用于裝配式橋梁的施工技術進行了綜述，同時給出了相應的建議，為該技術以后的發展提供支持。

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作者簡介：丁壽文（1969-），男，江蘇揚州人，本科，工程碩士，董事長，總經理，高級工程師，國家注冊一級建造師，研究方向：交通領域。