基于BIM的橋梁數字化建造技術研究*

衛(wèi)少陽，嚴超群，張俊娟

（楊凌職業(yè)技術學院 交通與測繪工程分院，陜西 楊凌 712100）

BIM作為一種全新的數字化理念和技術，最初僅僅把“BIM”作為具備信息儲存載體功能的3D計算機輔助設計的進一步升級。隨著認識的進一步深入，目前BIM定義不局限于軟件升級，而是作為一個“模擬建造與運營過程的數字工程信息技術”。

近年來，國家相關部門高度重視BIM技術在工程建設項目中的推廣應用。交通運輸部辦公廳于2017年先后印發(fā)了《關于開展公路BIM技術應用示范工程建設的通知》《關于推進公路水運工程應用BIM技術的指導意見》兩個政策支持文件，明確將研發(fā)BIM技術基礎平臺作為交通行業(yè)企業(yè)發(fā)展的長期戰(zhàn)略性目標任務?？梢钥闯?，在公路工程領域的應用BIM技術勢在必行，且隨著應用的不斷深入，將給公路工程行業(yè)帶來革命性的變化。

1 交通土建領域BIM應用特點

BIM技術緣起于傳統建筑領域，但由于交通土建的帶狀分布特點，其在工程數據規(guī)模、應用點、外部制約因素等方面還有諸多不同于傳統建筑領域的地方[1]。

（1）與傳統建筑BIM應用比較，交通土建領域BIM的工程數據規(guī)模巨大，量級上明顯大于傳統建筑。以公路工程為例，“工程對象”涵蓋了路線、路基、路面、橋梁、涵洞、隧道、交通安全工程以及配套機電工程等，將其中任一單獨對象按應用最小粒度分解，其中的工程數據規(guī)模將是海量，如圖1所示。相比于建筑BIM應用以單點或建筑群即可成為一個技術管理對象，交通領域必須以單公路項目甚至路網作為BIM管理對象，成為功能服務群，否則在交通領域應用BIM毫無意義。

圖1 高速公路BIM模型

（2）交通BIM技術應用受外界制約影響因素較多。在基礎外部信息獲取方面，呈現信息源多元化和信息數據化難度大特點。在工程全生命周期中，所需GIS數據信息、地形數據信息、地質數據信息屬于頂級基礎信息，與工程構造物模型數據頻繁發(fā)生交互甚至發(fā)生根本性改變。與建筑不同，基礎設施未來會面臨大規(guī)模改擴建，從數據角度來看，其實質是數據的重構重組和信息融合。

（3）應用點不同。在規(guī)劃設計階段的BIM工程應用基本相同。在施工建造階段，建筑和機械行業(yè)類似，在大規(guī)模工廠化數字驅動制造、人工智能制造有先天優(yōu)勢并且可以預期未來需求。交通土建領域多以就地制造或澆筑為主，但是在驅動結構復雜鋼結構構件、特殊結構預制構件、復雜節(jié)點的智能制造方面有很大優(yōu)勢。除日常的施工信息化管理需求以外，交通土建領域施工方法往往比較復雜，為了保證安全和進度，對施工專項方案進行深層模擬會有較大需求。

2 應用BIM技術進行橋梁數字化建造的難點

橋梁數字化建造其實是實現橋梁建造過程信息化、精細化、智能化，其中信息化是基礎。當前BIM技術在橋梁建造應用中的主要難點：目前，以BIM技術為載體的信息模型仍然是信息孤島，與設計、施工質量控制等現實具體需求處于“兩張皮”狀態(tài)，模型數據能夠被施工利用的較少，海量的有價值模型數據的存儲、加工、利用尚未成熟，在提升養(yǎng)護管理水平上有實質性進展的較少。

3 基于BIM的橋梁數字化建造技術

3.1 創(chuàng)新數字化建造工程總承包模式，形成應用BIM數字化橋梁建造技術利益統一體

BIM技術的應用10%在技術，而90%是取決于“信息關系”的，應用BIM的絕大多數工作是關于人與人之間進行信息傳遞的關系，而非純技術推廣問題，更不是軟件工具。BIM使用者的受益多少，取決于其他各個參與者BIM實踐的程度，如圖2所示。目前橋梁設計單位和施工單位應用BIM技術目標不一致，利益點也不盡相同，導致BIM技術的應用不成體系，是導致BIM技術投入比產出低的原因。目前住房和城鄉(xiāng)建設部印發(fā)通知，自2020年3月1日起在房屋建筑和市政基礎設施項目，施工、設計資質互認，這將鼓勵未來的工程建設領域形成由設計單位牽頭的工程總承包模式，這樣有利于形成應用BIM數字化橋梁建造技術利益統一體。

3.2 制定統一的數據存儲格式，實現橋梁數字化建造信息全壽命期傳遞路徑

圖2 BIM技術應用各方利益

對于BIM技術，形成統一的數據存儲格式，就可以實現整個信息在項目的全壽命期信息傳遞。在這樣的前提下，形成BIM軟件生態(tài)系統才成為可能，進而才能釋放數字化建造技術的優(yōu)勢，有助于形成基于BIM技術的“一模各表”數字化建造信息生態(tài)系統。“模”即BIM模型，指存儲工程信息的各種數據庫；“表”即信息表述（信息應用），指的是調用數據庫的各種工程應用程序，包括用于三維展示或碰撞檢查設計成果、項目信息化管理、施工（養(yǎng)護）信息收集、運籌決策等軟件系統。未來成熟的“模”必定是基于開源的數據存儲標準，但目前標準組織形成的BIM通用標準，往往制定過程沒有前瞻性，遷就各成員單位的利益訴求，影響標準的通用性、先進性和實用性。未來公益性社團或者軟件公司，反而有可能比標準組織搶先完成通用數據標準的制定。

目前在公路交通領域，由中國交建集團和中交一公院主編的交通運輸部《公路工程設計信息模型應用標準》和《公路工程信息模型統一標準》即將報批。這兩項標準的發(fā)布實施將加快推進BIM技術在公路工程橋梁建造項目中的使用，從而可以根本保障BIM技術在橋梁建造中的應用以及交付成果的質量，促進公路工程全生命期信息的傳遞、共享和交換，加快交通土建領域設計、施工、養(yǎng)護和運營管理協調發(fā)展，整體提升公路工程建設品質和投資效益，為建設“交通強國”提供了技術支撐。

3.3 融合智能信息技術，形成基于BIM技術的橋梁數字化建造應用生態(tài)結構

融合BIM技術和最新的物聯網、5G技術形成“數字高速公路”信息模型，可以實現剖開路基某一斷面，便會自動提取這個斷面的路基寬度、路面橫坡、路基填高等幾何尺寸信息，在模型中嵌入施工時間、施工單位、軟基處理厚度、含水量、壓實度、分層填筑厚度等一切施工過程信息，這將有利于施工質量精細化管理[2]。

融合最新信息技術，形成BIM+VR+GIS應用模式，以基于BIM信息模型的協同管理平臺為“實”，以施工三維模擬、VR虛擬展示為“虛”形成虛實結合的應用方式，解決項目全壽命周期中的實際問題。GIS是用于管理地理空間分布數據的系統，以直觀的地理圖形方式獲取、存儲、管理、計算、分析和顯示與地球表面位置相關的各種數據。BIM應用對象往往是單個建筑物或者帶狀工程，融合利用GIS宏觀尺度上的功能，可將BIM應用范圍擴展到道路、鐵路、隧道、水電、港口等工程領域。利用三維GIS技術，實現BIM模型與空間地理數據有機融合，便于進行場景的可視化定位分析以及基于空間位置的統計查詢[3]。地形地貌模型與工程BIM模型結合效果圖如圖3所示。

圖3 地形地貌模型與工程BIM模型結合效果

融合放樣機器人，形成基于BIM的智能放樣及測量施工技術，在施工建造階段，將經過修改和驗證的三維模型傳遞至工地現場，將BIM數據成果轉換為指導現場施工。

3.4 實現橋梁信息輕量化應用，實現基于BIM技術的橋梁數字化智慧建造技術

橋梁原始設計BIM模型保留很多設計過程中產生的冗余信息，同時模型整合多個專業(yè)后，體量會呈數量級的增大，運行模型對硬件的要求將會非?？量?。目前隨著智能手機、平板電腦的全面普及，工程建設中技術人員的移動辦公基礎硬件條件已經完備，但是一般BIM模型體量是以G來衡量，這對移動設備的處理計算能力和網絡傳輸都是一個巨大的考驗，所以對橋梁BIM模型進行輕量化處理是唯一出路。基于輕量化應用的BIM電子沙盤如圖4所示。

圖4 基于輕量化應用的BIM電子沙盤

輕量化在BIM業(yè)界是一個新概念，目前還未形成沒有統一的學術或者理論定義，但輕量化幾乎已經成為BIM行業(yè)的標準。具體來說，就是將原始BIM模型進行輕量化處理，生成可以在瀏覽器端渲染的輕量化模型數據，但不損失模型信息，可將模型體量壓縮得非常小，做到原始模型的5%大小，在背后提供支撐的是計算機圖形學理論。只有實現橋梁建造信息化，才能實現橋梁建造數字化，而基于輕量化的施工協同平臺才是實現橋梁數字化建造必由之路[4]。

4 結語

BIM技術已經是未來發(fā)展趨勢，在交通土建領域中應用BIM技術存在著不少難點問題，要實現橋梁數字化建造必須創(chuàng)新數字化建造工程總承包模式、制定統一的數據存儲格式，并且在應用過程中融合智能信息技術，同時實現信息輕量化應用。