BIM技術在橋梁設計中的應用

摘要：橋梁工程有助于提高我國經濟發展，近年來，我國橋梁建設工程不斷增多，造型獨特、復雜的橋梁工程不斷呈現，于是增強了橋梁工程的建設的難度。橋梁設計屬于橋梁建設周期中的重要階段，也是其基礎階段，直接影響著橋梁的安全性和耐久性。BIM技術在建筑行業中應用廣泛，其功能強大，將BIM技術應用到橋梁設計中具有較好的實際效果。文章首先對BIM技術的優勢進行分析，發現BIM技術有助于提高橋梁設計的效率和成本。然后再分析了BIM技術在橋梁設計中的具體應用，分別為快速參數化建模、橋梁模型計算、二維圖紙的輸出和工程量的統計。通過應用BIM技術，橋梁設計將會更加便捷，能夠提高設計效果。

關鍵詞：BIM技術;橋梁設計;應用

中圖分類號：U442.5

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）06-0179-05

隨著我國經濟建設的快速發展，大型橋梁的建設越來越多，比如港珠澳大橋、各種長江大橋等，這些橋梁的建設會非常復雜，因其跨度大和造型獨特，采用傳統的方式對其進行設計是相相當困難[1]。因為大型橋梁在設計過程中不僅要能滿足精細化和復雜化的構件需求，還要能夠與地理環境相符合[2]。傳統的橋梁設計中主要使用二維圖紙進行呈現，對于相當復雜的橋梁來講，比如其存在彎曲扭轉形狀，采用二維平面圖是很難表達出其實際的效果，其構件在空間上的位置也難以表述，總體來講傳統使用二維平面圖進行表達的方式不直觀、不精確，難以發現設計圖紙的實質問題[3]。在旋工過程中就會存在很多問題，從而造成工程質量出現問題。然而BIM技術隨之不斷發展，各種功能不斷強化，具有計算穩定和精確的效果，將其運用到橋梁設計中能夠發揮重要作用，從而沒計出更加穩定、安全的橋梁模型，能夠保障橋梁的穩定陛和耐久性[4]。于是本文將研究BIM技術橋梁設計中應用。

1 BIM技術的簡介

1.1 BIM技術的概念

BIM技術一共有3個分支，分別為建筑信息模型、建筑信息制作和建筑信息化管理[5]。所以BIM技術具有強大的功能，能夠在建筑行業中發揮重要作用，能夠對建筑信息進行收集，然后對重要信息進行利用和整合，能夠對建筑工程的信息進行仿真，構建三維建筑模型，使得建筑更加真實和具體，從而獲得更好的管理和檢測，提高建筑的建設質量[6]。

1.2 BIM技術的優勢

BIM技術在橋梁工程同樣發揮重要作用。在對橋梁進行設計的初期，設計人員通過使用BIM技術能夠提前發現橋梁工程中的缺陷，從而可以提前發現問題解決問題，可以降低施工成本，加快建設效率，還能夠減少資源的浪費。由于我國的地理原因，橋梁工程較多.設計人員在橋梁設計過程中，通過使用BIM技術，能夠設計出更好的橋梁工程模型，并對其進行不斷的優化，保障了橋梁工程的建設質量[7]。

隨著BIM技術的不斷發展，先進的BIM技術在橋梁設計過程中能夠實現可視化，該功能有助于設計人員對橋梁內部構造進行詳細了解，有利于在施工階段時的方案制定，從而大幅度減低建設周期，降低施工成本。另外，在橋梁設計中使用BIM技術，還能夠對工程中的各項成本進行判斷，并且控制成本，使之在保證質量的情況下盡量使得成本最低。BIM技術的優勢較多，通過其在橋梁中的應用，可以總結出其優勢主要有6個方面，如圖1所示。

2 BIM技術在橋梁設計階段中的應用

圖2為橋梁工程建設的整個過程，其中一共包含5個階段，其中設計階段是整個過程中基礎性關鍵環節，是直接決定整個工程質量和成本的關鍵，并且也是使用BIM技術最為廣泛的階段。

設計師在對橋梁進行設計時，不僅需要考慮到橋梁自身的質量和成本，還需要考慮到橋梁是否具有實用性和外觀是否與周圍景觀保持一致，所以設計師在橋梁設計時會相當復雜，尤其是使用傳統的設計方式，通過使用CAD繪制二維圖紙，使用有限元軟件進行檢測，從而改進設計圖紙，并且改正的方式比較繁瑣。通過使用BIM技術之后，由于其具有可視化、可出圖性、參數化、優化性和模擬行等特征，設計師不僅可以更加快速的建立完三維模型，還能夠對不同的構件進行驗算，將出現問題的地方快速修改，另外還能夠根據三維模型進行二維平面的出圖[8]。所以，在橋梁設計階段，使用BIM技術不僅能夠加快設計速度，還有助于提高設計的質量。于是文章將從以下4個方面分析BIM技術在橋梁設計階段中的應用。

2.1 快速參數化建模

在橋梁設計過程中，需要進行三維建模，通過使用BIM技術中的快速參數化建模能夠更加快速建成橋梁的三維模型。在使用該功能之前，需要根據橋梁局部參數化構件還有其骨架線參數。在應用BIM技術時，會使用“骨架”加上“模板”的方式建立橋梁的三維模型。對模型進行修改時采用的形式就是“搭積木”，對于三維模型中同一類的構件，則可以進行創建一個通用模板，對構件進行修改就只需要通過通用模板修改相關尺寸和屬性即可。圖3即為使用BIM技術的樁基礎鋼筋的參數化構件，圖中左側即為菜單欄，在對樁基礎鋼筋進行修改時，需要根據相關參數在菜單欄中直接設置，該方式相比于傳統的調整方式更加快捷、簡單。

由于橋梁設計需要與地理位置相適應，但是地理位置存在差異性，所以每座橋梁在局部構件之間會會存在一定的差異性，所以就很難有一樣的局部參數化構件。當局部構件存在差異性時，設計師需要手動繪制橋梁構件，使之能夠滿足參數化建模的要求。當前，為了能夠簡化設計過程，某些設計單位會設計一個參數化構件存儲庫，能夠存儲大量的構件，對于一般簡單橋梁的參數化構件都能夠在存儲庫中找到，能夠完成簡單的橋梁三維建模。另外，有些橋梁相當復雜，某些構建在存儲庫中找不到時需要已經存在構件進行修改之后再將其運用到橋梁設計中。

2.2 橋梁模型計算

在橋梁設計過程中，還要考慮到橋梁的整體穩定性和強度是否符合規定等，還需要檢測構件是否滿足要求。然而當前有限元分析軟件和BIM建模軟件之間還不能進行信息傳遞和互導，就不方便分析橋梁整體結構，即使BIM技術中包含一些有限元分析功能，但是其功能在分析整體結構時效果不是很好，與MidasCivil軟件相比，BIM中的有限元分析功能非常差，并且也缺乏橋梁相關的技術支持。

對于驗算橋梁的局部構件，可以通過使用之前的橋梁三維模型和BIM技術中的有限元法分析軟件。比如，在橋梁設計過程中，首先會建立三維模型，然后對需要驗算的構件使用切割功能進行局部切割，將切割構件導人到CATIA軟件中的某個模塊，然后進行有限元分析。圖4即為通過使用BIM技術的有限元分析對橋梁局部構件進行驗算的過程。

2.3 二維圖紙的輸出

當前，使用BIM技術設計橋梁工程已成為一種發展趨勢，但是我國在設計階段的交付過程中然是以二維平面圖為主，但是隨著橋梁造型的復雜性，使用二維平面圖不利橋梁的施工，另外當需要進行修改時，使用二維平面圖的修改過程會比較復雜，從而降低了工作效率。隨著BIM技術的不斷發展和跟新，在設計橋梁的三維模型之后，可以將其三維模型進行二維平面的出圖，從而能夠符合當前我國已二維平面圖為主的需求，當設計圖出現問題需要進行修改時，也可以直接通過BIM技術進行修改，將修改的結果可以進行二維平面的出圖，從而提高修改和設計效率。

隨著BIM技術的快速發展和橋梁工程設計要求的不斷提高，三維模型將會取代當前我國主要使用的二維平面圖進行施工。因為建設過程中橋梁屬于一個立體，二維平面圖只能了解其平面效果，通過使用三維模型，能夠給人更加具體的直觀感受，有利于施工過程中工人對構件位置的準確掌握，并且當前我國已有相應的成功案例，在特大橋的設計中使用BIM技術，使用三維模型進行施工，如渝黔鐵路新白沙沱長江特大橋，如圖5所示，還有北盤江特大橋，該橋屬于大跨度混凝土拱橋，如圖6所示。

2.4 工程量的統計

在橋梁設計階段對其進行工程量計算，采用傳統的方式是經過二維平面圖的點線面的計算，然后利用Excel表格或者人工手動的方式進行計算，采用這種方式對于比較規則的橋梁計算能夠保證其精確度，但是隨著橋梁復雜性不斷提高，其結構并不規則，如圖7所示的異型鋼橋塔，如果還是采用傳統的計算方式不僅誤差較大，只能計算近似值，還會花費大量的精力和時間。如果需要對設計方案進行修改，那么之前計算好的相關工程量就得重新進行計算。所以采用傳統的計算方式將會浪費掉設計人員非常多的時間和精力，而且還不能得到橋梁工程的精確工程量。

使用BIM技術，可以改善傳統方式的所有缺陷。通過使用BIM技術建立橋梁三維模型之后，然后直接選擇橋梁構件需要使用到的材料，BIM技術中有自動測量功能，能夠對橋梁的工程量進行準確測量，對于復雜的橋梁工程都可以較為迅速的計算，另外，相比于傳統的計算方式，此計算方式能夠提高計算的準確度，較大范圍的降低誤差，另外，還能夠節約設計人員的精力和時間。如圖8所示的橋梁空間異構型橋塔，采用傳統的人工方式，是很難精確計算橋塔分段部分的用鋼量，只能將彎妞部分簡化成方便計算的形式，然后再對其進行計算，這樣得到的結果也只能是大概值，橋粱工程的整體工程量就會存在相當大的誤差，但是BIM技術中的CATIA軟件，可以對彎妞部分進行直接的精準測量，能夠對橋梁的任何部分進行長度計算、面積計算和體積計算，能夠精確的測量出鋼筋用量。得到橋梁工程量的精準計算，為工程建設提供了強大的數據支持，還有助于工程質量和成本的控制。

3 結語

綜上所述，BIM技術功能強大，將其運用于橋梁設計中能夠提高設計的效率和效果。通過使用三維建模，有利于橋梁結構的直觀性，更有助于后期施工的質量保障;通過使用快速參數化建模，能夠提高橋梁設計的建設效率;通過使用測量技術，能夠對復雜橋梁進行工程量計算，并且計算快速、結果精確;通過使用二維圖紙的輸出，能夠滿足當前我國主要使用二維平面圖進行表達的方式，當設計存在問題時，還能夠簡化修改程序。總之，BIM技術應用于橋梁設計中具有非常多的優勢。今后，隨著BIM技術不斷優化和強化，有助于提高橋梁設計的完美性，更有利于提高橋梁工程的質量和安全性。

參考文獻

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[6]郝飛翔，基于BIM的項目設計階段進度協同管理應用研究[D].濟南：山東大學，2019.

[7]徐文，楊萬里.BIM技術在裝配式橋梁工程中的作用研究與探討[J].工程建設與設計，2020（03）：153-154+157.

[8]管斌君，詹小平，基于BIM技術的建筑設計教學實踐探討[J].寧波廣播電視大學學報，2016，14（04）：124-127.

作者簡介：劉懷亮（1986-），男，漢族，甘肅武威人，大學本科，中級工程師，研究方向：橋梁工程。