橋梁工程設(shè)計(jì)BIM 技術(shù)應(yīng)用分析

劉文 LIU Wen

（湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，長沙 410200）

0 引言

BIM 技術(shù)作為一種新型設(shè)計(jì)手段，在公路、鐵路等交通基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域逐漸普及，橋梁工程作為交通基礎(chǔ)設(shè)施重要組成，近年來在BIM 技術(shù)應(yīng)用方面取得了一定的進(jìn)展。然而結(jié)合實(shí)踐情況分析，不少橋梁工程依舊停留在BIM翻模設(shè)計(jì)層面，究其原因在于橋梁設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)方式、設(shè)計(jì)成果交付方式均未實(shí)現(xiàn)信息化，各階段信息未準(zhǔn)確有效傳遞。由此，BIM 正向設(shè)計(jì)概念被提出，希望使BIM 應(yīng)用從設(shè)計(jì)階段向下兼容，實(shí)現(xiàn)信息自上而下的流通，最終達(dá)到成果信息化、標(biāo)準(zhǔn)化交付的目標(biāo)，本文主要從BIM 正向設(shè)計(jì)的角度出發(fā)展開詳細(xì)分析。

1 橋梁工程設(shè)計(jì)概述

橋梁作為公路交通領(lǐng)域不可或缺的一部分，承擔(dān)著重要的交通作用。近年來我國公路橋梁數(shù)量和里程逐年增長，根據(jù)交通運(yùn)輸部數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020 年中國公路橋梁數(shù)量達(dá)到91.28 萬座，較2019 年增加3.45 萬座，數(shù)據(jù)表明未來我國橋梁建設(shè)依然有巨大的發(fā)展空間。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及技術(shù)水平的提高，人們對橋梁建設(shè)的質(zhì)量、壽命都有了更高要求。然而橋梁工程存在設(shè)計(jì)效率低下、施工管理難度大等問題，設(shè)計(jì)作為整個(gè)項(xiàng)目的初始階段，通常要經(jīng)過概念設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)前期、初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)橋梁設(shè)計(jì)以CAD 圖形為基礎(chǔ)，不利于自動(dòng)化設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)化分析和信息化管理，對于精細(xì)化的設(shè)計(jì)質(zhì)量難以把控，重復(fù)化的工作難以簡化，進(jìn)而設(shè)計(jì)質(zhì)量有缺陷，生產(chǎn)效率不高。因此對于我國橋梁工程建設(shè)，為朝向信息化、數(shù)字化的目標(biāo)發(fā)展，為解決傳統(tǒng)橋梁設(shè)計(jì)流程中存在的問題，優(yōu)化和改善橋梁設(shè)計(jì)流程，運(yùn)用BIM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、信息化的設(shè)計(jì)體系，從而提升設(shè)計(jì)產(chǎn)品的質(zhì)量，減少設(shè)計(jì)出錯(cuò)，提高生產(chǎn)效率，縮小設(shè)計(jì)誤差。

BIM 技術(shù)代表了更加智能化、信息化的一種生產(chǎn)方式，在橋梁工程中的應(yīng)用價(jià)值值得深入探討。與房屋建筑相比，橋梁異形構(gòu)件更多，即使是簡支梁橋、空心板梁橋此類簡單橋型，依舊存在道路線型、橫縱坡設(shè)置等變化，因此在實(shí)現(xiàn)批量式生產(chǎn)、裝配式建造時(shí)面對更多的問題。此外，目前國內(nèi)缺少專業(yè)的三維設(shè)計(jì)軟件，橋梁異形構(gòu)件多，軟件內(nèi)無法包含主梁梁體、橋墩等全部構(gòu)件庫，且橋梁工程多屬于道路工程、鐵路工程中的一項(xiàng)，整個(gè)項(xiàng)目里程長、體量大，建立BIM 模型的軟件無法同時(shí)保證建模精度與體量。2021 年，交通部推出了最新的交通行業(yè)BIM 標(biāo)準(zhǔn)，如：《公路工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T2420-2021）、《公路工程設(shè)計(jì)信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T2421-2021）、《公路工程施工信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T2422-2021）等，為橋梁信息模型實(shí)現(xiàn)數(shù)字化交付提供了參考。BIM 的應(yīng)用在橋梁工程中的應(yīng)用逐漸從施工階段延伸至上游設(shè)計(jì)階段，并隨著對設(shè)計(jì)效率要求的提高，BIM 參數(shù)化建模也逐漸發(fā)展，目前行業(yè)內(nèi)強(qiáng)調(diào)正向設(shè)計(jì)與BIM 結(jié)合，此種設(shè)計(jì)方式簡化了橋梁設(shè)計(jì)流程，直接提供指導(dǎo)施工的圖紙，且對全套橋梁圖紙輸出做出標(biāo)準(zhǔn)化示范，一定程度上提高了設(shè)計(jì)效率，本文著重圍繞此展開詳細(xì)分析。

2 BIM 技術(shù)在橋梁工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢

BIM 技術(shù)應(yīng)用于橋梁工程中優(yōu)勢在于改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式下的成果交付，提高了設(shè)計(jì)效率，深化了設(shè)計(jì)質(zhì)量；同時(shí)應(yīng)用BIM 技術(shù)改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，可達(dá)到更加有效的數(shù)據(jù)化和信息化管理，信息儲(chǔ)存更加安全長久，信息交互范圍更加廣泛，信息利用程度更加充分，BIM 技術(shù)在橋梁工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢總結(jié)如下。

2.1 設(shè)計(jì)成果方面

BIM 技術(shù)應(yīng)用于橋梁工程項(xiàng)目中設(shè)計(jì)成果包含三維可視化信息模型及由該模型衍生出的數(shù)據(jù)化成果如：三維可視化模擬動(dòng)畫、三維仿真模型、二維工程圖紙、工程量數(shù)據(jù)等等。模型從概念設(shè)計(jì)階段到方案設(shè)計(jì)階段其精度不斷加深滿足不同需求，各設(shè)計(jì)成果之間數(shù)據(jù)信息聯(lián)系緊密，聯(lián)動(dòng)變化及時(shí)。三維可視化成果的展示效果更加利于同非專業(yè)人士進(jìn)行溝通和理解，提高決策的可靠性。

2.2 設(shè)計(jì)效率方面

BIM 技術(shù)設(shè)計(jì)模式采用模型參數(shù)化、模塊化設(shè)計(jì)，將具體的橋梁構(gòu)件按功能和屬性進(jìn)行模塊劃分，同時(shí)對于同類構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)定，用戶后期可按參數(shù)改變尺寸適用于不同環(huán)境項(xiàng)目需要。BIM 設(shè)計(jì)模式將不局限于傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)中點(diǎn)、線的繪制，深化到對于適用性和適配度極高的模型設(shè)計(jì)中，模型適配度越高、模型庫越豐富，這將方便后期各類用戶直接使用，極大縮減了重復(fù)性繪圖工作，提高了生產(chǎn)效率。參數(shù)化設(shè)計(jì)便于設(shè)計(jì)人員綜合考慮力學(xué)需求、經(jīng)濟(jì)性需求、美學(xué)需求等等，不斷改變參數(shù)值以模擬得到最佳適配方案，同時(shí)不會(huì)加大設(shè)計(jì)人員制圖的工作量。三維可視化設(shè)計(jì)則利于對復(fù)雜三維空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行把握，對三維空間結(jié)構(gòu)可利用多角度視圖、剖面圖等視角進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)和理解，大大降低了空間想象的難度，也增加了對空間交叉關(guān)系的精確把握。協(xié)同設(shè)計(jì)也將便于同專業(yè)不同設(shè)計(jì)人員、不同專業(yè)的設(shè)計(jì)人員就同一項(xiàng)目設(shè)計(jì)模型進(jìn)行交互，保障了數(shù)據(jù)傳遞的完整性、及時(shí)性、統(tǒng)一性。

2.3 設(shè)計(jì)質(zhì)量方面

BIM 技術(shù)設(shè)計(jì)模式將有助于提高結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)質(zhì)量，結(jié)構(gòu)體在傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)模式中可能存在空間交叉關(guān)系的錯(cuò)誤難以從二維圖紙中發(fā)現(xiàn)，而BIM 技術(shù)可直觀化發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體隱藏的幾何問題，利用碰撞檢查功能還可以發(fā)現(xiàn)特定的軟、硬碰撞問題，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題從而修改，在施工過程中避免了因設(shè)計(jì)缺陷造成的變更和返工，設(shè)計(jì)質(zhì)量得到有效保障。BIM 技術(shù)可直觀化表達(dá)結(jié)構(gòu)體復(fù)雜的空間幾何關(guān)系，信息化模型可提供設(shè)計(jì)人員以多種用途的分析，例如：仿真模擬分析其受力性能保障結(jié)構(gòu)體受力良好、施工模擬以提供施工單位以建設(shè)指導(dǎo)方案等等，基于信息化模型的分析皆具有詳細(xì)數(shù)據(jù)支持，提高了決策的科學(xué)性，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

2.4 信息儲(chǔ)存方面

BIM 設(shè)計(jì)模式將數(shù)據(jù)以集成數(shù)據(jù)庫形式儲(chǔ)存，項(xiàng)目相關(guān)的所有信息皆儲(chǔ)存于模型之中，例如：橋梁構(gòu)件幾何信息、材料信息、力學(xué)信息等，信息的寫入和調(diào)用皆基于模型數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)完整且查找快捷，各數(shù)據(jù)信息之間存在邏輯和約束上的聯(lián)動(dòng)變化，保證數(shù)據(jù)信息的可靠性。由BIM 模型為基礎(chǔ)可提供其他需求分析以輸出相關(guān)中間資料及設(shè)計(jì)成果，信息儲(chǔ)存在BIM 技術(shù)模式下將高度集成，統(tǒng)一管理和調(diào)用。

2.5 信息交互方面

基于BIM 技術(shù)模式進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)化交互，目前可通過IFC 標(biāo)準(zhǔn)或二次開發(fā)特定需求功能等實(shí)現(xiàn)，例如BIM模型導(dǎo)入仿真模擬軟件中進(jìn)行仿真分析，免去重復(fù)建模過程，該模式下信息交互能有效降低出錯(cuò)概率，減少工作量，提高工作效率。

2.6 信息利用方面

BIM 技術(shù)模式下信息集成化程度高，對于不同階段不同需求的信息利用皆有很好的支持，信息傳遞過程基本完整且高效。數(shù)據(jù)化和信息化是未來發(fā)展的方向，對于信息的利用將會(huì)在運(yùn)營維護(hù)階段與健康監(jiān)測系統(tǒng)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)等發(fā)揮更大作用，保障結(jié)構(gòu)體安全運(yùn)營，為未來綠色可持續(xù)工程提供數(shù)據(jù)支持。

3 實(shí)例探析橋梁工程設(shè)計(jì)BIM 技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 工程概況

本項(xiàng)目為某市政工程，項(xiàng)目全長約8.95km，為城市快速路，設(shè)計(jì)速度80km/h，道路紅線寬28～80m，采用主輔路布置，主路雙向6 車道，輔路雙向4 車道。全線設(shè)立交3座，隧道3 座，橋梁5 座，總投資約42.5 億元。

3.2 BIM 設(shè)計(jì)方案與目標(biāo)

3.2.1 BIM 設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目是典型的復(fù)雜市政快速路項(xiàng)目，線路里程長，涵蓋專業(yè)多，周邊環(huán)境復(fù)雜，線路與多條主供水管、油氣能源管道、多檔高壓電線共走廊，且沿線密布基本農(nóng)田、村莊建筑、河流水系、墓地等，路線受限因素繁多，選線難度大。此外涉及與中石油、中石化、燃?xì)狻⒐╇姟⑺畡?wù)、高速、地鐵、交通等專項(xiàng)協(xié)調(diào)，專項(xiàng)數(shù)量多，協(xié)調(diào)難度大；工程實(shí)施面臨沿線重大管線保護(hù)、高壓鐵塔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、橋梁施工安全、施工期高速公路保通等諸多復(fù)雜問題，實(shí)施難度大。為切實(shí)保障路線總體方案的合理性，確保施工與運(yùn)營期間結(jié)構(gòu)與交通安全，提升設(shè)計(jì)過程中的內(nèi)部協(xié)同與外部協(xié)調(diào)效率，提升設(shè)計(jì)成果質(zhì)量，項(xiàng)目從方案設(shè)計(jì)初期便開始使用BIM技術(shù)進(jìn)行三維正向設(shè)計(jì)，并引入BIM+GIS 技術(shù)、虛擬建造技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)云交互技術(shù)等，以直觀高效地展示設(shè)計(jì)意圖，實(shí)現(xiàn)BIM 模型的賦能增值。

3.2.2 BIM 設(shè)計(jì)目標(biāo)

結(jié)合本項(xiàng)目線路長、專業(yè)多、邊界條件復(fù)雜、協(xié)調(diào)溝通多的特點(diǎn)，確定了依托項(xiàng)目開展BIM 正向設(shè)計(jì)的目標(biāo)，即在三維設(shè)計(jì)環(huán)境中開展設(shè)計(jì)工作，以三維BIM 模型為中心，開展方案研究、性能分析、碰撞檢查、工程量統(tǒng)計(jì)及圖紙輸出等，實(shí)現(xiàn)多專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)。同時(shí)，為延伸拓展BIM 模型的價(jià)值，通過引入了BIM+GIS 技術(shù)、施工仿真技術(shù)、移動(dòng)端交互技術(shù)，以有效提升設(shè)計(jì)溝通效率，促進(jìn)科學(xué)決策，實(shí)現(xiàn)BIM 模型的附加值。

3.3 橋梁工程設(shè)計(jì)BIM 技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)

3.3.1 正向設(shè)計(jì)流程

項(xiàng)目在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)基本流程上，結(jié)合行業(yè)、地方、企業(yè)正向設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)協(xié)同機(jī)制，制定了以模型為中心的三維正向設(shè)計(jì)流程，如圖1 所示。

圖1 正向設(shè)計(jì)流程

3.3.2 軟件平臺(tái)及協(xié)同機(jī)制

項(xiàng)目針對道路、橋梁、隧道、管網(wǎng)等主體專業(yè)，確定了相應(yīng)的三維設(shè)計(jì)協(xié)同機(jī)制及對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的軟件平臺(tái)。

3.3.3 BIM 正向設(shè)計(jì)

①環(huán)境模型構(gòu)建。項(xiàng)目利用無人機(jī)航拍技術(shù)采集沿線現(xiàn)場地形及影像數(shù)據(jù)，處理形成全線三維傾斜攝影模型。依托現(xiàn)場仿真模型，進(jìn)行虛擬踏勘，以便高效、精確地掌控項(xiàng)目沿線邊界條件。提取與處理地質(zhì)鉆探數(shù)據(jù)，構(gòu)建地質(zhì)數(shù)字模型，為路基處理、結(jié)構(gòu)、橋梁下部、隧道精細(xì)化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)條件。

②總體方案比選。結(jié)合項(xiàng)目沿線控制條件，初擬路線總體方案，快速建立各方案BIM 模型，基于模型開展總體路線方案及立交節(jié)點(diǎn)方案的綜合比選；采用BIM+GIS 技術(shù)整合BIM 模型與GIS 模型，進(jìn)行方案的可視化評(píng)審。

③橋梁深化設(shè)計(jì)。橋梁采用R+GH+R 技術(shù)（三維造型軟件Rhinoceros（簡稱R）、參數(shù)化設(shè)計(jì)創(chuàng)新領(lǐng)域的設(shè)計(jì)插件Grasshopper（簡稱GH）、族庫存儲(chǔ)及信息化集成軟件Revit（簡稱R））開展參數(shù)化設(shè)計(jì)快速精確完成橋梁結(jié)構(gòu)模型；針對特殊節(jié)點(diǎn)或節(jié)段開展精細(xì)化設(shè)計(jì)、碰撞檢查；結(jié)構(gòu)計(jì)算方面，自主開發(fā)有限元分析軟件數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)BIM 模型與計(jì)算分析軟件間的無損數(shù)據(jù)傳遞及交互；通過定制開發(fā)參數(shù)模塊，一鍵式精確高效統(tǒng)計(jì)工程數(shù)量。

3.3.4 BIM 拓展應(yīng)用

①景觀藝術(shù)審查。為形象清晰地表達(dá)景觀設(shè)計(jì)方案，采用BIM+GIS+景觀布置的方式進(jìn)行景觀方案設(shè)計(jì)，并輸出游線動(dòng)畫供景觀方案審查。②交通導(dǎo)改模擬。基于設(shè)計(jì)模型，運(yùn)用Fuzor 對疏解方案各階段施工內(nèi)容進(jìn)行模擬，以確定最佳施工期間導(dǎo)改與建設(shè)方案。③移動(dòng)端交互。項(xiàng)目在設(shè)計(jì)成果的表達(dá)上，利用“三維+二維”相結(jié)合的方式，使設(shè)計(jì)成果表達(dá)更加清晰直觀。通過掃碼直接在手機(jī)呈現(xiàn)構(gòu)件的BIM 模型，使參建各方能夠快速、準(zhǔn)確地了解復(fù)雜構(gòu)造，如圖2 所示。

圖2 移動(dòng)端圖模交付

3.4 BIM 技術(shù)應(yīng)用效果

本項(xiàng)目橋梁工程設(shè)計(jì)中，采用了BIM+GIS 技術(shù)、虛擬施工技術(shù)、云物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，形成了以模型為中心的正向設(shè)計(jì)技術(shù)路線，探索了多專業(yè)的三維協(xié)同設(shè)計(jì)，進(jìn)一步外延了BIM 模型的附加價(jià)值，達(dá)成了項(xiàng)目的應(yīng)用目標(biāo)。

4 結(jié)語

綜上所述，與建筑工程項(xiàng)目相比，橋梁工程設(shè)計(jì)BIM 技術(shù)應(yīng)用存在一定的滯后情況，這既有行業(yè)特點(diǎn)本身因素，又有傳統(tǒng)觀念束縛。隨著BIM 正向設(shè)計(jì)方法的推廣運(yùn)用，可將BIM 技術(shù)的優(yōu)勢深入到設(shè)計(jì)階段的各部分實(shí)踐中，本工程實(shí)踐中通過BIM 正向設(shè)計(jì)有效攻克了工程中所遇到的復(fù)雜問題，并能輕松靈活地將二維設(shè)計(jì)成果無法詳細(xì)表達(dá)的內(nèi)容通過自身三維的優(yōu)勢清晰直觀地準(zhǔn)確展示，全面提高了項(xiàng)目設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量。本項(xiàng)目的成功實(shí)踐可為類似項(xiàng)目提供有益的參考，且隨著行業(yè)對BIM 理念理解的加深，BIM 技術(shù)進(jìn)一步成熟，相信BIM 技術(shù)會(huì)給橋梁工程設(shè)計(jì)帶來更為深遠(yuǎn)的價(jià)值和影響。