BIM技術在橋梁施工中的應用研究

唐勇

【摘 要】基于橋梁施工過程中存在的信息孤島等問題，文章總結了BIM技術在橋梁施工領域的信息整合、共享和傳遞方面的特點，并結合相關工程案例，論證了該技術在提高施工效率、施工質量和降低成本方面的作用。

【關鍵詞】BIM;橋梁;施工;研究

【中圖分類號】U415;U445 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2022）04-0185-03

0 引言

近年來，我國橋梁工程建設領域進入高增長期，隨著城鎮化進程的提速，各區域對交通基礎設施的投入也與日俱增，特別是橋梁工程建設方面。但是，全行業的橋梁工程訂單的增加并不意味著所有橋梁施工企業都會分得紅利，這其中的原因有很多，如橋梁基礎施工材料成本的增加、人力資源成本的增加等，更重要的是工程建設企業的生產效率逐年呈下滑趨勢，儼然成為整個行業的痛點。

通過走訪和調查可知，施工生產效率偏低的企業不在少數，究其原因是橋梁工程施工過程中各類施工信息與數據的交換不及時、不準確，或稱此種情況為施工過程中的信息孤島或信息壁壘現象，這將帶來極大的人力和物力方面的浪費，進而影響施工生產效率，變相增加了工程成本。為此，需在橋梁施工過程中應用智能化的態勢感知系統和施工信息模型，對施工全過程進行實時、動態、在線監測，高效地完成施工信息交互，提高施工生產效率[1]。

1 BIM技術綜述

1.1 相關定義

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）最早起源于20世紀70年代的美國，是一種基于三維數字技術的先進的可視化建筑模型，其以建筑工程領域的施工項目信息為模型基礎，通過數字化仿真模擬真實建筑物，該模型在數據信息方面具有完備性、關聯性和一致性等特點，而其可視化、協調性和優化性等性能使其在建筑工程施工中得以廣泛使用，如上海世博會、北京冬奧會等主要場館設施的建設項目。由于我國的《建筑信息模型應用統一標準》仍處于編制階段，因此暫用美國目前對該模型的解釋，具體包括以下3個部分：①BIM可看作是一個用數字來表達的建設項目，包括該項目的物理和其他方面的功能特性;②BIM也是一個開放式的共享資源池，使用者可以同時分享建設項目的有關信息，并為項目的建設、維護、拆除等工程提供相應的建議、決策;③BIM是一個在線的協同工作平臺，各設計師及施工方可同時完成對某個項目的修改或更新操作，最大化地提升作業效率。

1.2 應用情況

BIM具有工程施工領域全過程的資源調配、行為監控和問題糾錯等重要維度，能夠給出具體的施工標準和實施方案，可用于各類工程的荷載分析、施工管理和設備維護等，為其在我國的推廣提供了基礎條件。值得注意的是，BIM技術近年來在鋼結構橋梁施工中的應用越來越多，如我國的港珠澳大橋，橋梁主體結構一半以上使用的是鋼結構，在港珠澳大橋全過程施工建設中深度運用了BIM技術。此外，BIM技術在其他類型的橋梁施工中也實現了豐富的應用研究。

2 BIM技術應用在橋梁施工中的優勢

2.1 優化設計方案

橋梁工程的設計方案對橋梁的質量、安全、工期和成本等都有直接的影響，橋梁各部分的施工都是嚴格依據設計方案而進行的，因此設計方案不能出現任何偏差。為制訂一個安全、合理、可控的橋梁設計方案，應實地考察橋址附近的地質構造、水文氣象等環境因素，并綜合考慮該區域可能發生的地質災害等情況，可借助于BIM技術進行設計方案的優化。根據施工設計原始圖紙使用BIM技術進行三維建模，例如通過調用模型中的“構件庫”和“節點庫”，橋梁施工過程中所用到的常規部件便一目了然，再次輸入構件數量和節點參數，方便后續對構件和節點進行深入的設計、修改，最終達到優化設計方案的目的。

2.2 實現數字化施工

BIM技術的深入應用，使橋梁施工的過程變得簡單、有序，尤其是對鋼結構等預制件的加工而言，BIM模型不僅能夠依據設定的加工信息迅速生成具體加工清單，還能自動生成最為合理、高效、節約和安全的結構制造工藝路徑，能夠最大限度地滿足不同用戶的各種加工需求，包括很多定制的個性化需求。此外，BIM技術在金屬構件焊接、數控機床切割及更為復雜的構件加工時也能發揮顯著的作用，三維建模的數字化施工模式彌補了CAD等二維工具在進行指導加工時存在的不足。而且，基于BIM技術的數字化橋梁施工模式能夠在很短的時間內完成種類繁多且數量龐大的施工構件、材料的統計、分類和匯總工作。

2.3 實現動態可視化施工

傳統橋梁工程的施工模式存在很多弊端，例如在部分施工場景中，沒有實現動態可視化的施工模式，不具備施工信息數據的實時在線檢索功能，這種完全依靠施工現場監督和指揮人員而進行的人員、材料和施工設備調配的模式，在施工信息的傳遞、共享和更新方面較為單一，容易出現信息孤島或信息壁壘的不利情況，對施工質量的控制作用甚微。搭載了4D-CAD技術的BIM架構能夠實現橋梁各施工場景中詳細信息和BIM模組的動態關聯，可以支持可視化的施工模型和方案的表達，達到橋梁施工全過程動態可視化的目的。

2.4 實現集約化高效施工

傳統橋梁工程施工中由于信息化技術尚不完善，因此對施工現場的人員、材料、設備等無法做到實時、有序的精細化分工，加之施工監理與施工人員進行施工信息的傳達或落實過程中容易出現偏差，使得在多數情況下依賴人工或半人工而做出的各項施工決策出現了問題，即在橋梁工程信息化建設程度較低時或尚未應用任何橋梁工程施工模型時，無法實現集約化的高效施工。這種情況下容易發生施工材料浪費、施工人員冗余等現象，使工程總體的施工進度拖延、施工效率低下。基于BIM技術的橋梁施工信息模型，可以完成集約化的高效施工，對施工人員、施工材料和施工設備等進行宏觀上的協調和統籌，做到上述施工信息在特定施工場景中的最佳匹配，保證各施工環節利用效率的最大化。

2.5 施工全過程造價監控

相比傳統的橋梁工程造價，BIM技術的有效運用是一次顛覆性的改變，其具備的各項優勢是傳統造價方案所無法相比的，特別是在全面提升橋梁工程造價的效率和信息化水平上，BIM獨具的業務流程和智能化的測算模式在業內處于領先地位。具體來說，BIM技術使龐雜煩瑣且耗時耗力的工程量統計工作在短時內便可高效完成，并且數據統計工作相當精準，將橋梁工程造價的核心確定為施工全過程的造價監控，從而有效避免了煩瑣的工程量測算，時間成本較低，將BIM應用于橋梁工程全過程的造價監控，這本身對工程造價人員的專業素質和能力提出了更高的要求，但對橋梁工程施工的全過程成本監控意義重大。總之，BIM技術應用于橋梁工程施工全過程的造價監控領域具有以下幾個方面的優點：①工程量測算周期短;②造價評估精確;③隨施工項目變化而調整的靈活度較高[2]。

3 工程案例應用與討論

3.1 工程簡介

防城港市位于廣西南端，水系豐富且伴有喀斯特巖溶地質，土質結構復雜、橋梁施工難度較大，在該區域進行橋梁工程的建設需要考慮的問題和影響因素有很多，如特殊地質引起的橋體結構的穩定性、施工工期等。計劃興建的西灣大橋Ⅱ期項目全長7 652.138m，為中越鐵路防城港至東興段雙線跨海特大橋，其中C4K5+060處跨越欽防線，C4K5+320處跨越東興大道，C4K7+060處跨越北部灣大道，C4K7+152.93至C4K9+348.25跨越西灣，跨海段全長2 035m，全橋預計施工期為24個月，計劃使用年限為50年。由于該橋梁工程量較大、施工周期較長且對工程施工的質量和安全性要求十分嚴格，因此將BIM技術引入工程項目施工中，具體考察BIM技術在構件加工、檢測碰撞、相離問題和整體工期進度等方面的作用[3]。

3.2 BIM三維實體建模

為有效分析BIM技術在西灣大橋施工中的應用價值，使用BIM系統架構對該工程進行三維實體建模，建模過程包括多個任務，即搭建工程實體模型、優化施工工藝、檢查校準模型和模型深度調整優化，最終達到施工模型與實際施工進度同步的目的。建模過程消耗的時間較長，其間可能需要數次反復進行修改。根據施工資料圖上所標注的橋梁各構件數量和尺寸，正確無誤地輸入BIM三維建模軟件中，對系統報錯的參數應仔細核對，當全部的施工參數都輸入完成后，再次進行數據量的校驗，保證BIM三維實體建模結果與設計施工資料上的信息全部一致。

3.3 利用BIM對構件進行加工

BIM軟件中的材料加工模塊能夠實現對橋梁工程構件的數字化加工功能，包括一次加工和二次加工。以鋼桁架為例，為得到尺寸標準的鋼桁架，在BIM軟件中預設相關尺寸參數，包括一些復雜施工節點中的構件，通過BIM軟件系統進行全自動的切割、下料，實現從BIM模型到數控機床切割的自動化和智能化過程，高精度的計量和切割標準為高質量構件的制造和打磨提供了強有力的保障。需要注意的問題是，在構件制造過程中，如遇數控機床發生卡頓或停轉現象，應及時停止切割操作，查明問題原因后方可繼續進行作業。

3.4 利用BIM檢測碰撞、相離等問題

由于西灣跨海大橋Ⅱ期為特大型鋼結構橋，施工中所需要的構件非常繁雜，在鋼橋構件拼接過程中容易發生碰撞、相離等問題，因此應用BIM軟件搭建了西灣全橋的施工模型，由鋼桁架構件的整體拼裝或試拼裝可實現模型的自動校準功能，此時如果施工過程中發生碰撞或相離等問題，在BIM軟件系統中會得以呈現，能夠確保復雜的鋼橋構件拼接的正確性，便于橋位吊裝成形。

3.5 BIM虛擬施工以掌握工期進度

BIM軟件系統架構具有工期進度約束功能，具體做法是在BIM系統中引入時間（T）維度實現4D虛擬化施工的模擬，在BIM虛擬施工進程中，可隨時比較直觀地查看施工進度，通過對比實際施工情況判斷當前施工進度是否符合預期，判斷各施工場景的人員、材料和設備使用情況。BIM虛擬化施工能最大限度地保證軟件上的施工進度與實際施工進度相一致，對于下一步施工場景，BIM軟件系統會智能地給出施工建議，工程技術人員通過現場施工監控畫面判斷是否符合施工規范要求，對施工現場違規的施工行為及時糾正，使各施工部分的質量均滿足工程要求。

4 BIM技術應用于橋梁施工的效果評估

4.1 施工質量方面

BIM系統架構進行鋼桁架碰撞和相離檢測時，已完成對問題構件的糾錯，使得西灣大橋在鋼結構的施工中質量得以保障。此外，在其他施工構件的吊裝和安裝時，BIM系統也提供了重要的技術支撐，及時修補了施工中存在的質量問題，確保該橋梁工程項目整體達到驗收標準。在技術人員檢查BIM系統時發現，施工期間所有的質量問題都已記錄，施工監理人員依據所記錄的質量問題信息再次逐一進行檢查，結果全部的施工質量問題都已及時完成整改。

4.2 工期進度方面

在西灣大橋施工前期及各施工節點完成后，BIM系統預設的工期進度跟蹤模塊都會及時完成自檢，對超出工期節點要求的環節，系統自動生成并給出了下一步的施工整改計劃。BIM組件中的虛擬施工模塊在下一階段施工時也會自動給出預警提示，如可能遇到的施工問題或影響工期進度的具體位置，這些預警信息供現場施工人員參考。本工程的實際施工數據表明，無論是橋梁各部分的網格化施工進度還是橋梁工程的總體施工進度，都滿足工程設計方案要求。

4.3 成本控制方面

進行施工全過程的成本控制，這是BIM系統架構最為明顯的優勢，這是由其施工信息交互的及時性、準確性和全面性所決定的，徹底解決了施工過程中的信息孤島和信息壁壘問題，使西灣大橋工程各施工要素無縫銜接，最大限度地減少了人工成本和時間成本，提高了施工生產效率，有效地控制了工程成本。

4.4 安全風險方面

在西灣大橋的各部分施工中，始終將可能遇到的安全風險事件發生的概率置于首位。BIM系統架構對安全風險方面的管控已形成一套完整的預警、檢測和處置流程，如在進行鋼桁架的吊裝和拼接時，BIM軟件系統畫面有相應的安全風險提示，禁止人員在吊機下方停留或鋼桁架拼裝位置錯誤等。正是由于BIM系統具有完備而牢固的施工安全風險防御體系，使得在該工程項目的施工中，安全風險事件發生的概率降為最低，同時BIM軟件系統在安全風險精細化的管控方面具有自主的機器學習功能，通過網絡連接，可定期自動搜索最新的工程案例和安全事件，將這些資料和數據上傳并保存在BIM文檔服務器中，不斷地更新系統數據庫信息，通過在線獲取橋梁施工常見的安全風險數據，修復尚存的系統檢測盲區或漏洞，從而提高BIM系統自身對橋梁施工中安全風險的識別和干預能力，筑牢施工安全防線。

5 結語

BIM技術并非簡單地將施工信息進行集成，而是一種智能的、高效的、低風險的數字化應用，通過各類施工參數模型的有效整合，打通各施工要素的信息傳遞通道，實現了施工項目全生命周期內信息數據的實時共享，為工程設計和施工團隊提供了一個在線的協同建設平臺，極大地提高了施工的生產效率，并且能夠及時發現施工中存在的問題并進行整改，使工程質量得以保障。當前，國內基于BIM系統架構的橋梁施工技術仍處于起步階段，應該指出的是，BIM系統架構中各類施工參數都是基于原始施工設計圖紙及現場實際的施工環境而設定的，因此只有熟悉橋梁施工現場的具體情況，清楚工程應用中要解決的問題，才能真正地發揮BIM技術應有的價值。

參 考 文 獻

[1]胡興意，陳波，劉國強，等.融合BIM與影像建模技術的橋梁檢測方法及其應用研究[J].中外公路，2020（1）：107-112.

[2]蔡雪峰，楊尊煌，鄭蓮瓊，等.基于BIM的建設工程電子文件與電子檔案管理體系研究[J].土木建筑工程信息技術，2019（4）：54-62.

[3]陳文寶，魏志松，張航，等.BIM技術在裝配式橋梁工程中的應用[J].北京交通大學學報，2019（4）：65-70.