基于BIM技術(shù)的橋梁工程信息化研究

黃子興 中國水利水電第七工程局有限公司

1 前言

Building Information Modeling 簡稱BIM，它是歐特克公司在2002年提出的一個新概念，此技術(shù)已在全球的范圍內(nèi)得到應(yīng)用，并取得了行業(yè)的廣泛認(rèn)可，此技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)行業(yè)中各種信息的集成，從建筑最初的設(shè)計(jì)開始，到施工，再到運(yùn)行直至建筑全壽命周期的完成，各種類型的信息都整合在一個三維BIM模型數(shù)據(jù)庫中，設(shè)計(jì)單位、施工單位、設(shè)施運(yùn)維部門以及業(yè)主等各參與人員都可以基于BIM模型協(xié)同工作，提高工作效率、節(jié)省施工資源、降低施工成本、從而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

2 項(xiàng)目概況

紅家中橋（橋梁中心里程K7+993m，長度99m，寬度40m，跨徑3×30m）。橋梁設(shè)計(jì)為雙幅橋（圖1），橋梁的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為預(yù)制預(yù)應(yīng)力的混凝土簡支小箱梁，橋墩則使用柱式的墩樁基礎(chǔ)，本橋臺使用重力式的U型橋臺、擋土橋臺、樁柱式橋臺，墩臺的樁基都按嵌巖樁設(shè)計(jì)，采用鉆孔灌注樁施工。橋梁在橋臺前墻處和梁體分聯(lián)處置EM80 型、EM120 型伸縮縫，其余位置橋面連續(xù)。

3 BIM技術(shù)基本應(yīng)用

3.1 輔助圖紙會審

通過各個專業(yè)BIM 模型的建立，發(fā)現(xiàn)圖紙問題，進(jìn)行匯總整理，形成書面文檔，作為圖紙會審依據(jù)。在多方會審過程中，將三維模型作為多方會審的溝通媒介，在多方會審前將圖紙中出現(xiàn)的問題在三維模型中進(jìn)行標(biāo)記，會審時(shí)對問題逐個評審并提出修改意見，大大地提高溝通效率。

3.2 碰撞檢查

因?yàn)楸緲蛄旱慕Y(jié)構(gòu)內(nèi)部空間相對關(guān)系錯綜復(fù)雜，而傳統(tǒng)二維圖紙?jiān)谡宫F(xiàn)橋梁構(gòu)件三維關(guān)系時(shí)有一定的局限性，導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)考慮不夠周全，發(fā)生構(gòu)件之間的碰撞、部件位置沖突的現(xiàn)象。由于部分特殊結(jié)構(gòu)在二維圖紙上無法表示，具體實(shí)施時(shí)施工單位難以理解設(shè)計(jì)意圖，造成不必要的損失。應(yīng)用BIM Works 或Navisworks 軟件將二維圖紙轉(zhuǎn)化成三維模型，同時(shí)設(shè)置各專業(yè)模型碰撞檢查規(guī)則，可以快速找出符合碰撞規(guī)則的碰撞點(diǎn)，并生成相應(yīng)的碰撞檢查報(bào)告，每條碰撞信息包括碰撞的類型、深度及具體三維情況。施工人員根據(jù)報(bào)告調(diào)整施工方案，避免項(xiàng)目工期的延誤或項(xiàng)目返工。

3.3 施工工藝動畫模擬

根據(jù)圖紙建立洪家中橋三維模型，滿足了建筑師的想象力，通過BIM 技術(shù)可視化特點(diǎn)，BIM 模型可讓設(shè)計(jì)人員提高工作效率，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，更好地為項(xiàng)目品質(zhì)提供服務(wù)。

（1）復(fù)雜節(jié)點(diǎn)交底。對于復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行三維動畫演示，對施工單位項(xiàng)目實(shí)施的相關(guān)人員進(jìn)行可視化技術(shù)交底，提高了交底內(nèi)容的直觀性和生動性，相關(guān)施工人員可快速理解設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖，保證項(xiàng)目施工目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，極大地提高了交底效率，施工工藝執(zhí)行更加徹底，減少返工，提高工程質(zhì)量。

（2）專項(xiàng)施工方案模擬與優(yōu)化。通過BIM技術(shù)的可視化特點(diǎn)，可指導(dǎo)項(xiàng)目部編制可視化的專項(xiàng)施工方案，讓施工人員形象生動地理解復(fù)雜的施工工序，提高交底效率，提前模擬方案實(shí)施時(shí)現(xiàn)場施工狀態(tài)，提前規(guī)避可能存在的安全隱患、消防漏洞及危險(xiǎn)源，合理布置專項(xiàng)施工方案的施工工序，有利于專項(xiàng)方案的實(shí)施（圖2）。

3.4 精確算量

工程造價(jià)是非常繁瑣的工作，特別是工程量的計(jì)算，包含工程估算、工程概算、工程預(yù)算、工程結(jié)算和工程決算等過程。使用深化后的BIM 三維模型進(jìn)行算量，并生成明細(xì)表，統(tǒng)計(jì)分析工程量數(shù)據(jù)，為工程算量提供精確數(shù)據(jù)。項(xiàng)目各相關(guān)部門需要對BIM模型進(jìn)行協(xié)同管理并實(shí)時(shí)更新模型數(shù)據(jù)，及時(shí)準(zhǔn)確地呈現(xiàn)各個階段的造價(jià)信息。同時(shí)還可以將造價(jià)數(shù)據(jù)錄入BIM云平臺中，在施工現(xiàn)場也可使用手機(jī)端查看相關(guān)工程量，并把施工現(xiàn)場的實(shí)際使用量實(shí)時(shí)錄入BIM平臺中，實(shí)現(xiàn)多算對比。

3.5 5D施工進(jìn)度模擬

BIM5D 是在三維模型的基礎(chǔ)上加上進(jìn)度和成本，形成5D模型，然后將5D模型放到云平臺上，這樣可以通過BIM5D 模型進(jìn)行進(jìn)度、成本和資源等信息查詢，并根據(jù)輸入的進(jìn)度輸入進(jìn)度模擬視頻。

BIM5D 中，可以按照橋梁工程的施工工序?qū)⑷S模型進(jìn)行切分，并將BIM 模型和進(jìn)度、施工日志進(jìn)行關(guān)聯(lián)，將三維模型與進(jìn)度計(jì)劃整合在可視的4D 模型，直觀、準(zhǔn)確地反映整個項(xiàng)目的施工過程，實(shí)現(xiàn)進(jìn)度動態(tài)監(jiān)控及預(yù)警。

BIM5D 平臺管理還提供資料系統(tǒng)管理，通過PC端將各專業(yè)模型導(dǎo)出所需文件格式，并將其進(jìn)行集成，導(dǎo)入BIM5D 平臺中，通過各部門配合及溝通，將項(xiàng)目合同、電子版圖紙、成本預(yù)算單價(jià)、進(jìn)度計(jì)劃等信息上傳至平臺，并與模型的各個構(gòu)件進(jìn)行關(guān)聯(lián)，5D系統(tǒng)可對項(xiàng)目的成本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整理和歸集，形成成本數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目成本的動態(tài)管理、實(shí)現(xiàn)資金計(jì)劃精準(zhǔn)預(yù)測和動態(tài)調(diào)整。為隨后展開BIM 在項(xiàng)目中的應(yīng)用做好準(zhǔn)備。

通過BIM5D 平臺在施工前設(shè)置各專業(yè)工種，施工過程中 現(xiàn)場管理人員可通過手機(jī)移動端設(shè)置和上傳各施工位置各工種勞動力人數(shù)，在WEB 端進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。在形成過程資料的同時(shí)便于項(xiàng)目管理人員規(guī)劃合理的設(shè)備工作形式以及物料出入庫路線，使施工現(xiàn)場有條不紊地進(jìn)行，減少工作面沖突。

3.6 梁場信息化管理

橋梁工程中預(yù)制梁的制作過程如下：①鋼筋綁扎；②澆筑混凝土；③轉(zhuǎn)運(yùn)存梁；④吊裝拼裝，通過軟件的支持，將每榀預(yù)制梁的制作過程分為：梁場準(zhǔn)備-任務(wù)計(jì)劃-制梁-存梁-轉(zhuǎn)運(yùn)-吊裝拼裝。其中制梁又分為：鋼筋綁扎-檢驗(yàn)批錄入-澆筑混凝土-存放-質(zhì)量檢驗(yàn)。并通過BIM 信息化管理技術(shù)對每榀預(yù)制梁進(jìn)行橋梁信息供應(yīng)、制梁進(jìn)度統(tǒng)計(jì)、制梁任務(wù)計(jì)劃、梁信息維護(hù)以及制梁工藝修改等。對梁場的信息化管理是對梁場進(jìn)行項(xiàng)目全過程的信息及施工資料的動態(tài)展示及管理，方便相關(guān)人員實(shí)時(shí)了解預(yù)制梁的進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)預(yù)制梁的生產(chǎn)效率實(shí)時(shí)掌控，以技術(shù)規(guī)范數(shù)據(jù)庫建設(shè)為依據(jù)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化管理，同時(shí)以工序流程管理為主線，實(shí)現(xiàn)了全過程控制，全面提高了預(yù)制梁的質(zhì)量。

3.7 二維碼應(yīng)用

在日常的工程管理工作中，項(xiàng)目管理人員需要掌握項(xiàng)目人員的信息、項(xiàng)目進(jìn)度情況、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量把控、現(xiàn)場機(jī)械設(shè)備的維護(hù)管理，這些傳統(tǒng)的方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還存在信息難統(tǒng)計(jì)、難記錄、難查詢的情況，急需一套行之有效的工具幫助他們輕松完成這些工作。二維碼技術(shù)與BIM技術(shù)相結(jié)合，可以為建筑施工企業(yè)提供全過程管理的解決方案。通過掃描二維碼的方式記錄相關(guān)信息，解決在施工過程中人員管理、成本管理、設(shè)備管理、工程信息管理及展示的需求。平臺中的所有機(jī)械，均以唯一的二維碼全面覆蓋，做到一機(jī)一碼一證。所有機(jī)械的維修記錄在平臺上可以查詢，定期保養(yǎng)時(shí)間自動提醒。

3.8 質(zhì)量安全管理

在BIM 技術(shù)的支持下，橋梁施工現(xiàn)場采用5D 平臺輔助質(zhì)量管理，通過BIM5D平臺的應(yīng)用，項(xiàng)目管理人員可以形象、直觀地了解橋梁各構(gòu)件參數(shù)、構(gòu)件尺寸、位置等參數(shù)信息，有利于高效、快捷指導(dǎo)橋梁工程現(xiàn)場施工。同時(shí)項(xiàng)目現(xiàn)場技術(shù)人員以及安全人員在施工過程中對項(xiàng)目現(xiàn)場的質(zhì)量、安全問題實(shí)施拍照上傳，抄送相關(guān)負(fù)責(zé)人，對該區(qū)域?qū)崟r(shí)整改，整改完畢后拍照上傳，形成閉環(huán)；通過BIM 平臺查看協(xié)同情況，并掌握項(xiàng)目各類問題的發(fā)展趨勢，使現(xiàn)場管理更有針對性。BIM 平臺還能模擬橋梁施工現(xiàn)場驗(yàn)收的流程及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，可以從模擬過程中發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的問題，提前做好預(yù)防，并對橋梁的質(zhì)量展開客觀公正地評價(jià)。

4 BIM技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用

4.1 BIM+GIS地下數(shù)據(jù)的測量

在橋梁施工管理的應(yīng)用中，通過BIM技術(shù)建立虛擬三維模型并為模型中的每個構(gòu)件掛接生成具有唯一標(biāo)識性的編碼，以該編碼為索引依據(jù)，將各構(gòu)件的材料信息、幾何屬性、狀態(tài)變化情況以屬性的方式賦予各構(gòu)件，達(dá)到精準(zhǔn)記錄和存儲的目的；再配合三維模型以數(shù)字化、可視化的形式展示出來，可以科學(xué)高效查看和管理施工。

GIS 技術(shù)可以為復(fù)雜地理環(huán)境下橋梁施工的規(guī)劃、管理、決策和營運(yùn)提供科學(xué)有效的技術(shù)支持。其技術(shù)包括光學(xué)遙感影像、高程DEM數(shù)據(jù)、無人機(jī)傾斜攝影、地面?zhèn)鞲衅鞯仍趦?nèi)的多源數(shù)據(jù)的載體，以地理坐標(biāo)為基準(zhǔn)搭建一套橋址處的高還原度虛擬環(huán)境，具有十分優(yōu)異的可視化效果和地理空間分析基礎(chǔ)。

BIM+GIS 技術(shù)的結(jié)合，采用了Infraworks 360 在三維地形和影像模型上快速選線，并設(shè)置橋梁、隧道等構(gòu)造物，并可導(dǎo)入Civil 3D作優(yōu)化設(shè)計(jì)。方案經(jīng)過Civil 3D 優(yōu)化設(shè)計(jì)后，成果導(dǎo)入Infraworks 360中，在真實(shí)的地形、路線、路基、橋隧等模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行多方案可視化比選，縮短方案決策時(shí)間。

4.2 BIM在橋梁運(yùn)維中的應(yīng)用

科學(xué)保障橋梁工程的行車安全及壽命是國家重大需求，新技術(shù)的興起為橋梁的智能檢測與安全運(yùn)維提供了新的發(fā)展契機(jī)。隨著新型傳感、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，基于BIM 技術(shù)和人工智能的橋梁運(yùn)營管理解決方案，為橋梁的智能檢測、診斷識別、評價(jià)預(yù)測及養(yǎng)護(hù)維修提供了新思路。

BIM技術(shù)通過對橋梁的安全數(shù)據(jù)監(jiān)控，以及對維修維護(hù)狀態(tài)的分析，精確了解橋梁使用狀況及使用壽命，通過顏色直觀的區(qū)分出損壞較嚴(yán)重的部位，并作出及時(shí)正確地處理，通過把預(yù)埋監(jiān)測系統(tǒng)搜集的監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞到運(yùn)維管理系統(tǒng)，判別水下積泥、異物和重大結(jié)構(gòu)損壞情況，并及時(shí)作出響應(yīng)。

4.3 無人機(jī)應(yīng)用

施工過程中可以不定期地進(jìn)行無人機(jī)航拍，對施工工人予以安全監(jiān)督和巡查。定期航拍，還可獲取實(shí)時(shí)的形象進(jìn)度。對獲取的進(jìn)度與BIM5D平臺的計(jì)劃進(jìn)度進(jìn)行對比，以更好地展開進(jìn)度管理，方便項(xiàng)目管理人員調(diào)配材料，并形成過程中的影像資料，提高工作效率。

4.4 三維激光掃描與竣工模型

利用全景掃描技術(shù)，在橋梁工程施工的重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)對重難點(diǎn)的工作面進(jìn)行三維掃描，生成關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的全景模型，經(jīng)相關(guān)軟件處理后輸出點(diǎn)云模型，然后導(dǎo)入三維軟件形成三維模型，再將三維模型與BIM 模型加以對比，得到二者之間的精度差別，以檢驗(yàn)施工質(zhì)量。

4.5 BIM+VR應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)在BIM中的應(yīng)用，總的思想是基于虛擬現(xiàn)實(shí)引擎技術(shù)來承載BIM 模型及其數(shù)據(jù)，并通過VR呈現(xiàn)BIM 的三維模型及相關(guān)信息。從而將BIM 三維模型與VR 平臺進(jìn)行無縫對接，借助VR 設(shè)備，如VR眼鏡或頭盔，呈現(xiàn)真實(shí)的模型效果，并可以與BIM 模型實(shí)時(shí)更新，達(dá)到實(shí)時(shí)呈現(xiàn)的效果，并且在虛擬場景中查看BIM 三維模型承載的信息。BIM+VR 技術(shù)一方面可以得到好的效果，另一方面也可以呈現(xiàn)BIM中相關(guān)的信息，實(shí)現(xiàn)無縫對接。

利用BIM+VR技術(shù)，形成基于計(jì)算機(jī)或云平臺的具有仿真功能的系統(tǒng)，讓系統(tǒng)中的模型有相關(guān)信息，并對模型進(jìn)行模擬施工，根據(jù)施工模擬的成果，在人機(jī)交互的環(huán)境中改進(jìn)項(xiàng)目施工方案。

4.6 BIM+AR應(yīng)用

AR為簡寫，全稱為Augmented Reality，即增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的意思，是在虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)上拓展出的一種新的人機(jī)交互技術(shù)，不同于VR，AR 技術(shù)是通過將計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體或信息在實(shí)際的環(huán)境中進(jìn)行疊加，呈現(xiàn)現(xiàn)實(shí)與虛擬相結(jié)合的場景，即增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。

5 結(jié)束語

橋梁施工難度大、環(huán)境復(fù)雜、工期緊、要求高、協(xié)調(diào)多、信息量大，BIM 技術(shù)在橋梁中的應(yīng)用可以很好地解決這些問題。BIM 技術(shù)在橋梁施工階段的應(yīng)用尚處于初級階段，但是BIM 技術(shù)在發(fā)現(xiàn)圖紙錯誤、施工提前模型、可視化技術(shù)交底、工程量實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)、各專業(yè)碰撞檢測、多部門多單位的信息集成等方面較傳統(tǒng)管理模式具有很大的優(yōu)勢。

BIM5D 云平臺可實(shí)現(xiàn)橋梁工程全壽命周期的管理，從項(xiàng)目的初期設(shè)計(jì)到施工再到運(yùn)維的全過程信息化動態(tài)管理，實(shí)現(xiàn)橋梁工程項(xiàng)目的精細(xì)化管理，保證橋梁工程的安全、質(zhì)量、成本、進(jìn)度、環(huán)保等目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。