BIM技術(shù)在橋梁工程方面的應(yīng)用研究

吳得卿、張廣海

（中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100000）

0 引言

伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)交通建設(shè)行業(yè)也得到了長(zhǎng)足發(fā)展，尤其橋梁工程項(xiàng)目的建設(shè)數(shù)量和建設(shè)規(guī)模日益壯大。橋梁工程極易受到周邊各種不確定因素的影響，導(dǎo)致橋梁的耐久性和安全性降低。在現(xiàn)階段的橋梁工程施工中，傳統(tǒng)方式的橋梁工程設(shè)計(jì)和構(gòu)造主要依托CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件）。BIM 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)信息集成化，以及橋梁工程構(gòu)建設(shè)計(jì)、施工管理和養(yǎng)護(hù)維修三位一體化，不僅能夠有效滿足當(dāng)前建筑行業(yè)現(xiàn)代化的高標(biāo)準(zhǔn)要求，而且有利于加快實(shí)現(xiàn)低消耗、低污染的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

1 BIM 技術(shù)概述

BIM 技術(shù)作為一種信息化技術(shù)，在建筑行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。眾所周知，橋梁工程是建筑行業(yè)以及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中重要的組成部分。橋梁工程因其建設(shè)周期較長(zhǎng)，施工難度大，涉及的施工工序和施工環(huán)節(jié)繁雜，施工過程中的不確定因素極易影響橋梁工程的施工質(zhì)量和安全性[1]。針對(duì)這種情況，利用BIM技術(shù)的數(shù)據(jù)信息化共享功能，建立橋梁工程的仿真建筑物。同時(shí)通過BIM 技術(shù)的可視化特征，不斷優(yōu)化、調(diào)整橋梁工程施工方案，有利于確保橋梁工程有序有效地開展。除此之外，將BIM 技術(shù)應(yīng)用于橋梁工程建設(shè)、設(shè)計(jì)、施工以及后期運(yùn)營(yíng)管理等全過程中，能夠促進(jìn)我國(guó)建筑行業(yè)實(shí)現(xiàn)健康可持續(xù)發(fā)展。

2 BIM 技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 協(xié)同設(shè)計(jì)更高效

傳統(tǒng)方式下，在橋梁工程建設(shè)過程中，由于施工工序和施工環(huán)節(jié)繁雜，極易導(dǎo)致各部門的設(shè)計(jì)圖紙版本不一致的情況，嚴(yán)重影響整個(gè)橋梁工程的施工進(jìn)度和施工質(zhì)量。區(qū)別于傳統(tǒng)方式，在橋梁工程建設(shè)過程中，采用BIM 技術(shù)協(xié)同模式能夠?qū)崿F(xiàn)各部門的設(shè)計(jì)圖紙同一平臺(tái)、同一標(biāo)準(zhǔn)、同一目標(biāo)、同一環(huán)境，有效避免各部門的設(shè)計(jì)圖紙?jiān)跍贤ㄟ^程中大量反復(fù)修改，在保證橋梁工程的施工效率和施工質(zhì)量的同時(shí)，確保施工進(jìn)度符合項(xiàng)目建設(shè)要求。

2.2 方案設(shè)計(jì)成果可視化

在傳統(tǒng)橋梁工程方案設(shè)計(jì)階段，往往通過CAD 畫出橋梁平面圖和橋型布置圖后，結(jié)合橋梁的平面圖、立面圖和橫面圖，展現(xiàn)整個(gè)橋梁的外觀設(shè)計(jì)情況。這種方式不僅程序煩瑣，不利于橋梁工程設(shè)計(jì)各部門之間的交流與溝通，而且不能形象、直觀地展現(xiàn)整個(gè)橋梁的外觀。針對(duì)這種情況，在橋梁工程方案設(shè)計(jì)過程中，通過應(yīng)用BIM 技術(shù)模型設(shè)計(jì)，形成三維實(shí)景模型，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整個(gè)橋梁外觀的可視化；而且能夠進(jìn)一步通過渲染和動(dòng)畫，展示橋梁的整個(gè)施工過程以及竣工效果，更加科學(xué)合理地優(yōu)化和完善橋梁工程方案設(shè)計(jì)，有利于推動(dòng)整個(gè)橋梁工程建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。

2.3 提高施工質(zhì)量，節(jié)約施工成本

在橋梁工程設(shè)計(jì)階段，應(yīng)用BIM 技術(shù)，通過三維實(shí)體渲染，不僅能夠在建模過程中，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)施工和設(shè)計(jì)過程中存在的問題，并及時(shí)進(jìn)行整改優(yōu)化，而且能夠發(fā)現(xiàn)橋梁施工中材料的損耗點(diǎn)，并進(jìn)行合理優(yōu)化，控制材料損耗，提升橋梁工程項(xiàng)目施工質(zhì)量的同時(shí)，最大化提升施工材料的利用率，有利于推動(dòng)整個(gè)橋梁工程項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

3 我國(guó)BIM 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

雖然現(xiàn)階段我國(guó)的建筑行業(yè)，尤其橋梁建筑行業(yè)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，BIM 技術(shù)已經(jīng)被建筑行業(yè)應(yīng)用，但從總體上來看，我國(guó)橋梁建筑行業(yè)的企業(yè)對(duì)BIM 技術(shù)的應(yīng)用還處于研究階段。根據(jù)有關(guān)調(diào)查研究分析，雖然我國(guó)橋梁建筑行業(yè)的大部分企業(yè)已經(jīng)對(duì)BIM 技術(shù)有所了解，但是將BIM 技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際的橋梁工程建設(shè)中的企業(yè)少之又少，甚至有小部分橋梁建筑企業(yè)對(duì)BIM 技術(shù)的了解甚微。由此可見，BIM 技術(shù)在我國(guó)橋梁建筑行業(yè)的發(fā)展還處于探索起步的階段，未來BIM 技術(shù)在我國(guó)的橋梁建筑行業(yè)發(fā)展中將具有廣闊的空間。

4 BIM 技術(shù)在橋梁工程方面的應(yīng)用

4.1 BIM 技術(shù)在可行性研究階段的應(yīng)用

在橋梁工程建設(shè)過程中，傳統(tǒng)方式下往往需要建筑企業(yè)深入施工現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行選址、方案規(guī)劃等方面全方位的研究評(píng)估，進(jìn)而確保整個(gè)橋梁工程建設(shè)的科學(xué)性、可行性。這樣一來，不僅耗時(shí)較長(zhǎng)，而且難以有效防范橋梁工程建設(shè)過程中出現(xiàn)的各種風(fēng)險(xiǎn)。然而，通過引進(jìn)BIM 技術(shù)，搭建橋梁三維模型，實(shí)現(xiàn)橋梁的選址、施工方案以及橋梁的外觀面貌可視化。一方面，BIM 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)橋梁工程建設(shè)的各種參數(shù)數(shù)據(jù)信息的全方位展示，有利于第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)在橋梁工程建設(shè)過程中存在的風(fēng)險(xiǎn)，并及時(shí)采取優(yōu)化措施；另一方面，借助三維橋梁模型，能夠科學(xué)合理地統(tǒng)計(jì)分析施工現(xiàn)場(chǎng)所耗用的材料成本，有利于實(shí)現(xiàn)在橋梁工程建設(shè)過程中，各種施工材料的精細(xì)化管理。

4.2 BIM 技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

通常情況下，橋梁工程設(shè)計(jì)主要包括預(yù)可階段、工可階段、初步設(shè)計(jì)階段、技術(shù)設(shè)計(jì)階段、施工圖設(shè)計(jì)階段等五個(gè)階段。

4.2.1 預(yù)可階段

在橋梁設(shè)計(jì)的預(yù)可階段，建筑企業(yè)往往通過設(shè)計(jì)不同的橋型方案，編制橋梁的工程造價(jià)。通過BIM 技術(shù)，對(duì)建筑工程現(xiàn)場(chǎng)的周邊地形進(jìn)行模擬創(chuàng)建。一方面，相關(guān)設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)不同的橋梁模型，設(shè)計(jì)橋梁工程設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行科學(xué)合理的工程造價(jià)和效益估算；另一方面，通過3D 模型能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)橋梁周邊環(huán)境保護(hù)，以及可持續(xù)發(fā)展方面的可視化，為設(shè)計(jì)者提供科學(xué)合理的參考建議，有利于設(shè)計(jì)者選出最優(yōu)橋梁工程設(shè)計(jì)方案。

4.2.2 工可階段

在工可階段，通過BIM 技術(shù)創(chuàng)建三維模型。一方面，能夠使設(shè)計(jì)人員結(jié)合橋梁工程項(xiàng)目的建設(shè)要求，在模型中標(biāo)記橋梁的建筑尺寸、材料參數(shù)等數(shù)據(jù)信息，有利于實(shí)現(xiàn)橋梁施工技術(shù)、成本等各方面的精細(xì)化管理和控制；另一方面，利用BIM 技術(shù)創(chuàng)建的三維模型，使設(shè)計(jì)人員能夠可視化、全方位、精細(xì)化地了解橋梁橋型設(shè)計(jì)方案，并且能夠結(jié)合多方面因素，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁工程設(shè)計(jì)方案的可行性和經(jīng)濟(jì)性的最優(yōu)化選擇，如圖1 所示。

圖1 某過街天橋橋型方案之一

4.2.3 初步設(shè)計(jì)階段

將BIM 技術(shù)應(yīng)用于橋梁的初步設(shè)計(jì)階段，一方面，能夠借助BIM 模型最大程度地提升設(shè)計(jì)圖紙的科學(xué)合理性，從而有效避免傳統(tǒng)方式下圖紙出現(xiàn)錯(cuò)誤而導(dǎo)致的工程變更情況，致使建筑企業(yè)的施工成本增加；另一方面，設(shè)計(jì)人員通過BIM 技術(shù)結(jié)合施工工程項(xiàng)目建設(shè)要求，在創(chuàng)建的三維模型上編輯施工材料、施工設(shè)備參數(shù)等，有利于實(shí)現(xiàn)建筑材料與工程量的科學(xué)合理統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而提升各項(xiàng)材料的利用率。

4.2.4 技術(shù)設(shè)計(jì)階段

傳統(tǒng)方式下，在橋梁工程建設(shè)過程中，一旦工程設(shè)計(jì)方案發(fā)生變化，將會(huì)嚴(yán)重影響施工進(jìn)度和施工質(zhì)量。利用BIM 技術(shù)的協(xié)同化特點(diǎn)，不僅能夠在工程設(shè)計(jì)方案變更的同時(shí)，通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入精細(xì)化的細(xì)節(jié)處理，實(shí)時(shí)更新施工各部門設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)工程量的實(shí)時(shí)更新，能夠有效避免傳統(tǒng)方式下施工進(jìn)度延誤的情況；而且采用BIM 技術(shù)，能夠極大地提升橋梁工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量[3]。

4.2.5 施工圖設(shè)計(jì)階段

在橋梁施工圖設(shè)計(jì)階段，相對(duì)于傳統(tǒng)方式下設(shè)計(jì)人員費(fèi)時(shí)費(fèi)力的人工方式，利用BIM 技術(shù)的可視化、數(shù)字化特點(diǎn)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的精細(xì)化計(jì)算，確保橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等參數(shù)滿足工程建設(shè)要求；而且能夠利用BIM 技術(shù)精準(zhǔn)化計(jì)算橋梁配筋等相關(guān)參數(shù)，并且系統(tǒng)自動(dòng)生成詳細(xì)的材料報(bào)表。除此之外，當(dāng)施工圖中某一參數(shù)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，利用BIM 技術(shù)的協(xié)同化特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)橋梁施工圖數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新，極大地提升了橋梁施工圖的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

4.3 BIM 技術(shù)在施工階段的應(yīng)用

為了進(jìn)一步詳細(xì)了解BIM 技術(shù)在橋梁工程建設(shè)中的實(shí)際應(yīng)用效果，以實(shí)際案例進(jìn)行闡述。案例中的橋梁建設(shè)長(zhǎng)度為974m，橋形是目前國(guó)內(nèi)普遍采用的懸臂澆筑法施工單箱梁體最寬的矮塔斜拉橋，其中主橋長(zhǎng)660m。施工項(xiàng)目預(yù)期工程造價(jià)約4.04 億元，計(jì)劃施工周期30 個(gè)月。

4.3.1 數(shù)字信息化施工

在該案例中，利用BIM 技術(shù)進(jìn)行數(shù)字信息化施工，不僅能夠加強(qiáng)施工各部門之間的交流協(xié)作，促進(jìn)提升各部門信息溝通的質(zhì)量，而且有利于提升橋梁工程的建設(shè)效率和建設(shè)質(zhì)量。不同于傳統(tǒng)方式，在橋梁工程施工階段構(gòu)件生產(chǎn)過程中，受施工環(huán)境不確定因素的影響，導(dǎo)致施工構(gòu)件質(zhì)量大打折扣。通過BIM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)橋梁工程的數(shù)字信息化，一方面橋梁的構(gòu)件能夠跨越區(qū)域同時(shí)生產(chǎn)，有利于提升橋梁建設(shè)的實(shí)際效率[4]。與此同時(shí)，還可以通過預(yù)制構(gòu)件的方式進(jìn)行構(gòu)件加工，有效確保構(gòu)件質(zhì)量的穩(wěn)定性。另一方面，通過BIM 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁工程施工信息化管理的同時(shí)，確保橋梁的施工進(jìn)度和施工周期滿足工程建設(shè)的預(yù)期要求。

4.3.2 施工模擬

在橋梁工程建設(shè)過程中，通過BIM 技術(shù)的三維建模方式能夠模擬各個(gè)工序和施工環(huán)節(jié)，有利于最優(yōu)化選擇科學(xué)合理的施工方案。首先，在利用BIM 技術(shù)虛擬模塊的過程中，應(yīng)該模擬在橋梁工程建設(shè)過程中，每一項(xiàng)施工工作建立獨(dú)立的設(shè)計(jì)模塊。其次，通過設(shè)計(jì)各個(gè)環(huán)節(jié)的獨(dú)立的設(shè)計(jì)模塊，綜合分析和探討之后，建立起橋梁工程的完整施工模型，能夠確保實(shí)際的橋梁工程施工質(zhì)量和施工進(jìn)度。

4.3.3 管理物資

首先，工作人員要結(jié)合實(shí)際情況和BIM 技術(shù)，對(duì)施工材料進(jìn)行科學(xué)合理的規(guī)劃。其次，工作人員可以利用BIM 技術(shù)，將實(shí)際施工中的各個(gè)項(xiàng)目通過編碼的形式儲(chǔ)存到相應(yīng)的物資管理數(shù)據(jù)庫(kù)中。一方面，能夠自動(dòng)化計(jì)算出工程建設(shè)所需的工程量；另一方面，在物資管理數(shù)據(jù)庫(kù)中，將購(gòu)買的材料和實(shí)際工程量所需的材料進(jìn)行分析比對(duì)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物資和設(shè)施的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)和管理，有效防范施工材料缺失的情況發(fā)生，確保橋梁工程的實(shí)際施工進(jìn)度和施工質(zhì)量。

4.3.4 數(shù)據(jù)管理

在橋梁工程建設(shè)過程中，針對(duì)施工工序繁雜、施工周期較長(zhǎng)、施工環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)，為了確保實(shí)際施工質(zhì)量和施工進(jìn)度，需要對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)督和管理。傳統(tǒng)方式下，質(zhì)量監(jiān)督控制環(huán)節(jié)往往需要用人工方式對(duì)大量的橋梁工程施工數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對(duì)，不僅耗費(fèi)大量的人工，而且質(zhì)量監(jiān)督和管理效果并不樂觀。利用BIM 技術(shù)的信息共享功能和協(xié)同作用，結(jié)合橋梁工程的數(shù)據(jù)信息，建立有效的數(shù)據(jù)信息處理平臺(tái)，不僅能夠促進(jìn)各部門對(duì)橋梁信息數(shù)據(jù)的溝通交流，有利于實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)施工質(zhì)量的監(jiān)督管理，而且能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，極大地提升了管理的效率和質(zhì)量。

4.4 BIM 技術(shù)在運(yùn)營(yíng)階段的應(yīng)用

眾所周知，我國(guó)橋梁眾多，情況復(fù)雜，橋梁工程項(xiàng)目的后期運(yùn)營(yíng)管理大多數(shù)依賴于人工方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和常規(guī)檢查和CBMS（China Bridge Management System，即中國(guó)公路橋梁管理系統(tǒng)）開展運(yùn)營(yíng)管理工作。但是，在我國(guó)橋梁工程項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模和建設(shè)數(shù)量與日俱增的時(shí)代大背景下，依靠CBMS 和人工數(shù)據(jù)采集和常規(guī)檢查方式，已經(jīng)難以滿足當(dāng)前橋梁運(yùn)營(yíng)管理工作的實(shí)際要求。通過引入BIM 技術(shù)，利用BIM 的信息即時(shí)更新功能和協(xié)同功能，能夠有效彌補(bǔ)當(dāng)前CBMS 存在的不足，促使BIM 技術(shù)和CBMS 系統(tǒng)協(xié)同工作。一方面，能夠有效促進(jìn)提升我國(guó)橋梁檢測(cè)行業(yè)的數(shù)據(jù)收集和常規(guī)檢查工作效率和質(zhì)量；另一方面，在橋梁的日常安全管理方面，也能夠發(fā)揮至關(guān)重要的作用[5]。

在橋梁的日常安全管理方面，利用BIM 技術(shù)的可視化特點(diǎn)，將橋梁工程建設(shè)的所有信息數(shù)據(jù)收集起來，形成3D 模擬動(dòng)畫，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁后期運(yùn)營(yíng)管護(hù)階段的實(shí)時(shí)監(jiān)控，而且通過3D 模擬動(dòng)畫分析出潛在風(fēng)險(xiǎn)，并提出相應(yīng)的優(yōu)化方案。除此之外，在實(shí)際的橋梁工程建設(shè)過程中，當(dāng)面臨不可抗力、交通事故等突發(fā)性事件時(shí)，利用BIM 可視化的特點(diǎn)創(chuàng)建3D 模擬動(dòng)畫，及時(shí)提出科學(xué)可行的應(yīng)急預(yù)案，有利于促進(jìn)提升橋梁工程建設(shè)安全應(yīng)急管理的實(shí)際質(zhì)量和效果。不難看出，未來BIM 技術(shù)在橋梁運(yùn)營(yíng)維護(hù)方面無疑具有廣闊的發(fā)展空間。

5 結(jié)語

綜上所述，將BIM 技術(shù)應(yīng)用于橋梁工程建設(shè)的前期階段和后期運(yùn)營(yíng)階段等全過程中，充分利用BIM 技術(shù)的可視化、數(shù)據(jù)信息共享、協(xié)同性等特點(diǎn)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁工程建設(shè)全過程的全方位精細(xì)化管理，分析、研究、制定最優(yōu)化的工程設(shè)計(jì)方案，而且能夠通過BIM 技術(shù)的可視化模型展示，結(jié)合工程項(xiàng)目建設(shè)要求的施工參數(shù)，實(shí)現(xiàn)精確化的工程造價(jià)預(yù)算，為項(xiàng)目決策層提供科學(xué)合理的參考依據(jù)。除此之外，通過利用BIM 技術(shù)的協(xié)同化特點(diǎn)，在橋梁工程建設(shè)過程中，出現(xiàn)施工方案變更時(shí)，實(shí)時(shí)調(diào)整施工進(jìn)度和施工方案，有效避免傳統(tǒng)方式下工程項(xiàng)目變更導(dǎo)致的施工成本增加和施工進(jìn)度延誤的情況，確保施工進(jìn)度和施工質(zhì)量。通過將BIM 技術(shù)應(yīng)用于橋梁工程項(xiàng)目，有利于促進(jìn)管理模式向高效、科學(xué)的方式轉(zhuǎn)變。