橋梁工程全生命周期中BIM技術(shù)的研究和應(yīng)用

新疆龍口一號大橋剛構(gòu)橋方案

新疆龍口一號大橋拱橋方案

近年來，BIM（Building Information Modeling）技術(shù)在公路建設(shè)和養(yǎng)護中開始受到廣泛重視并開始試點應(yīng)用。與建筑、市政、鐵路領(lǐng)域相比，公路領(lǐng)域開展BIM研究和應(yīng)用較晚，但是發(fā)展勢頭迅猛。2014年，中交集團立項特大科研項目，組織集團重點企業(yè)進行技術(shù)攻關(guān)。BIM技術(shù)在項目上的應(yīng)用，已經(jīng)從最初的重點集中于規(guī)劃設(shè)計階段的方案展示、碰撞檢查、三維模型制作，逐步發(fā)展到施工進度、質(zhì)量管理和成本管理，再到運維階段的建養(yǎng)一體化管養(yǎng)平臺，逐步展示出通過BIM技術(shù)手段在工程全生命周期實現(xiàn)信息傳遞、共享、使用帶來的巨大效益。

中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司（簡稱“中交公規(guī)院”）與公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心依托重點橋梁項目，對BIM技術(shù)在工程全生命周期中進行了研究和應(yīng)用，目前已形成一整套應(yīng)用流程。

規(guī)劃設(shè)計階段BIM技術(shù)應(yīng)用

地形地質(zhì)模型及結(jié)構(gòu)模型

橋梁規(guī)劃設(shè)計階段，主要工作在于建立橋址處及道路沿線地形和地質(zhì)模型，以及橋梁結(jié)構(gòu)模型。首先是建立地形模型，目前實現(xiàn)獲取地形模型所需圖像信息的方式主要有衛(wèi)星圖片、航拍、無人機拍攝、激光掃描等。衛(wèi)星圖片是最容易獲取的信息，但是因衛(wèi)星圖片精度的限制（目前，民用衛(wèi)星圖片精度是平面精度10米、垂直精度5米），這樣形成的地形模型精度無法達到工程要求。航拍、無人機拍照、激光掃描，在精度上都可以達到工程要求。實際應(yīng)用表明，對于如基坑開挖防護等小范圍地形抽模，旋翼式小型無人機即可勝任，但是如高速公路等大范圍地形建模工作，大型固定翼無人機是更好的選擇。

通過將工程模型與場地模型相結(jié)合，可以在投標和方案研究階段非常直觀方便地選擇和優(yōu)化工程方案。中交公規(guī)院完成了新疆龍口一號大橋剛構(gòu)橋方案和拱橋方案的比較。

大連灣跨海大橋設(shè)計方案VR展示效果

工程的總體方案基本確定后，往往要優(yōu)化結(jié)構(gòu)細節(jié)，這時采用虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)是一個很有競爭力的做法，VR技術(shù)強大的顯示能力，能夠讓業(yè)主直觀感受到設(shè)計方案的真實效果。中交公規(guī)院負責(zé)設(shè)計的大連灣跨海大橋，應(yīng)業(yè)主要求對比多種傾斜角度（0度、5度、7度）的橋塔方案，采用VR技術(shù)向業(yè)主方案匯報時，直觀地展示了各種傾斜角度的橋塔在車行和船行兩個視角下的視覺效果，使業(yè)主迅速敲定最終設(shè)計方案。目前，該項技術(shù)同樣在西江大橋等多座大橋的方案展示中得到應(yīng)用。

參數(shù)化建模

參數(shù)化建模是BIM設(shè)計的趨勢。通過建立土木工程結(jié)構(gòu)的標準構(gòu)件庫（如箱梁、橋塔、墩身、基礎(chǔ)等），可實現(xiàn)快速參數(shù)化建模。同時，符合規(guī)則的標準化建模方式是實現(xiàn)下文所述設(shè)計計算一體化的關(guān)鍵。標準構(gòu)件庫（族庫）隨著工程實例的增加而不斷完善，最終會成為一個單位的核心競爭力之一。尤其在方案研究階段，豐富的族庫可以非常高效地完成方案比選工作。

碰撞檢查

碰撞檢查是BIM技術(shù)的一個突出優(yōu)勢，主要分幾何碰撞和時間流程碰撞兩類。在設(shè)計階段主要針對的是幾何碰撞，對于橋梁設(shè)計而言，主要是結(jié)構(gòu)的碰撞、鋼筋及預(yù)應(yīng)力筋的碰撞、機電管線的碰撞。采用BIM技術(shù)正向設(shè)計，碰撞檢查可以有效地發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題，大大提高設(shè)計質(zhì)量。

參數(shù)化構(gòu)件信息表

族庫

梁內(nèi)配筋碰撞檢測

設(shè)計分析一體化

工程師們在設(shè)計階段往往會面對方案的多次修改，修改后的方案需要重新總體計算以驗證合理性。此時，如果設(shè)計模型不能直接用于總體計算，而需另行建立一個總體計算模型，效率將大大下降，同時兩個模型的一致性往往因為人為因素而出現(xiàn)錯誤。因此，BIM技術(shù)與結(jié)構(gòu)分析軟件一體化融合技術(shù)，一直是國內(nèi)外軟件廠商研究的熱點，中交公規(guī)院希望實現(xiàn)用一個模型同時完成設(shè)計和總體計算工作。但由于橋梁BIM模型是實體模型，而總體計算模型是簡化模型，需要將實體模型抽象成空間梁單元，并做多方面的減化考慮。因而，目前BIM技術(shù)與分析一體化融合在橋梁應(yīng)用上仍存在較大難度，沒有針對橋梁推出成熟的商業(yè)化應(yīng)用。

BIM參數(shù)化建模腳本自動生成Osis命令流

中交公規(guī)院基于自主研發(fā)的三維非線性計算分析軟件OSIS，編制了一套可參數(shù)化的命令流語言，通過修改參數(shù)來驅(qū)動橋梁模型，實現(xiàn)有限元模型的快速修改，以參數(shù)化的命令流為核心，完成BIM建模軟件與分析軟件的互通。通過參數(shù)化建模軟件Dynamo提供的Python語言，將參數(shù)化腳本文件自動生成OSIS軟件能夠識別的命令流，從而根據(jù)BIM模型在分析軟件OSIS中生成節(jié)點、截面，并添加邊界條件，自動建立有限元模型，用于結(jié)構(gòu)總體計算。當BIM模型修改時，有限元總體計算模型會自動修正，實現(xiàn)了BIM參數(shù)化建模與有限元總體計算的統(tǒng)一。

三維模型二維出圖

由于長期以來形成的習(xí)慣，工程師們還是離不開二維圖紙，如何利用三維BIM模型快速并符合一般制圖規(guī)定地批量生成二維圖紙，是亟需提升的關(guān)鍵技術(shù)之一。中交公規(guī)院依托鋼橋通用圖項目，基本解決了二維出圖問題，除總體布置圖等少量圖紙，已能完成大部分二維圖紙的出圖。

施工階段BIM技術(shù)應(yīng)用

設(shè)計階段生成的BIM模型與施工階段無縫銜接，是應(yīng)用BIM技術(shù)的一個重要目標。利用模型指導(dǎo)預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)、施工工藝的檢驗，并管理施工進度、質(zhì)量、成本等，根據(jù)施工的實際情況修正BIM模型，最終完成用于數(shù)字化交付的施工模型。

鋼構(gòu)件預(yù)制和拼裝

最終接頭tekla模型（含舾裝設(shè)備）

數(shù)控機床下料切割

中交公規(guī)院主持設(shè)計的港珠澳大橋采用橋-島-隧形式，其中沉管隧道最終接頭的設(shè)計和施工是港珠澳大橋建設(shè)中的一個關(guān)鍵問題。為保證最終接頭的加工精度，中交公規(guī)院與振華重工合作，實現(xiàn)了BIM模型在設(shè)計和預(yù)制環(huán)節(jié)的無縫銜接。將用Tekla軟件制作的BIM模型導(dǎo)入數(shù)控機床，采用自主研發(fā)軟件自動進行工藝余量添加，通過半自動套料排版（該環(huán)節(jié)目前仍需人工干預(yù)），直接用于數(shù)控機床的自動化下料切割，并利用BIM三維模型自動生成鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計詳圖（整體布置圖、零件圖、構(gòu)件圖和節(jié)段圖等）和各種報表，以利于鋼構(gòu)件拼裝。這一技術(shù)顯著提高了新型整體預(yù)制安裝式最終接頭的生產(chǎn)效率和精確度，縮短了設(shè)計和施工整體工期，保障了最終接頭的成功沉放對接。

施工管理平臺

施工階段BIM應(yīng)用的關(guān)鍵是展示完整施工過程的BIM模型和相應(yīng)的施工管理平臺，可進行工程結(jié)構(gòu)的虛擬施工模擬、構(gòu)件管理、施工進度管理、施工質(zhì)量管理及計量支付管理。通過虛擬施工模擬，在實際施工前便能了解整個項目施工的過程、結(jié)果以及對應(yīng)的工程量，為實際工程項目施工提供經(jīng)驗和最優(yōu)的可行方案。

將BIM模型附加施工進度計劃屬性參數(shù)，形成4D模型，從而直觀展現(xiàn)計劃建造過程，并通過手機、iPad等終端溝通施工方、監(jiān)理方和管理者，通過反饋的實際施工信息分析其與進度計劃的偏差，合理糾偏并調(diào)整進度計劃，使管理者對工程量及進度影響一目了然。根據(jù)計劃和實際進度，計算整個工程、任意WBS節(jié)點、3D施工段或構(gòu)件，在任意時間范圍的工程量及累計工程量，為計量支付提供工程量依據(jù)。中交公規(guī)院在鋪前大橋、平塘大橋、西江大橋等項目中嘗試了基于BIM的施工管理。

在結(jié)構(gòu)施工完成以后，復(fù)核構(gòu)件質(zhì)量。根據(jù)復(fù)核結(jié)果修正BIM模型，形成一個真實反映建筑物的竣工模型和包含質(zhì)量、設(shè)備、文檔等信息的數(shù)據(jù)庫，這些將作為施工數(shù)字化交付成果移交到運維階段。

橋梁運維階段評估管理流程

施工結(jié)束后交付的BIM模型中，記錄了施工中的受力、變形及初始缺陷等信息，運維階段將施工交付的BIM模型導(dǎo)入統(tǒng)一的建養(yǎng)一體化運維管理平臺，作為初始運營監(jiān)測模型，這項工作可以替代傳統(tǒng)的運維開始階段的零狀態(tài)檢測。將健康監(jiān)測系統(tǒng)相關(guān)信息也納入建養(yǎng)一體化運維管理平臺，并通過巡檢系統(tǒng)獲得的橋梁實際狀態(tài)結(jié)果，修正橋梁模型，通過監(jiān)測系統(tǒng)獲得的環(huán)境變量作為外荷載輸入計算分析橋梁靜動力，為橋梁運營狀態(tài)的安全評估、預(yù)警及決策，自動提供管養(yǎng)方案?；诰S修加固信息實時修正BIM模型以保證運維模型的長期準確性，綜合各類運維信息給出橋梁的全生命周期成本評估，實現(xiàn)了管養(yǎng)的信息化、智能化、精細化。

橋梁建養(yǎng)一體化云平臺

目前，中交公規(guī)院與公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心建立了基于BIM的橋梁建養(yǎng)一體化云平臺，硬件設(shè)備主要是監(jiān)控大廳和橋梁云數(shù)據(jù)中心，軟件系統(tǒng)由橋梁運維BIM模型、橋梁實時感知系統(tǒng)和遠程傳輸系統(tǒng)、數(shù)字化巡檢系統(tǒng)、橋梁評估及預(yù)警決策系統(tǒng)組成。

橋梁施工管理平臺示意圖

BIM模型運維階段數(shù)據(jù)流動示意圖

建養(yǎng)一體化云平臺中，橋梁運維BIM模型通過將建設(shè)期形成的橋梁BIM模型與運維期監(jiān)測系統(tǒng)模型相融合，形成運維期橋梁BIM模型。橋梁實時感知系統(tǒng)和遠程傳輸系統(tǒng)，針對多災(zāi)害作用下橋梁工程發(fā)生的災(zāi)害行為及后果，采用并發(fā)采集技術(shù)和遠程高效傳輸技術(shù)，建立多災(zāi)害實時感知與傳輸子系統(tǒng)、橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，為感知結(jié)構(gòu)響應(yīng)、預(yù)測災(zāi)變行為提供數(shù)據(jù)支撐；數(shù)字化巡檢系統(tǒng)由智能化巡檢運營養(yǎng)護管理系統(tǒng)和移動端App系統(tǒng)組成，實現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集、養(yǎng)護計劃、巡查檢查、養(yǎng)護檢測評定、日常養(yǎng)護、養(yǎng)護工程等的養(yǎng)護業(yè)務(wù)全過程的信息化管理；橋梁評估及預(yù)警決策系統(tǒng)利用大數(shù)據(jù)方法，分析挖掘管養(yǎng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)基于監(jiān)測與檢測數(shù)據(jù)的橋梁性能綜合評估。目前，橋梁建養(yǎng)一體化云平臺已實時監(jiān)控全國20多座特大橋梁。嘉紹大橋根據(jù)監(jiān)測檢測數(shù)據(jù)得到剛性鉸位移和應(yīng)力分析的結(jié)果，與縱向位移計算結(jié)果完全吻合，證明了這套系統(tǒng)的有效性。

中交公規(guī)院通過自主研發(fā)和吸收引進相結(jié)合，已初步實現(xiàn)了BIM技術(shù)在橋梁工程全生命周期的應(yīng)用，但還有很多技術(shù)難點需要攻克。未來，中交公規(guī)院將積極推動BIM正向設(shè)計，繼續(xù)重點深入研究BIM技術(shù)與結(jié)構(gòu)分析軟件一體化融合技術(shù)、施工管理平臺、建養(yǎng)一體化云平臺等，并積極參與BIM標準規(guī)范編制，推動BIM技術(shù)在工程建設(shè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。