BIM在橋梁工程中的應用研究現(xiàn)狀及展望

曾瓊瑤, 鄭凱鋒, 潘 偉

(西南交通大學，四川成都 610036)

傳統(tǒng)建筑行業(yè)由于低效率的管理和各種形式的浪費產(chǎn)生了巨大的損失，據(jù)美國國家標準和技術(shù)協(xié)會統(tǒng)計，2008年總投資418萬億美元，其中約30 %的資金被浪費[1]。因此，若能提高建設(shè)項目的管理水平，從而節(jié)約能源和提高生產(chǎn)效率，建筑業(yè)必然會得到較大的經(jīng)濟效益。

BIM(BuildingInformationModeling)即建筑信息模型，基于三維模型實現(xiàn)建設(shè)項目物理特性、功能特性和管理要素的描述。BIM作為重要的信息化技術(shù)手段，將建筑設(shè)計、施工、運營維護和拆除全周期中的各項數(shù)據(jù)集于一體，有效避免了各方信息不通的現(xiàn)象。通過搭建的數(shù)據(jù)平臺，項目各方參與者可在任何階段進行數(shù)據(jù)共享和實時交流，促進項目參與者之間的協(xié)調(diào)與協(xié)作，從生命周期的角度提高項目的互操作性，進而實現(xiàn)項目規(guī)劃、設(shè)計、施工、運營維護的一體化，提高生產(chǎn)效率和工程質(zhì)量[2][7]。

橋梁工程是一種特殊的建筑結(jié)構(gòu)，具有構(gòu)件多、結(jié)構(gòu)設(shè)計復雜、施工環(huán)境復雜多變和施工難度大等特點[8]，若能將BIM技術(shù)引入橋梁工程，則必然會加快橋梁的工業(yè)化和信息化進程。目前，BIM在工民建、鐵路和隧道領(lǐng)域的應用發(fā)展較快，且技術(shù)已相對成熟，而BIM在橋梁中的應用還處于探索階段[9]。

1 BIM的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外BIM的發(fā)展歷程

20世紀70年代，美國學者ChuckEastman博士提出“建筑描述系統(tǒng)”，該系統(tǒng)可實現(xiàn)對建筑工程的模擬，因此被視為BIM的原型。1986年，美國學者RobertAish首次提出“BuildingModeling”的概念。1999年，“BuildingInformationModeling”的概念被Tolman教授正式提出[10]。2000年以后，國外各大著名軟件公司，例如Autodesk、Bentley等陸續(xù)開發(fā)BIM相關(guān)軟件。與此同時，美國總務(wù)局率先推出“3D-4D-BIM”計劃，發(fā)布BIM應用指南和準則。美國聯(lián)邦機構(gòu)美國陸軍工程兵團推出2006～2020年期間BIM發(fā)展計劃。隨后，相關(guān)部門發(fā)布IFC(IndustryFoundationClasses)標準和NBIMS(NationalBuildingInformationModelStandard)等一系列BIM應用標準[11]。除此之外，日本、英國、韓國、新加坡等國家也逐漸開始重視BIM在建筑工程領(lǐng)域的應用，政府制定了一系列政策和標準以推動BIM的發(fā)展。

1.2 我國BIM的發(fā)展歷程

我國對BIM技術(shù)的研究起步較晚，2002年引入BIM概念，直到2006年才開始真正重視BIM。我國從政策角度大力支持和推廣BIM的應用，住建部先后頒布《2011～2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》、《關(guān)于推進建筑信息模型應用的指導意見》和《2016-2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》，全面提高建筑業(yè)信息化水平，加強BIM的應用[12]。與此同時，住建部陸續(xù)出臺BIM國家標準，以推進BIM的普及應用。2016年12月，住建部發(fā)布公告，批準GB/T51212-2016《建筑信息模型應用統(tǒng)一標準》為國標，該標準為我國第一部BIM應用的工程建設(shè)標準，為后續(xù)BIM的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)；2017年5月，住建部發(fā)布公告，批準GB/T51235-2017《建筑信息模型施工應用標準》為國標，該規(guī)范主要引導施工階段的建筑信息模型的應用，對施工階段的建筑信息模型的創(chuàng)建、使用和管理提出各項要求；2017年11月，第三部國家BIM標準GB/T51269-2017《建筑信息模型分類和編碼標準》正式發(fā)布，該標準作為建筑工程信息交換與共享平臺的基礎(chǔ)，規(guī)范了建筑信息模型中信息的分類與編碼。與此同時，各行業(yè)積極推進BIM在相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的研究和應用，例如中國鐵路總公司將BIM作為鐵路工程信息化建設(shè)的主要發(fā)展方向，并依托科研項目開展了多個專業(yè)BIM標準研究，初步搭建了鐵路BIM標準體系框架[13]。

2 BIM在橋梁工程設(shè)計階段的應用研究現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)部分橋梁工程師已在設(shè)計階段引入BIM。齊成龍[14]通過達索和Tekla建立東平水道特大橋精細化BIM模型，完成了BIM協(xié)同設(shè)計、骨架設(shè)計、鋼箱梁設(shè)計、鋼束BIM設(shè)計、鋼筋BIM協(xié)同設(shè)計。苗永杭[15]結(jié)合BIM和C語言開展連續(xù)梁零號節(jié)段深化設(shè)計工作，并且基于深化完成的BIM模型直接生成二維圖紙和統(tǒng)計工程數(shù)量。宋福春[16]利用Revit建立大跨度斜拉橋信息化模型，提高了設(shè)計效率并且減少了材料浪費現(xiàn)象。

2.1 設(shè)計階段的兩種應用模式及其特點

目前，在BIM設(shè)計中主要有兩種應用模式，分別為“反向BIM設(shè)計”和“BIM正向設(shè)計”?！胺聪駼IM設(shè)計”模式在橋梁工程設(shè)計中應用較為廣泛，設(shè)計人員依托二維圖紙建立三維可視化模型，并在此基礎(chǔ)上進行校核檢查，最后根據(jù)修改意見對設(shè)計方案和模型進行修改，直至設(shè)計完成。在該模式中，BIM僅僅是作為確定設(shè)計方案的輔助工具[17]。在“BIM正向設(shè)計”模式中，設(shè)計人員在無交付圖紙的情況下，直接在三維環(huán)境中設(shè)計，并且通過一系列搭建的平臺和接口實現(xiàn)各專業(yè)的協(xié)作，最后通過三維模型直接生成二維圖紙。與反向BIM設(shè)計不同的是，BIM在正向模式中不僅僅是設(shè)計階段的工具，更是建設(shè)項目全生命周期的工具[18]。由于橋梁工程涉及的專業(yè)廣而復雜，很難完全實現(xiàn)各專業(yè)的準確對接，因此相較于“反向BIM設(shè)計”模式，“BIM正向設(shè)計”目前在橋梁工程中的運用較少。

2.2 BIM在設(shè)計階段應用的優(yōu)勢

BIM在橋梁設(shè)計階段具有極大的優(yōu)勢，主要有以下幾點：

(1) 可以更加直觀、高效、精細和智能地進行設(shè)計表達；

(2) 三維可視化模型可清晰地呈現(xiàn)出構(gòu)件沖突或管道碰撞等問題，便于設(shè)計人員及時調(diào)整設(shè)計和修改施工圖紙，顯著降低了施工中出錯的可能性；

(3) 不同部位很可能由不同的人設(shè)計，BIM提供平臺將各方設(shè)計人員的成果整合在一起，大大提高了設(shè)計效率，并且能有效減少設(shè)計中的漏洞，從根本上提高工程建設(shè)設(shè)計水平和質(zhì)量；

(4) 基于精細化BIM模型，設(shè)計人員可準確迅速地計算和提取工程量，大大提高設(shè)計精度和計算效率[19][21]。

3 BIM在橋梁工程施工階段的應用研究現(xiàn)狀

施工是橋梁建設(shè)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，而橋梁具有施工難度大、工作量大和施工周期長等特點，因此如何在保證施工質(zhì)量的前提下加快施工進度和有效控制施工成本成為橋梁工程師攻克的重難點。目前，國內(nèi)部分學者開展了BIM在橋梁工程施工階段的應用研究，部分施工單位也將BIM運用到實際工程項目中。姜早龍[22]將BIM應用到跨磁懸浮軌道橋梁中，基于BIM可視化模型和信息交換平臺深化設(shè)計、模擬施工過程和建立合理的工程管理體系。蔣平江[23]以金沙江雙線特大橋為背景，基于達索平臺，利用Catia建立地質(zhì)和全橋的BIM模型，通過Delmia模擬施工過程，實現(xiàn)了大橋安全、有效、智能施工。智鵬[24]通過Tekla模擬了泰和贛江特大橋各種復雜的施工工藝和施工過程，實現(xiàn)三維可視化交底和施工過程的精細化管控。

3.1 BIM在施工階段中的主要應用

在施工準備階段，施工人員和BIM技術(shù)人員根據(jù)設(shè)計方交付的施工圖并結(jié)合現(xiàn)場實際環(huán)境和施工資源，完成施工模型。現(xiàn)場人員根據(jù)施工模型進行沖突檢查、設(shè)計校核和施工圖優(yōu)化，隨后根據(jù)施工方案模擬施工過程并對施工方案進行優(yōu)化[25]。在施工實施階段，BIM主要起協(xié)調(diào)各方有效地、有序地完成進度管理、工程計量、成本管理、質(zhì)量管理和安全控制的作用，施工人員對施工過程進行實時監(jiān)控和動態(tài)管理。施工過程中產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)信息是后期運營維護階段信息化管理的基礎(chǔ)，因此施工單位在施工完成后還需整理留存相關(guān)數(shù)據(jù)信息，在項目竣工驗收后將數(shù)據(jù)信息交付運營維護單位。

3.2 BIM在施工階段應用的優(yōu)勢

BIM在橋梁施工中能發(fā)揮明顯優(yōu)勢，主要有以下幾點：

(1) 施工人員對施工過程實行全程實時監(jiān)控，能及時發(fā)現(xiàn)施工中存在的問題并提出解決措施；

(2)施工人員能科學安排和調(diào)控施工進度，從而有效控制施工周期；

(3) 基于實時和動態(tài)的管理，施工人員可在合理范圍內(nèi)控制成本；

(4) 基于合理、有序、有效的信息化管理，施工質(zhì)量能得到提高。

4 BIM在橋梁工程運營維護階段的應用研究現(xiàn)狀

運營維護階段是橋梁工程全生命周期中持續(xù)時間最長、信息收集量和信息管理量最大的階段，因此需建立一個完整的、高效的運維體系來保證橋梁的安全運營[26]。劉天成[27]以平塘特大橋為背景，基于BIM進行建養(yǎng)一體化設(shè)計和平臺搭建，研發(fā)了BIM信息管理系統(tǒng)。耿方方[28]對基于BIM的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)展開研究，建立了橋梁安全運維的多用戶協(xié)同管理和監(jiān)測養(yǎng)護一體化管理平臺?？偟膩砜?，BIM在運營維護階段的應用主要涉及到安全管理體系和安全評估體系。

4.1 基于BIM的安全管理體系

橋梁在運營前已累積了設(shè)計、施工等階段的大量數(shù)據(jù)，后期會繼續(xù)輸入運營維護階段的數(shù)據(jù)信息，傳統(tǒng)管理模式難以高效地處理如此龐大的數(shù)據(jù)，因此管理效率較低。將具有信息化功能和可視化功能的BIM運用到橋梁運營階段，可以實現(xiàn)橋梁設(shè)計、施工信息、運營階段常規(guī)信息和結(jié)構(gòu)安全信息的統(tǒng)一管理。管理人員通過三維立體的形式隨時查看橋梁狀態(tài)，并可細化到每一構(gòu)件，根據(jù)其編碼追溯到構(gòu)件所有基本信息[29]。基于BIM的信息管理系統(tǒng)能實時對信息進行分類、整理、存儲、更新、提取和可視化輸出，給維護人員提供動態(tài)有效的信息。除此之外，各方通過基于BIM搭建的協(xié)同工作平臺進行信息資源共享，隨時在線交流，及時共同制定相關(guān)決策，為橋梁的安全運營提供便利[30-31]。

4.2 基于BIM的橋梁安全評估體系

BIM平臺通過檢測系統(tǒng)和遠程高效傳輸技術(shù)獲得實時環(huán)境、荷載和橋梁結(jié)構(gòu)響應[27]。然而，由于獲取的數(shù)據(jù)量多、復雜和具有隨機性，如果不對數(shù)據(jù)加以處理，可能會導致監(jiān)測數(shù)據(jù)的失真[28]。因此，BIM平臺還需對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行甄別和挖掘，以提取有效信息。最后，BIM平臺中的綜合評估模塊基于有效的實測數(shù)據(jù)和其他管養(yǎng)信息對橋梁結(jié)構(gòu)進行實時的安全評估、智能預警和決策。

4.3 BIM在運營維護階段應用的優(yōu)勢

BIM在運維階段主要能發(fā)揮以下幾點優(yōu)勢：

(1)基于BIM搭建的管理系統(tǒng)集成了設(shè)計、施工和運維的信息，為管理人員提供了一個便捷有效的平臺，相較于傳統(tǒng)管理模式，提高了管理的效率并有效減小錯誤率，降低了管養(yǎng)成本；

(2)管理人員對橋梁運營實行實時可視化監(jiān)測與檢測，能及時發(fā)現(xiàn)橋梁的薄弱環(huán)節(jié)，以便立即采取相應措施；

(3)基于協(xié)同工作平臺，各部門能及時共享資源信息，提高了工作效率。

5 展望

近年來，我國部分重大橋梁項目應用了BIM技術(shù)。渝黔鐵路新白沙沱長江特主橋是世界上首座雙層橋面布置的鐵路斜拉橋，也是我國高速鐵路建設(shè)進程中首批將BIM應用到設(shè)計和施工階段的重點項目之一。該項目綜合應用4D-CAD和BIM等最新技術(shù)，在設(shè)計和施工階段實現(xiàn)信息傳遞和共享的目標[32]。福廈鐵路泉州灣特大橋跨越多條市區(qū)道路和航道，為滿足通航要求，全橋需設(shè)計多種大跨結(jié)構(gòu)和特殊結(jié)構(gòu)。設(shè)計人員通過Catia平臺建立全橋BIM模型(圖1)，并實現(xiàn)了基于Catia平臺的各專業(yè)協(xié)同設(shè)計，大大推進了BIM在鐵路橋梁設(shè)計的應用[33]。永定河特大橋主體結(jié)構(gòu)形式新穎，主塔采用空間三維曲面布置，傳統(tǒng)的二維設(shè)計難以完成設(shè)計任務(wù)。設(shè)計人員引用BIM，有效解決了鋼塔扭曲面的設(shè)計和優(yōu)化等技術(shù)難題，引入了通用性的模版資源(圖2)，并為后期施工和運維提供詳細的數(shù)據(jù)模型[34]。

圖1 福廈鐵路泉州灣特大橋BIM模型[33]

圖2 錨固螺栓UDF實例化[34]

本文通過對BIM在橋梁設(shè)計階段、施工階段和運營維護階段的應用現(xiàn)狀進行研究，能看到將BIM應用到橋梁工程中會帶來巨大的價值效益。然而，由于交通基礎(chǔ)設(shè)施具有不同階段技術(shù)的復雜性和參與角色的多樣性等特點，相較于工民建領(lǐng)域，BIM在橋梁中的發(fā)展較為緩慢。目前，BIM在我國橋梁上的應用大多還停留在設(shè)計階段和施工階段，在運營階段的應用和研究相對較少。在橋梁領(lǐng)域，我國現(xiàn)階段缺乏BIM相關(guān)的統(tǒng)一標準、橋梁專業(yè)對口軟件和統(tǒng)一的協(xié)同工作平臺，建設(shè)各階段和各部門都各自為戰(zhàn)，信息不能進行有效傳遞，BIM的應用無法貫穿設(shè)計、施工和運維階段。隨著應用研究的不斷深入，上述問題會被逐一解決，未來BIM在橋梁領(lǐng)域的應用會更廣泛和深入，應用貫穿橋梁全壽命周期，給社會帶來巨大的經(jīng)濟效益。