BIM技術(shù)在橋梁施工中的應(yīng)用研究

唐勇

【摘 要】基于橋梁施工過(guò)程中存在的信息孤島等問(wèn)題，文章總結(jié)了BIM技術(shù)在橋梁施工領(lǐng)域的信息整合、共享和傳遞方面的特點(diǎn)，并結(jié)合相關(guān)工程案例，論證了該技術(shù)在提高施工效率、施工質(zhì)量和降低成本方面的作用。

【關(guān)鍵詞】BIM;橋梁;施工;研究

【中圖分類號(hào)】U415;U445 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2022）04-0185-03

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)橋梁工程建設(shè)領(lǐng)域進(jìn)入高增長(zhǎng)期，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的提速，各區(qū)域?qū)煌ɑA(chǔ)設(shè)施的投入也與日俱增，特別是橋梁工程建設(shè)方面。但是，全行業(yè)的橋梁工程訂單的增加并不意味著所有橋梁施工企業(yè)都會(huì)分得紅利，這其中的原因有很多，如橋梁基礎(chǔ)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(shè)企業(yè)的生產(chǎn)效率逐年呈下滑趨勢(shì)，儼然成為整個(gè)行業(yè)的痛點(diǎn)。

通過(guò)走訪和調(diào)查可知，施工生產(chǎn)效率偏低的企業(yè)不在少數(shù)，究其原因是橋梁工程施工過(guò)程中各類施工信息與數(shù)據(jù)的交換不及時(shí)、不準(zhǔn)確，或稱此種情況為施工過(guò)程中的信息孤島或信息壁壘現(xiàn)象，這將帶來(lái)極大的人力和物力方面的浪費(fèi)，進(jìn)而影響施工生產(chǎn)效率，變相增加了工程成本。為此，需在橋梁施工過(guò)程中應(yīng)用智能化的態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)和施工信息模型，對(duì)施工全過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、在線監(jiān)測(cè)，高效地完成施工信息交互，提高施工生產(chǎn)效率[1]。

1 BIM技術(shù)綜述

1.1 相關(guān)定義

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）最早起源于20世紀(jì)70年代的美國(guó)，是一種基于三維數(shù)字技術(shù)的先進(jìn)的可視化建筑模型，其以建筑工程領(lǐng)域的施工項(xiàng)目信息為模型基礎(chǔ)，通過(guò)數(shù)字化仿真模擬真實(shí)建筑物，該模型在數(shù)據(jù)信息方面具有完備性、關(guān)聯(lián)性和一致性等特點(diǎn)，而其可視化、協(xié)調(diào)性和優(yōu)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(huì)、北京冬奧會(huì)等主要場(chǎng)館設(shè)施的建設(shè)項(xiàng)目。由于我國(guó)的《建筑信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》仍處于編制階段，因此暫用美國(guó)目前對(duì)該模型的解釋，具體包括以下3個(gè)部分：①BIM可看作是一個(gè)用數(shù)字來(lái)表達(dá)的建設(shè)項(xiàng)目，包括該項(xiàng)目的物理和其他方面的功能特性;②BIM也是一個(gè)開放式的共享資源池，使用者可以同時(shí)分享建設(shè)項(xiàng)目的有關(guān)信息，并為項(xiàng)目的建設(shè)、維護(hù)、拆除等工程提供相應(yīng)的建議、決策;③BIM是一個(gè)在線的協(xié)同工作平臺(tái)，各設(shè)計(jì)師及施工方可同時(shí)完成對(duì)某個(gè)項(xiàng)目的修改或更新操作，最大化地提升作業(yè)效率。

1.2 應(yīng)用情況

BIM具有工程施工領(lǐng)域全過(guò)程的資源調(diào)配、行為監(jiān)控和問(wèn)題糾錯(cuò)等重要維度，能夠給出具體的施工標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)施方案，可用于各類工程的荷載分析、施工管理和設(shè)備維護(hù)等，為其在我國(guó)的推廣提供了基礎(chǔ)條件。值得注意的是，BIM技術(shù)近年來(lái)在鋼結(jié)構(gòu)橋梁施工中的應(yīng)用越來(lái)越多，如我國(guó)的港珠澳大橋，橋梁主體結(jié)構(gòu)一半以上使用的是鋼結(jié)構(gòu)，在港珠澳大橋全過(guò)程施工建設(shè)中深度運(yùn)用了BIM技術(shù)。此外，BIM技術(shù)在其他類型的橋梁施工中也實(shí)現(xiàn)了豐富的應(yīng)用研究。

2 BIM技術(shù)應(yīng)用在橋梁施工中的優(yōu)勢(shì)

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

橋梁工程的設(shè)計(jì)方案對(duì)橋梁的質(zhì)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(yán)格依據(jù)設(shè)計(jì)方案而進(jìn)行的，因此設(shè)計(jì)方案不能出現(xiàn)任何偏差。為制訂一個(gè)安全、合理、可控的橋梁設(shè)計(jì)方案，應(yīng)實(shí)地考察橋址附近的地質(zhì)構(gòu)造、水文氣象等環(huán)境因素，并綜合考慮該區(qū)域可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害等情況，可借助于BIM技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化。根據(jù)施工設(shè)計(jì)原始圖紙使用BIM技術(shù)進(jìn)行三維建模，例如通過(guò)調(diào)用模型中的“構(gòu)件庫(kù)”和“節(jié)點(diǎn)庫(kù)”，橋梁施工過(guò)程中所用到的常規(guī)部件便一目了然，再次輸入構(gòu)件數(shù)量和節(jié)點(diǎn)參數(shù)，方便后續(xù)對(duì)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行深入的設(shè)計(jì)、修改，最終達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的目的。

2.2 實(shí)現(xiàn)數(shù)字化施工

BIM技術(shù)的深入應(yīng)用，使橋梁施工的過(guò)程變得簡(jiǎn)單、有序，尤其是對(duì)鋼結(jié)構(gòu)等預(yù)制件的加工而言，BIM模型不僅能夠依據(jù)設(shè)定的加工信息迅速生成具體加工清單，還能自動(dòng)生成最為合理、高效、節(jié)約和安全的結(jié)構(gòu)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(gè)性化需求。此外，BIM技術(shù)在金屬構(gòu)件焊接、數(shù)控機(jī)床切割及更為復(fù)雜的構(gòu)件加工時(shí)也能發(fā)揮顯著的作用，三維建模的數(shù)字化施工模式彌補(bǔ)了CAD等二維工具在進(jìn)行指導(dǎo)加工時(shí)存在的不足。而且，基于BIM技術(shù)的數(shù)字化橋梁施工模式能夠在很短的時(shí)間內(nèi)完成種類繁多且數(shù)量龐大的施工構(gòu)件、材料的統(tǒng)計(jì)、分類和匯總工作。

2.3 實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可視化施工

傳統(tǒng)橋梁工程的施工模式存在很多弊端，例如在部分施工場(chǎng)景中，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可視化的施工模式，不具備施工信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線檢索功能，這種完全依靠施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督和指揮人員而進(jìn)行的人員、材料和施工設(shè)備調(diào)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(xiàn)信息孤島或信息壁壘的不利情況，對(duì)施工質(zhì)量的控制作用甚微。搭載了4D-CAD技術(shù)的BIM架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁各施工場(chǎng)景中詳細(xì)信息和BIM模組的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，可以支持可視化的施工模型和方案的表達(dá)，達(dá)到橋梁施工全過(guò)程動(dòng)態(tài)可視化的目的。

2.4 實(shí)現(xiàn)集約化高效施工

傳統(tǒng)橋梁工程施工中由于信息化技術(shù)尚不完善，因此對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的人員、材料、設(shè)備等無(wú)法做到實(shí)時(shí)、有序的精細(xì)化分工，加之施工監(jiān)理與施工人員進(jìn)行施工信息的傳達(dá)或落實(shí)過(guò)程中容易出現(xiàn)偏差，使得在多數(shù)情況下依賴人工或半人工而做出的各項(xiàng)施工決策出現(xiàn)了問(wèn)題，即在橋梁工程信息化建設(shè)程度較低時(shí)或尚未應(yīng)用任何橋梁工程施工模型時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)集約化的高效施工。這種情況下容易發(fā)生施工材料浪費(fèi)、施工人員冗余等現(xiàn)象，使工程總體的施工進(jìn)度拖延、施工效率低下。基于BIM技術(shù)的橋梁施工信息模型，可以完成集約化的高效施工，對(duì)施工人員、施工材料和施工設(shè)備等進(jìn)行宏觀上的協(xié)調(diào)和統(tǒng)籌，做到上述施工信息在特定施工場(chǎng)景中的最佳匹配，保證各施工環(huán)節(jié)利用效率的最大化。

2.5 施工全過(guò)程造價(jià)監(jiān)控

相比傳統(tǒng)的橋梁工程造價(jià)，BIM技術(shù)的有效運(yùn)用是一次顛覆性的改變，其具備的各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)造價(jià)方案所無(wú)法相比的，特別是在全面提升橋梁工程造價(jià)的效率和信息化水平上，BIM獨(dú)具的業(yè)務(wù)流程和智能化的測(cè)算模式在業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先地位。具體來(lái)說(shuō)，BIM技術(shù)使龐雜煩瑣且耗時(shí)耗力的工程量統(tǒng)計(jì)工作在短時(shí)內(nèi)便可高效完成，并且數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工作相當(dāng)精準(zhǔn)，將橋梁工程造價(jià)的核心確定為施工全過(guò)程的造價(jià)監(jiān)控，從而有效避免了煩瑣的工程量測(cè)算，時(shí)間成本較低，將BIM應(yīng)用于橋梁工程全過(guò)程的造價(jià)監(jiān)控，這本身對(duì)工程造價(jià)人員的專業(yè)素質(zhì)和能力提出了更高的要求，但對(duì)橋梁工程施工的全過(guò)程成本監(jiān)控意義重大?？傊?，BIM技術(shù)應(yīng)用于橋梁工程施工全過(guò)程的造價(jià)監(jiān)控領(lǐng)域具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：①工程量測(cè)算周期短;②造價(jià)評(píng)估精確;③隨施工項(xiàng)目變化而調(diào)整的靈活度較高[2]。

3 工程案例應(yīng)用與討論

3.1 工程簡(jiǎn)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(zhì)，土質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、橋梁施工難度較大，在該區(qū)域進(jìn)行橋梁工程的建設(shè)需要考慮的問(wèn)題和影響因素有很多，如特殊地質(zhì)引起的橋體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、施工工期等。計(jì)劃興建的西灣大橋Ⅱ期項(xiàng)目全長(zhǎng)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(zhǎng)2 035m，全橋預(yù)計(jì)施工期為24個(gè)月，計(jì)劃使用年限為50年。由于該橋梁工程量較大、施工周期較長(zhǎng)且對(duì)工程施工的質(zhì)量和安全性要求十分嚴(yán)格，因此將BIM技術(shù)引入工程項(xiàng)目施工中，具體考察BIM技術(shù)在構(gòu)件加工、檢測(cè)碰撞、相離問(wèn)題和整體工期進(jìn)度等方面的作用[3]。

3.2 BIM三維實(shí)體建模

為有效分析BIM技術(shù)在西灣大橋施工中的應(yīng)用價(jià)值，使用BIM系統(tǒng)架構(gòu)對(duì)該工程進(jìn)行三維實(shí)體建模，建模過(guò)程包括多個(gè)任務(wù)，即搭建工程實(shí)體模型、優(yōu)化施工工藝、檢查校準(zhǔn)模型和模型深度調(diào)整優(yōu)化，最終達(dá)到施工模型與實(shí)際施工進(jìn)度同步的目的。建模過(guò)程消耗的時(shí)間較長(zhǎng)，其間可能需要數(shù)次反復(fù)進(jìn)行修改。根據(jù)施工資料圖上所標(biāo)注的橋梁各構(gòu)件數(shù)量和尺寸，正確無(wú)誤地輸入BIM三維建模軟件中，對(duì)系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)的參數(shù)應(yīng)仔細(xì)核對(duì)，當(dāng)全部的施工參數(shù)都輸入完成后，再次進(jìn)行數(shù)據(jù)量的校驗(yàn)，保證BIM三維實(shí)體建模結(jié)果與設(shè)計(jì)施工資料上的信息全部一致。

3.3 利用BIM對(duì)構(gòu)件進(jìn)行加工

BIM軟件中的材料加工模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)橋梁工程構(gòu)件的數(shù)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(biāo)準(zhǔn)的鋼桁架，在BIM軟件中預(yù)設(shè)相關(guān)尺寸參數(shù)，包括一些復(fù)雜施工節(jié)點(diǎn)中的構(gòu)件，通過(guò)BIM軟件系統(tǒng)進(jìn)行全自動(dòng)的切割、下料，實(shí)現(xiàn)從BIM模型到數(shù)控機(jī)床切割的自動(dòng)化和智能化過(guò)程，高精度的計(jì)量和切割標(biāo)準(zhǔn)為高質(zhì)量構(gòu)件的制造和打磨提供了強(qiáng)有力的保障。需要注意的問(wèn)題是，在構(gòu)件制造過(guò)程中，如遇數(shù)控機(jī)床發(fā)生卡頓或停轉(zhuǎn)現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)停止切割操作，查明問(wèn)題原因后方可繼續(xù)進(jìn)行作業(yè)。

3.4 利用BIM檢測(cè)碰撞、相離等問(wèn)題

由于西灣跨海大橋Ⅱ期為特大型鋼結(jié)構(gòu)橋，施工中所需要的構(gòu)件非常繁雜，在鋼橋構(gòu)件拼接過(guò)程中容易發(fā)生碰撞、相離等問(wèn)題，因此應(yīng)用BIM軟件搭建了西灣全橋的施工模型，由鋼桁架構(gòu)件的整體拼裝或試拼裝可實(shí)現(xiàn)模型的自動(dòng)校準(zhǔn)功能，此時(shí)如果施工過(guò)程中發(fā)生碰撞或相離等問(wèn)題，在BIM軟件系統(tǒng)中會(huì)得以呈現(xiàn)，能夠確保復(fù)雜的鋼橋構(gòu)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(jìn)度

BIM軟件系統(tǒng)架構(gòu)具有工期進(jìn)度約束功能，具體做法是在BIM系統(tǒng)中引入時(shí)間（T）維度實(shí)現(xiàn)4D虛擬化施工的模擬，在BIM虛擬施工進(jìn)程中，可隨時(shí)比較直觀地查看施工進(jìn)度，通過(guò)對(duì)比實(shí)際施工情況判斷當(dāng)前施工進(jìn)度是否符合預(yù)期，判斷各施工場(chǎng)景的人員、材料和設(shè)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(jìn)度與實(shí)際施工進(jìn)度相一致，對(duì)于下一步施工場(chǎng)景，BIM軟件系統(tǒng)會(huì)智能地給出施工建議，工程技術(shù)人員通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)控畫面判斷是否符合施工規(guī)范要求，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)違規(guī)的施工行為及時(shí)糾正，使各施工部分的質(zhì)量均滿足工程要求。

4 BIM技術(shù)應(yīng)用于橋梁施工的效果評(píng)估

4.1 施工質(zhì)量方面

BIM系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行鋼桁架碰撞和相離檢測(cè)時(shí)，已完成對(duì)問(wèn)題構(gòu)件的糾錯(cuò)，使得西灣大橋在鋼結(jié)構(gòu)的施工中質(zhì)量得以保障。此外，在其他施工構(gòu)件的吊裝和安裝時(shí)，BIM系統(tǒng)也提供了重要的技術(shù)支撐，及時(shí)修補(bǔ)了施工中存在的質(zhì)量問(wèn)題，確保該橋梁工程項(xiàng)目整體達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。在技術(shù)人員檢查BIM系統(tǒng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，施工期間所有的質(zhì)量問(wèn)題都已記錄，施工監(jiān)理人員依據(jù)所記錄的質(zhì)量問(wèn)題信息再次逐一進(jìn)行檢查，結(jié)果全部的施工質(zhì)量問(wèn)題都已及時(shí)完成整改。

4.2 工期進(jìn)度方面

在西灣大橋施工前期及各施工節(jié)點(diǎn)完成后，BIM系統(tǒng)預(yù)設(shè)的工期進(jìn)度跟蹤模塊都會(huì)及時(shí)完成自檢，對(duì)超出工期節(jié)點(diǎn)要求的環(huán)節(jié)，系統(tǒng)自動(dòng)生成并給出了下一步的施工整改計(jì)劃。BIM組件中的虛擬施工模塊在下一階段施工時(shí)也會(huì)自動(dòng)給出預(yù)警提示，如可能遇到的施工問(wèn)題或影響工期進(jìn)度的具體位置，這些預(yù)警信息供現(xiàn)場(chǎng)施工人員參考。本工程的實(shí)際施工數(shù)據(jù)表明，無(wú)論是橋梁各部分的網(wǎng)格化施工進(jìn)度還是橋梁工程的總體施工進(jìn)度，都滿足工程設(shè)計(jì)方案要求。

4.3 成本控制方面

進(jìn)行施工全過(guò)程的成本控制，這是BIM系統(tǒng)架構(gòu)最為明顯的優(yōu)勢(shì)，這是由其施工信息交互的及時(shí)性、準(zhǔn)確性和全面性所決定的，徹底解決了施工過(guò)程中的信息孤島和信息壁壘問(wèn)題，使西灣大橋工程各施工要素?zé)o縫銜接，最大限度地減少了人工成本和時(shí)間成本，提高了施工生產(chǎn)效率，有效地控制了工程成本。

4.4 安全風(fēng)險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的概率置于首位。BIM系統(tǒng)架構(gòu)對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)方面的管控已形成一套完整的預(yù)警、檢測(cè)和處置流程，如在進(jìn)行鋼桁架的吊裝和拼接時(shí)，BIM軟件系統(tǒng)畫面有相應(yīng)的安全風(fēng)險(xiǎn)提示，禁止人員在吊機(jī)下方停留或鋼桁架拼裝位置錯(cuò)誤等。正是由于BIM系統(tǒng)具有完備而牢固的施工安全風(fēng)險(xiǎn)防御體系，使得在該工程項(xiàng)目的施工中，安全風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的概率降為最低，同時(shí)BIM軟件系統(tǒng)在安全風(fēng)險(xiǎn)精細(xì)化的管控方面具有自主的機(jī)器學(xué)習(xí)功能，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，可定期自動(dòng)搜索最新的工程案例和安全事件，將這些資料和數(shù)據(jù)上傳并保存在BIM文檔服務(wù)器中，不斷地更新系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)信息，通過(guò)在線獲取橋梁施工常見的安全風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)，修復(fù)尚存的系統(tǒng)檢測(cè)盲區(qū)或漏洞，從而提高BIM系統(tǒng)自身對(duì)橋梁施工中安全風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別和干預(yù)能力，筑牢施工安全防線。

5 結(jié)語(yǔ)

BIM技術(shù)并非簡(jiǎn)單地將施工信息進(jìn)行集成，而是一種智能的、高效的、低風(fēng)險(xiǎn)的數(shù)字化應(yīng)用，通過(guò)各類施工參數(shù)模型的有效整合，打通各施工要素的信息傳遞通道，實(shí)現(xiàn)了施工項(xiàng)目全生命周期內(nèi)信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享，為工程設(shè)計(jì)和施工團(tuán)隊(duì)提供了一個(gè)在線的協(xié)同建設(shè)平臺(tái)，極大地提高了施工的生產(chǎn)效率，并且能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工中存在的問(wèn)題并進(jìn)行整改，使工程質(zhì)量得以保障。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)基于BIM系統(tǒng)架構(gòu)的橋梁施工技術(shù)仍處于起步階段，應(yīng)該指出的是，BIM系統(tǒng)架構(gòu)中各類施工參數(shù)都是基于原始施工設(shè)計(jì)圖紙及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的施工環(huán)境而設(shè)定的，因此只有熟悉橋梁施工現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，清楚工程應(yīng)用中要解決的問(wèn)題，才能真正地發(fā)揮BIM技術(shù)應(yīng)有的價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

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[2]蔡雪峰，楊尊煌，鄭蓮瓊，等.基于BIM的建設(shè)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(shù)，2019（4）：54-62.

[3]陳文寶，魏志松，張航，等.BIM技術(shù)在裝配式橋梁工程中的應(yīng)用[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2019（4）：65-70.