橋梁BIM技術(shù)分析及展望

何文杰，惠 丕

（1.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京市100088；2.中交瑞通路橋養(yǎng)護科技有限公司，陜西 西安 710500）

1 BIM概念

BIM（Building Information Modeling）- 建筑信息模型，是以建筑工程項目的各項相關(guān)數(shù)據(jù)信息作為基礎(chǔ)，將建筑系統(tǒng)內(nèi)所有的現(xiàn)實、虛擬、可視化及非可視化信息融入三維建筑模型，實現(xiàn)工程項目的多維度集中化管理。

BIM并不是一款軟件，而是一系列軟件集多種信息協(xié)同工作的方式及平臺。它是工程建設(shè)領(lǐng)域繼“手工繪圖轉(zhuǎn)變?yōu)槎S計算機繪圖”之后的又一次信息技術(shù)革命，已經(jīng)成為工程建設(shè)領(lǐng)域的熱點（見圖1）。

圖1 工程建設(shè)領(lǐng)域的信息技術(shù)革命圖示

2 國外BIM發(fā)展

BIM（建筑信息模型）源自于西方發(fā)達國家。他們在BIM技術(shù)領(lǐng)域的研究與實踐起步較早，很多建設(shè)工程項目已采用BIM技術(shù)。不少地區(qū)在政策和經(jīng)濟方面給予支持，制定了相關(guān)的BIM標準，不斷推動BIM技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。

2.1 歐美國家

美國對BIM的研究與應(yīng)用最為領(lǐng)先，并且在政府層面給予大量的引導(dǎo)與推動。例如，美國總務(wù)署GSA（負責(zé)美國聯(lián)邦設(shè)施建造和運營）鼓勵其管轄范圍內(nèi)的項目均采用BIM技術(shù)，并根據(jù)承包商所采用的BIM程序，給予不同程度的資金支持。美國陸軍工程兵團USACE，也發(fā)布了為期15 a的BIM發(fā)展規(guī)劃，承諾未來所有軍事建筑工程項目均采用BIM技術(shù)。

在BIM標準方面，美國building SMART alliance開發(fā)并維護了IFC標準和openBIM標準。此外，該聯(lián)盟還發(fā)布了NBIMS-US標準。

英國內(nèi)閣辦公室部長發(fā)布的“政府建設(shè)戰(zhàn)略”文件中提到“將實施一個為期四年的BIM推動計劃，以開啟一個全新的高效的協(xié)同工作模式。通過對BIM技術(shù)的推廣使用，使英國成為數(shù)字化建設(shè)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者”。

在BIM標準方面，英國于2009年11月發(fā)布了AEC（UK）BIM標準。在此基礎(chǔ)上，又發(fā)布了適用于不同BIM軟件（如Autodesk Revit）的相關(guān)標準。

2.2 亞太地區(qū)

日本是亞太地區(qū)較早使用BIM的國家之一，并且在政府層面做了很多的探索和研究。2014年3月，日本國土交通省（MLIT，Minisrty of Land，Infrastructure，Transport and Tourism）發(fā)布了 BIM 應(yīng)用方針和標準，明確了BIM建模和應(yīng)用的相關(guān)事項和內(nèi)容，制定模型的精度標準。

2012年6 月，澳大利亞的Buliding SMART組織發(fā)布了一份《國家BIM行動方案》（National Building Information Modelling Intiative）。該方案建議：從2016年7月1日起，所有澳大利亞政府的建筑采購應(yīng)使用基于開放標準的全三維協(xié)同BIM進行信息交換。

2012年5 月，新加坡國家發(fā)展部署下建設(shè)局（BCA，Building&Consrtuction Authority） 發(fā)布了新加坡BIM應(yīng)用指南（Singapore BIM Guide）。逐步要求以BIM提交藍圖方案，到2014年，所有5 000平方公尺以上項目的建筑及工程藍圖都必須以BIM提交。

2006年，中國香港房屋委員會（房委會）在公屋發(fā)展項目中率先試用BIM。至2015年，已有超過19個公屋發(fā)展項目在設(shè)計和施工的不同階段應(yīng)用了BIM。同時為推動與規(guī)范BIM的應(yīng)用，房委會也制定了相應(yīng)的技術(shù)標準，包括應(yīng)用指南、組件庫設(shè)計指南和參考資料。

bimSCORE組織統(tǒng)計的2012年BIM應(yīng)用數(shù)據(jù)表明，歐美國家在BIM成熟度方面處于絕對領(lǐng)先位置，而亞太國家在BIM應(yīng)用上還有不小的差距（見圖 2）。

圖2 國外BIM應(yīng)用發(fā)展趨勢柱狀圖

3 國內(nèi)BIM發(fā)展

得益于中國巨大的建筑開發(fā)市場，近幾年來BIM發(fā)展突飛猛進，形成了一股BIM熱潮，同樣也得到了政府層面的大力扶持。

2011年5 月，住建部頒布的《2011-2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中明確提出要“加快建筑信息化模型（BIM）基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同工作等新技術(shù)在工程中的應(yīng)用，推動信息化標準建設(shè)”。這是中國最早在國家政策層面，對BIM的最明確支持。

2012年，BIM相關(guān)技術(shù)標準的制定工作開始有序推進，先后啟動了《建筑工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標準》，《建筑工程設(shè)計信息模型交付標準》、《建筑工程設(shè)計信息模型分類和編碼標準》等一系列國家級的BIM標準。

2014年7 月，住建部再次發(fā)文《關(guān)于推進建筑業(yè)發(fā)展和改革的若干意見》，明確指出“推薦建筑信息模型（BIM）等信息技術(shù)在工程設(shè)計、施工和運行維護全過程的應(yīng)用，提高綜合效益。”

各省市地區(qū)也相繼制定了BIM應(yīng)用指導(dǎo)意見，如廣東省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳于2014年9月發(fā)布的《關(guān)于開展建筑信息模型BIM技術(shù)推廣應(yīng)用工作的通知》。

2014年10 月，上海市人民政府辦公廳印發(fā)了《關(guān)于在本市推進建筑信息模型技術(shù)應(yīng)用指導(dǎo)意見》，選擇部分項目試用BIM技術(shù)，且在特定區(qū)域內(nèi)的工程全面采用BIM技術(shù)。

2014年9 月，北京市率先發(fā)布了中國大陸的第一部BIM技術(shù)標準，《北京市地方標準-民用建筑信息模型（BIM）設(shè)計基礎(chǔ)標準》。而上海、四川、重慶、遼寧等地，也都在積極推進BIM標準的制定工作。

目前，BIM技術(shù)已不斷深入到應(yīng)用階段，《2016-2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》的出臺，對整個建筑領(lǐng)域繼續(xù)推進BIM技術(shù)的應(yīng)用，起到了積極的指導(dǎo)和促進作用。

同時也相信，作為國家一項重大的歷史性工程-河北雄安新區(qū)的建設(shè)，也必將通過BIM技術(shù)融合更多的創(chuàng)新理念來構(gòu)建真正意義上的“智能交通”、“智能建筑”和“智慧城市”。

綜上所述，雖然國內(nèi)BIM應(yīng)用起步相對較晚，但發(fā)展迅速，正在逐步縮小與國外的差距，大有迎頭趕上之勢。

4 橋梁BIM技術(shù)分析

4.1 橋梁BIM發(fā)展

橋梁最初是為跨越障礙物或河流河谷所設(shè)，滿足行人的基本通行。現(xiàn)代特大型橋梁一般是由道路（如高速公路）線位決定，服務(wù)于現(xiàn)代交通需求，當路線所經(jīng)地區(qū)為江河或被交道路等障礙物時，橋梁建設(shè)便應(yīng)運而生。公路橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計基準期為100 a，一座橋梁從建設(shè)初期的場地選擇，經(jīng)過方案比選及技術(shù)難題攻克，直到設(shè)計施工完成后的后期運營，無論從時間角度還是從空間角度看，整個過程繁瑣而又銜接緊密。于是，橋梁BIM技術(shù)的應(yīng)用亟不可待。

近些年來，國內(nèi)外橋梁建設(shè)中相繼出現(xiàn)了BIM技術(shù)的案例，具體如表1、表2所列。

表1 國內(nèi)橋梁BIM應(yīng)用案例一覽表

表2 國外橋梁BIM應(yīng)用案例一覽表

4.2 BIM分析軟件

類似于BIM技術(shù)的研究起始于20世紀70年代。類似于BIM技術(shù)的應(yīng)用起始于20世紀90年代，即1994年6月12日第1架波音777飛機的設(shè)計，整個設(shè)計過程采用三維計算機輔助設(shè)計軟件CATIA來實現(xiàn)。此軟件來自達索系統(tǒng)公司（Dassault Systemes）。2002年12月16日，行業(yè)分析家Jerry Laiserin發(fā)表了一篇文章“Comparing Pommes and Naranjas”，從此，BIM開始成為一個專門術(shù)語，被工程建設(shè)行業(yè)廣泛使用。

BIM的核心，是通過在計算機中建立虛擬的建筑工程三維模型，同時利用數(shù)字化技術(shù)，為建筑全生命周期提供完整的建筑工程數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫包含描述建筑物構(gòu)件的幾何信息，也包括非幾何信息。借助這個建筑工程信息的三維模型，為建筑工程項目的各參與方提供一個工程信息交互與共享的平臺。這個平臺技術(shù)正在逐步向云平臺靠攏，其中代表軟件為Autodesk BIM 360 Glue產(chǎn)品。

Revit原名為Revise immediately，中文“所見即所得”，其源自于1997年Revit Technology公司開發(fā)的一款三維建筑設(shè)計軟件。2002年，Revit Technology公司被當時全球最大的二維、三維設(shè)計工程軟件公司Autodesk收購，成為其旗下產(chǎn)品，并改名為Autodesk Revit。

Autodesk Revit作為歐特克軟件有限公司針對BIM實施所推出的核心旗艦產(chǎn)品，已經(jīng)成為BIM實施過程中不可或缺的一個重要平臺。其強大的功能可實現(xiàn)：協(xié)同工作、參數(shù)化設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析、工程量統(tǒng)計、施工圖出版和三維構(gòu)件的碰撞檢查等。Revit結(jié)合其系列下的 Revit Architecture、Revit Structure和Revit MEP三款軟件，為建筑業(yè)提供了完整的協(xié)作平臺，大大提高了設(shè)計的高效準確性，為后期的項目施工和運營創(chuàng)造了有利條件。正是基于這種全面性、平臺性和可擴展性，Autodesk Revit完美地實現(xiàn)了工程項目的可視化、信息化和協(xié)同化，進而成為市場上占主導(dǎo)地位的BIM應(yīng)用軟件產(chǎn)品。

建筑工程的全生命周期設(shè)計主要流程為：可視化設(shè)計→初步設(shè)計與擴初設(shè)計→施工圖設(shè)計→機電深化設(shè)計→綠色節(jié)能→運營。其中，每個階段都可實現(xiàn)對BIM的應(yīng)用。為應(yīng)對這些紛繁復(fù)雜的需求，國內(nèi)外各大軟件公司開發(fā)了針對不同階段的BIM應(yīng)用軟件，具體見表3所列。

4.3 基于Autodesk BIM產(chǎn)品的橋梁設(shè)計

針對橋梁全生命周期的各個階段，現(xiàn)以國內(nèi)建筑市場占有率最高、產(chǎn)品類型最豐富的Autodesk BIM產(chǎn)品軟件為例，描述橋梁設(shè)計流程。

4.3.1 場地設(shè)計-AutoCAD Civil3D

在設(shè)計開始階段，通過Civil3D與地理信息系統(tǒng)GIS的配合使用，創(chuàng)建地形模型，生成地形圖，提取路線設(shè)計參數(shù)，進行路線總體設(shè)計。該總體設(shè)計為橋梁選址、橋跨布置及高程設(shè)計提供依據(jù)。

4.3.2 規(guī)劃設(shè)計-Infraworks

此階段，設(shè)計人員利用Infraworks來模擬自然環(huán)境和人造環(huán)境，利用二維數(shù)據(jù)創(chuàng)建三維設(shè)施模型生成三維場景（見圖3）。結(jié)合Civil3D數(shù)據(jù)和橋梁模型，制作橋址位置的仿真可視化作品，在模擬環(huán)境中，更準確地展示橋梁設(shè)計方案。將多個方案進行對比分析，使項目預(yù)算更加合理，以便進行詳細設(shè)計。此外，利用Autodesk Infrawors 360，可讓多個項目參與方在一個穩(wěn)定安全的云環(huán)境中共享模型和實時查看多個方案，加強各方參與，及時收集反饋信息。

表3 建筑全生命周期中的BIM軟件一覽表

圖3 Infraworks模型

4.3.3 初步設(shè)計、施工圖設(shè)計-Revit

設(shè)計人員可利用Revit基于模型的方法，將橋梁設(shè)計創(chuàng)意從最初的概念變?yōu)榫唧w的構(gòu)造。利用參數(shù)化族的功能，創(chuàng)建橋梁各組成構(gòu)件，如樁基、承臺、橋墩、箱梁、普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力、護欄等。最終形成的三維模型包括所有的設(shè)計視圖和施工圖信息，且所有的信息之間保持著相互關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)了“一處修改、處處更新”。實時查詢項目工程量等數(shù)據(jù)信息、通過格式設(shè)置，快速生成施工圖，大大提高了設(shè)計效率。

圖4為Revit拱橋模型。

圖4 Revit拱橋模型

4.3.4 結(jié)構(gòu)分析-Robot

此階段，設(shè)計人員利用Robot Structure Analysis無縫導(dǎo)入已完成的revit結(jié)構(gòu)模型，對橋梁結(jié)構(gòu)施加約束和荷載，進行有限元計算分析，保證結(jié)構(gòu)受力滿足要求。

4.3.5 結(jié)構(gòu)深化設(shè)計-AutoCAD Structural Detailing

對于鋼結(jié)構(gòu)裝配式橋梁，利用AutoCAD Structural Detailing特定模塊創(chuàng)建鋼結(jié)構(gòu)施工裝配詳圖，提供高精度的數(shù)量表和明細表。

4.3.6 施工模擬-Navisworks

橋梁結(jié)構(gòu)不同，其施工方法也相差很大。為避免橋梁施工期間各工序及組成構(gòu)件的時間及空間沖突，保證施工順利進展，設(shè)計人員可利用Navisworks將AutoCAD和Revit等軟件創(chuàng)建的橋梁信息數(shù)據(jù)，與來自其他設(shè)計程序的幾何信息相結(jié)合，形成整體系統(tǒng)的三維可視化環(huán)境，進行實時審閱。利用Navisworks Manage將錯誤查找和構(gòu)件沖突管理與動態(tài)的四維項目進度仿真功能相結(jié)合，提高施工的準確性和一致協(xié)調(diào)性，減少設(shè)計變更。利用Navisworks Simulate制定詳細的四維施工進度表，超前實現(xiàn)施工可視化。利用Navisworks Review的動態(tài)導(dǎo)航漫游功能加深對項目的理解。

4.3.7 機電深化設(shè)計-Inventor

對于特大型橋梁，會配備相應(yīng)的機電設(shè)備，利用Inventor的仿真機械運動功能，能節(jié)省花費在構(gòu)建物理樣機上的成本、時間和高額的咨詢費用。通過對實際荷載和約束的模擬，驗證部件工作協(xié)調(diào)合理性。借助應(yīng)力分析來優(yōu)化零部件設(shè)計。

4.3.8 云計算BIM平臺-Autodesk BIM 360 Glue

一個完美的橋梁設(shè)計，離不開一個優(yōu)良的設(shè)計團隊。Autodesk BIM 360 Glue基于云計算平臺，為各參與設(shè)計人員提供模型的整合、展示、瀏覽、管理和更新等功能。利用此功能，設(shè)計人員可在任何時間和地點實時接入模型進行協(xié)同工作和溝通，確保橋梁設(shè)計順利進展。

5 橋梁BIM展望

BIM在中國已經(jīng)從初始的萌芽和測試階段，真正步入到發(fā)展普及的實施階段。工程領(lǐng)域內(nèi)各企業(yè)的工作重心，已經(jīng)從研究學(xué)習(xí)BIM轉(zhuǎn)移到如何合理實施應(yīng)用BIM，并將其延續(xù)到整個項目的全生命周期中，從而實現(xiàn)效益最大化。

由此可見，BIM技術(shù)將是今后工程領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。無論是對現(xiàn)有橋梁的運營管理，還是對未來橋梁的規(guī)劃、設(shè)計、施工，BIM技術(shù)都將貫穿于橋梁建設(shè)的整個生命周期，其產(chǎn)生的經(jīng)濟效應(yīng)與社會價值無可估量。

但由于國內(nèi)BIM起步較晚，缺乏相應(yīng)的技術(shù)標準和成熟的技術(shù)團隊，造成了BIM在技術(shù)標準上缺乏規(guī)范性和統(tǒng)一性。而作為一個新的理念，BIM技術(shù)在橋梁領(lǐng)域的應(yīng)用才剛剛起步，針對橋梁工程的BIM軟件功能也不夠完善，橋梁BIM技術(shù)的二次開發(fā)還有待發(fā)展。