BIM在橋梁施工中的應(yīng)用

(重慶交通大學(xué) 重慶 400074)

一、引言

交通系統(tǒng)是一個(gè)國(guó)家的命脈，橋梁則是交通系統(tǒng)中的咽喉，橋梁工程在國(guó)家的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展中扮演者及其重要的角色，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，特別是國(guó)家西部山區(qū)飛騰式的發(fā)展，中國(guó)路網(wǎng)中橋梁的需求量也與日俱增，根據(jù)中國(guó)交通運(yùn)輸部的資料統(tǒng)計(jì)表明，我國(guó)的各類橋梁大約有5萬(wàn)多座[1]。

任何一座橋梁，無(wú)論規(guī)模大小，都要經(jīng)歷前期規(guī)劃，中期施工建造，后期運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)直至拆除的整個(gè)生命周期，在傳統(tǒng)橋梁工程中，規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造、后期管理都是由不同的管理部門分開管理，而橋梁的施工圖確依賴CAD軟件，也就是傳統(tǒng)的二維圖紙，設(shè)計(jì)人員、管理人員、建設(shè)人員之間缺乏高效的協(xié)同，往往受到各自的信息有誤，所以各個(gè)階段工作的獨(dú)立性較強(qiáng)，不同部門人員參與率比較低，最終造成工程的造價(jià)高昂、施工成本難以控制、工程質(zhì)量低下。

與此同時(shí)，現(xiàn)代橋梁正朝著大跨度、高強(qiáng)度、輕質(zhì)材料的方向發(fā)展，新材料新工藝對(duì)于理論研究分析計(jì)算準(zhǔn)確性的高要求，橋梁工程建設(shè)中精細(xì)化的處理，橋梁后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)的智能化，因此后期的橋梁建設(shè)需要越來(lái)越高的智慧和技術(shù)。

近十年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、精細(xì)化管理等一系列現(xiàn)代科學(xué)在度過(guò)了萌芽期后迅速發(fā)展，并廣泛運(yùn)用，對(duì)土木這個(gè)行業(yè)產(chǎn)生了巨大影響，BIM技術(shù)正是在這種環(huán)境下應(yīng)運(yùn)而生。BIM在經(jīng)歷了最初的萌芽期和發(fā)展期之后，被迅速的運(yùn)用到實(shí)際工程中來(lái)，針對(duì)性的解決實(shí)際工程的各種難題，在橋梁領(lǐng)域，各國(guó)的橋梁工作者借鑒BIM技術(shù)在房建領(lǐng)域所取得的成就和經(jīng)驗(yàn)，嘗試將BIM應(yīng)用到橋梁當(dāng)中，取得了顯著的效果—3D可視化技術(shù)[2]在復(fù)雜橋梁構(gòu)件施工時(shí)起到了很大的輔助作用，3D模擬技術(shù)與碰撞檢查技術(shù)讓橋梁在實(shí)際動(dòng)工前充分展現(xiàn)出其不足地方并加以修改，讓橋梁的后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)更加智能。

二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

(一)國(guó)外研究

對(duì)BIM的針對(duì)性研究起步較早的是以美、英、日、韓為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家。

1.美國(guó)

上世紀(jì)70年代，BIM的理論雛形就在美國(guó)發(fā)展開了，通過(guò)美國(guó)數(shù)十年的發(fā)展和研究，美國(guó)在現(xiàn)代BIM技術(shù)的推廣和應(yīng)用中也是首屈一指，2006年，美國(guó)陸軍工程兵(USACE)提出了一份為期15年的BIM路線圖，作為美國(guó)國(guó)家發(fā)展BIM的總體規(guī)劃指南，2007年12月，美國(guó)建筑研究院發(fā)布了美國(guó)國(guó)家BIM標(biāo)準(zhǔn)(NBIMS)[3]，成為了世界上第一部系統(tǒng)的BIM標(biāo)準(zhǔn)。2009年7月，威斯康辛州政府對(duì)BIM技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)制性推廣，要求其境內(nèi)預(yù)算超過(guò)500萬(wàn)美元的項(xiàng)目必須采用BIM技術(shù)。

2.英國(guó)

英國(guó)作為老牌發(fā)達(dá)國(guó)家，對(duì)于BIM的研究也是走在了世界的前列。2012年，英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(BSI)提出了BIM模型成熟度界定方法[4]—BS/555路線圖——將BIM模型分為4個(gè)等級(jí)，2013年，英國(guó)皇家建筑學(xué)會(huì)定義了BIM項(xiàng)目[5]從始至終的整個(gè)過(guò)程，該實(shí)施將BIM分為8個(gè)階段，同時(shí)闡述了項(xiàng)目中各個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的每個(gè)參與者的核心活動(dòng)。

(二)國(guó)內(nèi)研究

中國(guó)對(duì)于BIM的研究起步較晚，但通過(guò)大量學(xué)者和相關(guān)領(lǐng)域工作者的不懈研究，同時(shí)吸取國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的情況下，中國(guó)在BIM領(lǐng)域也取得了豐碩的成果。十一五期間，BIM成為了國(guó)家科技支撐重點(diǎn)項(xiàng)目后，在國(guó)家層面上對(duì)于BIM技術(shù)便越發(fā)重視。十二五期間，住建部更多次在其重要文件中提到BIM：

1.2013年8月29日，發(fā)布的《關(guān)于征求關(guān)于推薦BIM技術(shù)在建筑領(lǐng)域應(yīng)用的指導(dǎo)意見函》中提到“2016年以前政府投資的2萬(wàn)平方米以上大型公共建筑以及報(bào)綠色建筑項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工采用BIM技術(shù)。

2.2016年4月15日，重慶建委發(fā)布關(guān)于加快建筑模型技術(shù)應(yīng)用的意見，其中提到四個(gè)關(guān)鍵的時(shí)間點(diǎn)：2017年起，本市建筑面積3萬(wàn)平方米以上的單位公共建筑在設(shè)計(jì)階段必須采用BIM技術(shù)；2018年起，大型道路、橋梁、隧道工程，三層及以上的立交工程，在勘察、設(shè)計(jì)階段必須采用BIM技術(shù)；2019年起，軌道交通站點(diǎn)工程在勘察、設(shè)計(jì)階段應(yīng)采用BIM技術(shù)。

同時(shí)，在工程實(shí)踐領(lǐng)域，BIM技術(shù)也發(fā)揮了極大的作用，諸如08年奧運(yùn)會(huì)主場(chǎng)館之一的水魔方，利用BIM技術(shù)解決了建筑的能源可持續(xù)利用問題，總高度到達(dá)632米的上海中心大廈，利用BIM技術(shù)解決了建筑結(jié)構(gòu)的主體，上海世博會(huì)中國(guó)館的設(shè)計(jì)建造，則利用BIM技術(shù)解決了復(fù)雜構(gòu)件工程精確計(jì)算和施工階段造價(jià)管理問題。南京青奧會(huì)議中心運(yùn)用BIM的碰撞檢查技術(shù)解決了管線設(shè)計(jì)，慈溪大劇院則利用BIM的3D可視化技術(shù)[4]。

三、橋梁設(shè)計(jì)階段的BIM模型建立

(1)對(duì)橋梁的梁結(jié)構(gòu)，圍繞著直線T梁、直線箱型梁與直線變截面梁三種形式的構(gòu)件開展了參數(shù)化設(shè)計(jì)，針對(duì)T梁，著重對(duì)實(shí)現(xiàn)T梁坡度及保證其設(shè)計(jì)界面式中保持豎直的輔助參數(shù)進(jìn)行了深度研究；對(duì)于箱梁，開展了箱梁參數(shù)化的設(shè)計(jì)，著重闡明了箱梁直、斜腹板的參數(shù)設(shè)置模式。最后采用“以直代曲”的方式創(chuàng)建了一個(gè)梁底為二次拋物線的變高箱梁，開展了變截面梁的參數(shù)化模型設(shè)計(jì)。

(2)對(duì)橋梁的柱結(jié)構(gòu)，圍繞重力實(shí)體墩、空心墩與帶蓋梁的柱式墩這三種常見的橋墩進(jìn)行參數(shù)化模型設(shè)開展研究。由于橋梁中的柱結(jié)構(gòu)都是豎直放置，其截面均為水平，在參數(shù)設(shè)計(jì)上梁結(jié)構(gòu)模型相對(duì)簡(jiǎn)單。在空心墩模型的構(gòu)建中，適應(yīng)性較差，因此提出了一種組合建模的方式，通過(guò)豎直方向的參數(shù)控制截面參數(shù)，最后通過(guò)互相嵌套的方式創(chuàng)建空心墩模型。

(3)采用本文創(chuàng)建的構(gòu)件參數(shù)化模型作為建模的基本原件，本文提出了橋梁設(shè)計(jì)階段的BIM建模框架，通過(guò)拼裝建模的方式創(chuàng)建蘇家浩大橋[9]的設(shè)計(jì)階段BIM模型。并通過(guò)剖切面的方式，自動(dòng)生成了傳統(tǒng)二維的大橋布置圖和上部結(jié)構(gòu)斷面圖；同時(shí)通過(guò)明細(xì)表統(tǒng)計(jì)的方法，自動(dòng)完成了全橋工程量的計(jì)算。