BIM技術在橋梁設計、施工與運維中的應用

文/毛瑞麒 峽江中學 江西吉安 331409

傳統土木工程行業在力學理論和施工實踐上已十分成熟和完善，但是這些土木工程如橋梁工程施工的標準化和效率化有待近一步提高，以BIM技術為代表的信息化技術的推進和發展對橋梁等土木工程行業具有重大影響，主要體現為：BIM技術在橋梁工程的設計階段、施工階段及運維階段的關鍵應用。

在針對橋梁工程進行BIM技術的應用之前，需要先對BIM技術的定義和歷史發展做深刻和準確的理解。BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技術是以工程建筑項目的三維數據為基礎，在計算機內模擬建立構筑物模型，并附加相應屬性信息 [1]。BIM 技術起源于20世紀末的建筑計算機模擬系統，由美國Chuck Eastman 博士提出。它是一種數據可視化工具，用于工程前期設計和后期建造管理，項目的各項信息可以通過參數模型進行融合。信息的的共享和傳遞貫穿在項目前期設計、中期運行和后期維護的過程中，可以幫助工作人員正確理解和高效應對各項信息數據，為各方建設主體提供協同工作的基礎，包括設計師隊伍和建筑運營單位，在縮短工期和節約成本有著重要作用[1]。隨著時間發展，其越來越成熟，越來越多的建筑企業將目光投向BIM技術；目前BIM技術正處于概念階段轉向實踐階段的重要時期。

1、BIM技術在橋梁設計上的應用

在方案設計階段，橋梁設計方面的工作量比較大。傳統的設計表達方式，以圖紙和材料的統計工作為例，具有繁瑣復雜和容易出錯的特點。此外，橋梁設計的好壞和細節直接決定了施工工藝環節是否嚴謹，因此，如果能在前期設計階段模擬出橋梁的三維動態施工過程，可以盡可能地規避設計付諸實際時在施工中產生額外問題。在橋梁設計階段，充分利用BIM技術，能夠提高施工效率和施工質量，保障合理施工周期。

1.1 橋梁設計階段前期

設計階段包括設計階段前期和設計階段后期[2]，在設計階段前期，構建模型是應用BIM技術的核心，故在橋梁設計前期，應先以基礎數據為基礎構建模型，再在三維模型上，根據數據的不同屬性及其組合，實現不同的應用[2]（見圖1）。其中主要有：（1）模型的力學和幾何分析，（2）各個平面的視圖 ，（3）工程量計算，（4）總體的展示，（5）模擬施工。可以根據實際情況進行適當的調整，將其整體動態化，直觀地將設計理念、設計規劃和參考數據等以三維可視化模型展現給項目決策者，甚至可在設計階段前期中加入成本控制信息和時間變化，進行5D的設計模擬，極大地方便了項目決策者進行設計方案的調整，使得前期的橋型橋式方案設計十分方便快捷。

圖1 橋梁設計前期舉例

1.2 橋梁設計階段后期

在設計階段后期中，BIM需要完成設計出圖。由于橋梁的空間關系交錯復雜，傳統的二維圖紙中，用不同的圖紙表示不同的結構，易在設計中形成部分部件的重疊，整體模型的缺失等問題[3]；BIM技術可完美地解決這些問題，基于BIM技術的特性，以整體構建模型，和以三維可視化的形態顯示，解決了二維圖紙易形成的部件重疊、模型缺失的問題；在后期處理中，傳統的二維圖紙一旦出錯（見圖 2），則需要大量的精力去修改，可謂是牽一發而動全身，而且錯誤不易被發現，但若BIM技術的圖紙出錯，可清楚地發現錯誤處，及時修改，而且只需要修改錯誤部分，其余與之相關聯的部分也會一并調整，十分方便。

圖2 橋梁設計后期：結構錯誤

綜上所述，在橋梁設計方面，由傳統的CAD二維圖紙技術轉變為BIM技術可謂是大勢所趨，堪稱是一次技術革命。

2、BIM技術在橋梁施工上的應用

2.1 橋梁施工進度控制

BIM技術的特性，是以三維可視化圖像顯示。對于施工單位來說，充分理解設計師的設計意圖和設計風格，可避免由于施工單位與設計師的理解分差而導致施工質量的下降。同時也可以有效地發現施工中的難點和設計圖中的不合理之處，減少施工錯誤產生和資源浪費。在應用BIM技術進行建設工程施工進度控制的過程中，首選需要建立一個自主的BIM系統。為在實施階段盡可能地保證在各參建主體之間暢通無阻地傳遞項目信息，各個職能部門能夠協同操控和調用，一個主要的需求是建立項目集成控制平臺，基本管理對象為建設項目，基于計算機網絡構建協同的業務平臺，實現協同三跨（地域、企業和部門）管理，最終達到信息資源共享的目標，進而通過建立BIM平臺，進行模擬施工，加快施工進度，進而實現對建設工程項目施工進度的良好控制和管理。

2.2 橋梁施工成本控制

工程、人工、材料和機械控制等四個控制是橋梁施工階段成本控制的主要內容[4]。同時，基于線性回歸、指數平滑、偏差分析、灰色預測的方法是成本控制的主要方法。其中，偏差分析方法是施工過程中使用頻率最高的。偏差分析法，其定義為分析目標期望與目標進度和成本差異的方法，主要是比較差值來發現實際與設計之間差異。支撐項目的準確分析，項目施工情況的有效控制，是其最大的優勢特點。通過收集并計算三個費用，具體包括：（1）工作預計完成的預算費，（2）工作已完成部分的預算費用，（3）工作實際完成費用的值，進而分析成本和進度相對于預期出現偏差的原因，基于展開糾偏措施，從而達到橋梁的施工成本控制。

2.3 橋梁施工安全管理

BIM技術可以在實際施工之前進行虛擬的施工過程模擬，有利于盡快確定合理方案，便于人員之間的協調，減少施工變更的損失，及時糾正施工偏差。而在施工中較容易受到外界的影響，在施工時易發生安全以及質量問題；橋梁工程的復雜性和不確定性顯而易見，其難度也是十分高的，BIM技術則可以提供較為完善的技術平臺，用于做好安全管理工作。在分析層次化的橋梁信息模型基礎上，建立以三維模塊模擬橋梁缺損的表達方式，建立面向養護管理階段的橋梁構件編碼體系，并提出橋梁病害的可視化管理，為基于BIM的橋梁病害定位提供一定的技術基礎。以橋梁裂縫病害為例，可以利用關系數據庫和工程管理器進行自動養護決策建議系統構建，搭建基于BIM的橋梁病害輔助決策支持系統的框架，為實現可視化和自動化的橋梁施工安全管理提供一定的研究基礎[4]。

3、BIM技術在橋梁運營管理中的運用

3.1 橋梁設備維護管理

在國內的橋梁運營管理方面存在不少缺陷，BIM技術的出現一定程度上可以進行補充；在后期的運營管理中，保修等方面都可以通過BIM技術強大的信息化、可視化和模擬化進行全面的監督[5]。大型橋梁的全面監督十分困難，但同過BIM技術的三維立體圖像可以清楚地進行查看分析，甚至細化到每一個細節上，從而有效地提高管理水平和管理效率。

3.2 橋梁應急管理控制

管理過程中，結合實際情況，利用BIM技術對結構、水電和消防等方面進行信息采集、構建和表達，建立完整的關系數據庫，可以有效地對橋梁的健康情況進行監督，避免了大量繁瑣的低效率工作，也可對一些易損部位進行隨時督查，避免不必要的損失。尤其在一些極端事件或惡劣條件下，比如發生火災或洪水災害時，及時通過橋梁BIM系統查詢得到最短路徑和最穩固構建的信息，從而及時疏散人員和躲避災害，進而將損失降低到最小。

結論：

本文主要敘述了現代信息化BIM技術的原理和過程，將其運用在以橋梁工程為代表的土木工程領域，從橋梁設計施工和運營管理三個不同階段闡述具體應用過程；BIM技術與土木工程行業的交叉結合具有十分可觀的發展前景。