BIM技術在鋼結構橋梁中的應用研究

李晨亮

（山西建筑工程集團有限公司，山西 太原 030000）

BIM技術在國內工程領域獲得了較快的發展速度，有關其理論以及工程應用點的研究逐步增多，并且也變得越來越清晰和明確。在最初的發展階段，BIM技術主要被應用至房屋建筑領域，隨著其進一步發展其在橋梁、道路以及隧道工程中的應用頻率逐漸提高。鋼架構橋梁主要具有組成部件工業化、裝配化以及數字化等優勢，因此在橋梁工程中得到廣泛應用。但是，鋼結構橋梁同樣存在的較多的施工難度，比如空間位置關系比較復雜以及節點構造復雜等。面對大型、特大型橋梁項目迅速增多的發展背景，傳統的CAD土質已經難以滿足施工進度以及施工成本管理需要，因此應當積極探索鋼結構橋梁建設過程規劃、設計、施工、運營維護等階段有效應用BIM技術的途徑以及應用要點，以此來提升橋梁工程的工業化、信息化以及智能化程度。

1 鋼結構橋梁項目現狀

鋼結構在我國橋梁工程中的應用范圍變得越來越廣泛，在AutoCAD等技術手段的支撐作用下，鋼結構承包商、制造商以及專門的鋼結構深化設計公司對鋼結構橋梁設計水平不斷提升。并且，從整體情況來看，鋼結構企業的制作水平以及施工單位的現場管理水平相較于以前也有了大幅度的提升。但是，縱觀鋼結構橋梁建設項目，依舊存在不容忽視的問題。

1）首先，現階段建筑設計環節和結構設計環節依舊處于相互獨立的狀態，增大了節點碰撞以及構件缺失等問題的發生概率，會嚴重降低整體的設計質量。現階段，國內基本上都由鋼結構承包商以及制造商等承擔鋼結構深化工作，其需要對尺寸精度以及正確性負責。因此，鋼結構承包商以及制造商需要對設計意圖進行反復核對，同時還需要繪制相關圖紙對尺寸、截面以及材質等進行清晰的反映，會產生巨大的工作量，如果發生設計變更或者調整施工工藝的情況，設計人員需要對大量的原設計圖紙進行核對，不僅工作效率比較低下還容易產生一系列的遺漏問題。如果鋼結構橋梁的結構比較復雜，難以應用AutoCAD明確表達部分空間異形零構件。

2）鋼結構橋梁零構件在進行制作加工時，需要反復裝配和阻焊，難以調整焊接扭曲變形問題，應當控制鋼結構截面焊接誤差不超過3mm。大部分鋼結構橋梁工程工期較緊，加工制造工期和工地安裝施工具有緊密聯系，但是鋼結構加工廠的產能處于固定狀態，因此必須要對焊接及裝配施工順序進行合理安排。鋼結構構件拼裝包括多個施工步驟，運用分段吊裝的方法雖然簡便易行以及有效避免了大參數起重設備。但是，在進行分段吊裝時需要應用數量較多的拼裝胎架，具有較高的拼裝場地要求。大量的高空作業也明顯增加了安全保障的難度，滋生了大量的安全措施費用。再加上節段制作工藝相對來說比較復雜，都降低了預制拼裝效率。

3）除了上述問題外，鋼結構橋梁加工制造和安裝信息管理方式相對來說比較落后，依舊以二維圖紙等文本資料進行信息傳遞的方式為主。在制作和拼裝零構件時，也會存在較多的溝通障礙，導致返工重做以及安裝等問題發生概率明顯增大，對鋼結構橋梁的進一步發展產生明顯的制約影響。比如，在對零構件材料清單進行統計的過程，相關人員需要依據零件編號對零件的規格、數量以及重量等進行一一計算，這一過程會耗費較長的工期，同時也頻繁發生錯、漏、多等問題，在發生設計變更之后還需要對變更部分的設計材料清單進行重新計算，嚴重影響了整體工作效率。鋼結構橋梁項目建設規模持續擴大，并且結構形式也越來越傾向于空間異形復雜結構，嚴重增大了施工安裝管理工作的難度。另一方面，工程各方基本上會大批次運輸零構件至施工現場，依舊采取人工錄入信息的方式，同樣存在效率低下、容易發生錯誤等問題。除此之外，在進行現場安裝時，鋼結構零構件經常會和其他構件產生碰撞，會增大管理混亂以及工期延誤等問題發生概率。

2 鋼結構橋梁建設應用BIM技術的必要性

BIM技術主要具有可視化、參數化、協同性、模擬性、優化性、一體化性、可出圖性以及信息完備性等特點，常用的BIM軟件包括美國Autodesk公司的Revit、Civil 3D、Navisworks軟件，被廣泛應用至建筑、道路、橋梁以及隧道工程當中，在國內具有較高的市場占有率。

將BIM技術應用至鋼結構橋梁建設當中，可以為節點精細設計提供助力，最終實現設計質量的整體提升。如果鋼結構橋梁連接節點設計存在不合理之處，將會導致結構處于應力集中的狀態，在應力逐漸積累以及時間推移作用下，會產生明顯的可變荷載影響，不被重視的小病害嚴重程度逐漸提高，相應的疲勞應力也會越來越大，當達到臨界值之后可能會爆發嚴重的安全事故。BIM技術自身編劇被參數化節點庫，并且還可以進行自定義的批量操作，有助于設計效率的進一步提高，充分運用其可視化節點設計優勢，可以有效消除設計過程的視角死角以及操作死角等，為焊接施工提供便利。利用BIM技術建立細節化模型，將其有效應用至設計階段、加工制造階段以及施工安裝階段，可以實現人力、物力以及財力的全面節省。

利用具有較高精準性的鋼結構橋梁BIM信息化模型，設計人員可以對工程量進行快捷高效的設計，并且還可以實現圖紙的智能批量輸出，還有助于提前對構件空間位置進行碰撞檢查。進入現場安裝階段之后，BIM模型及其應用平臺還可以為工程信息的高度集成以及共享提供途徑，有助于高度集成管理模式的形成，在促進管理水平提高的基礎上，使橋梁工程具有更高的項目收益。運用高度集成的管理模式，可以對全工程的信息傳遞進行有效簡化，為設計和施工協作耗能的減少提供促進作用。

3 BIM技術在鋼結構橋梁設計以及施工中的實際應用

無論是鋼結構橋梁設計還是實際施工，都可以應用BIM技術實現工程質量的提升，鋼結構橋梁建設應用BIM技術的框架如圖1所示。

圖1 鋼結構橋梁建設應用BIM技術的框架

3.1 BIM技術在鋼結構橋梁精細化設計中的應用

繼續沿用傳統的鋼結構橋梁節點設計方式，存在明顯的浪費人力、物力以及財力的問題，并且還會增大返工問題發生概率。以某市開發區獨塔斜拉橋工程為例，其主要采用密索體系雙索面獨塔斜拉橋，運用傳統的標準拉索節點大樣方式已經難以符合其鋼結構橋塔施工需求，因此必須進行節點精細化設計。該工程主要是運用BIM技術對橋塔以及鋼箱梁節點及細部模型進行精細化處理，提升設計模型與實際的契合程度，為設計包含了詳細加工制作以及安裝要求的高質量圖紙奠定良好基礎。基于BIM技術的鋼結構橋梁精細設計及模型主要可以分為幾何信息和非幾何屬性信息，使后續建造和運維工作能獲得可靠的數據支撐。運用BIM技術建立鋼結構橋梁細節模型，不僅可以應用至設計階段，還能夠在加工制造以及施工安裝中得到有效應用，甚至到最后的運維管理同樣可以應用這一細節模型。相關設計人員可以利用相應的軟件，在選取節點形式以及輸入相關參數之后，便可以實現特定節點的智能生成，明顯提升節點設計的精準度以及效率。面對曲面零件等結構比較復雜的零件，可以運用Prosteel組合型鋼功能，整合所有相關零部件為組合型鋼，通過一鍵布置命令實現其余相同構件的高效布置。設計人員應當充分發揮BIM模型的可視化優勢，對節點進行直觀和全方位的觀察，對設計不合理之處進行及時修正。

3.2 BIM技術在設計問題審查中的應用

為了有效減少鋼架構橋梁工程設計變更以及施工返工問題，應當利用BIM三維模型進行碰撞分析。現階段，很多BIM設計軟件都自帶碰撞檢測功能，并且還可自動導出相應的碰撞報告。在橋梁工程中如果進行整體模型的碰撞檢查將會耗費較多的人力以及時間，因此基本上都是以局部碰撞檢測為主，主要是碰撞檢測重點復雜結合部位，有助于碰撞檢測效率的進一步提高。可以將BIM模型碰撞檢測劃分為硬碰撞（構件實體的交叉碰撞）以及軟碰撞 （構件實體之間不存在交叉碰撞，但構件之間的空間間距不符合施工要求）。以某項主橋造型獨特以及體量大的大橋項目為例，在三角結合區鋼筋籠設計存在嚴重的碰撞沖突問題，利用Revit軟件完成鋼筋BIM模型建立，之后將其導入Navisworks軟件進行鋼筋碰撞分析，總共發現344處碰撞，通過分類匯總碰撞問題形成具有較高規范性的碰撞檢測報告，為后續現場施工提供可靠指導。另外，BIM模型還可以對預埋構件定位以及缺漏問題進行有效檢查，充分發揮其輔助定位以及查漏作用，對施工過程進行完整的模擬，之后以現場測量點為依據精準定位預埋構件。以某大橋項目為例，其利用BIM技術總共檢查出4處預埋構件發生偏位，并且檢查出遺漏了12處預埋構件。除此之外，還可以應用BIM技術碰撞檢測鋼結構橋梁工程的主拱肋、副拱肋。

3.3 BIM技術在加工制造及預拼裝中的應用

在眾多BIM軟件中Tekla Structures軟件的鋼結構深化設計能力最為突出，其在鋼結構數字化生產過程的加工制造階段同樣具有明顯的應用優勢。以某大橋施工為例，其鋼結構工程主要分為主梁鋼橫梁和具有復雜空間結構形式的主副拱肋系統，可以利用上述軟件對主跨結構進行創建，所創建的零件應當包含完整的尺寸、材質、截面以及編號等信息。利用數控文件輸出取代人工信息錄入，促進數據傳遞精準性的進一步提高。在完成數控文件輸出之后，發揮專業套料軟件的優勢實現套料的自動排版。在輸出套料結果之后，在數控切割機中倒入排版圖紙以及加工程度，以此為基礎完成數控切割工作，工人進行最后的構件焊接。以往在進行復雜鋼結構加工生產時，會提前在車間完成預拼裝，但是在技術限制作用下難以實現一次性成功。在正式進行主跨主副拱肋系統施工之前，可以利用BIM技術關聯三維模型和施工方法，在提前暴露問題的基礎上對其進行妥善解決，為實際施工拼裝成功率提供可靠保證。在正式施工之前，還可以應用Revit模型以及Navisworks軟件完成4D虛擬施工模擬，對主要施工機械空間位置進行合理布置，還可以實現施工工序合理性以及機械位移可行性的直觀分析。

3.4 BIM技術在施工進度模擬和質量管控中的應用

利用具有可視化特點的BIM三維模型，在添加時間參數之后可以進行項目4D進度模擬，也就是進行虛擬建造。有效結合BIM模型以及事先編制的施工計劃，從時間維度出發，對實際進度和計劃進度的符合度進行檢查，為鋼結構橋梁施工工序的合理性以及施工進度計劃的可行性提供保障。與其他軟件相比，Navisworks軟件在進度模擬中具有更高的可信度，在實際操作過程應當先完成施工進度計劃的編制，利用Navisworks軟件中的TimeLiner進行BIM模型和施工進度計劃的有效關聯，以此來模擬不同施工工序的起止過程。還可以在4D模型上進一步添加成本參數完成5D信息模型的建立，為鋼結構橋梁對成本進行精細化控制提供輔助作用。在實際的施工現場可以應用可視化的BIM模型使技術人員進行及時的學習查看，為整體施工管理水平的提升提供促進作用。不過，現階段鋼結構橋梁項目的BIM模型會占據較大的把內存空間，應當注重BIM輕量化軟件的開發和應用，使施工人員可以利用手機等移動終端設備更加方便的瀏覽BIM模型，在提高施工過程溝通效率和質量的基礎上，提升施工質量。

3.5 BIM技術在工程量統計中的應用

以往在統計工程量時主要通過手工對圖算量以及在算量軟件中建立模型等方式，存在工作量大、差異大以及成本投入較高等劣勢。應用BIM三維模型進行工程量的信息化和自動化統計，在進行BIM三維模型建立時將材料信息同步輸入，并且開展參數化設計，就能夠利用BIM軟件對工程量進行自動統計。面對設計方案大修改的情況，同樣可以利用參數化設計以及關聯性功能實時同步修改BIM三維模型，在這一過程也可以實現同步更新工程量明細表。

3.6 BIM技術、3D打印技術的聯合應用及BIM協同管理平臺

3D打印技術在建筑領域的應用范圍也在不斷擴大，其主要屬于一種快速打印成型技術，利用塑料等粘合材料等進行逐層打印，以此來完成目標三維實體的構造。鋼結構橋梁項目在應用BIM技術的同時，可以配合應用3D打印技術。以某大橋項目為例，其主要應用BIM三維模型以及3D打印技術打印具有直觀立體性的沙盤模型，為施工技術交底、施工機械現場布置等模擬演練提供巨大的輔助作用，提前暴露和解決實際施工問題，為實際的施工管理提供可靠指導。為了對鋼結構橋梁項目施工以及后期運維進行良好管理，可以搭建集合了門戶、知識、項目、流程和協作等業務的BIM協同管理平臺。

4 結語

綜上所述，BIM技術的應用可以明顯改善鋼結構橋梁項目存在的一系列問題，為節點精細設計提供助力、提前對構件空間位置進行碰撞檢查，實現設計質量、設計效率、施工質量的提高以及施工成本的降低，為鋼結構橋梁充分發揮自身功能提供保證。BIM技術在鋼結構橋梁中的應用主要體現在鋼結構橋梁精細化設計中的應用、在設計問題審查中的應用、在加工制造及預拼裝中的應用、在施工進度模擬和質量管控中的應用、在工程量統計中的應用，同時還可以聯合應用BIM技術以及3D打印技術進一步提升工程效益。