基于BIM技術(shù)的橋梁工程信息化研究

黃子興 中國水利水電第七工程局有限公司

1 前言

Building Information Modeling 簡稱BIM，它是歐特克公司在2002年提出的一個新概念，此技術(shù)已在全球的范圍內(nèi)得到應(yīng)用，并取得了行業(yè)的廣泛認(rèn)可，此技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)行業(yè)中各種信息的集成，從建筑最初的設(shè)計開始，到施工，再到運行直至建筑全壽命周期的完成，各種類型的信息都整合在一個三維BIM模型數(shù)據(jù)庫中，設(shè)計單位、施工單位、設(shè)施運維部門以及業(yè)主等各參與人員都可以基于BIM模型協(xié)同工作，提高工作效率、節(jié)省施工資源、降低施工成本、從而實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

2 項目概況

紅家中橋（橋梁中心里程K7+993m，長度99m，寬度40m，跨徑3×30m）。橋梁設(shè)計為雙幅橋（圖1），橋梁的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計為預(yù)制預(yù)應(yīng)力的混凝土簡支小箱梁，橋墩則使用柱式的墩樁基礎(chǔ)，本橋臺使用重力式的U型橋臺、擋土橋臺、樁柱式橋臺，墩臺的樁基都按嵌巖樁設(shè)計，采用鉆孔灌注樁施工。橋梁在橋臺前墻處和梁體分聯(lián)處置EM80 型、EM120 型伸縮縫，其余位置橋面連續(xù)。

3 BIM技術(shù)基本應(yīng)用

3.1 輔助圖紙會審

通過各個專業(yè)BIM 模型的建立，發(fā)現(xiàn)圖紙問題，進行匯總整理，形成書面文檔，作為圖紙會審依據(jù)。在多方會審過程中，將三維模型作為多方會審的溝通媒介，在多方會審前將圖紙中出現(xiàn)的問題在三維模型中進行標(biāo)記，會審時對問題逐個評審并提出修改意見，大大地提高溝通效率。

3.2 碰撞檢查

因為本橋梁的結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間相對關(guān)系錯綜復(fù)雜，而傳統(tǒng)二維圖紙在展現(xiàn)橋梁構(gòu)件三維關(guān)系時有一定的局限性，導(dǎo)致設(shè)計人員在設(shè)計時考慮不夠周全，發(fā)生構(gòu)件之間的碰撞、部件位置沖突的現(xiàn)象。由于部分特殊結(jié)構(gòu)在二維圖紙上無法表示，具體實施時施工單位難以理解設(shè)計意圖，造成不必要的損失。應(yīng)用BIM Works 或Navisworks 軟件將二維圖紙轉(zhuǎn)化成三維模型，同時設(shè)置各專業(yè)模型碰撞檢查規(guī)則，可以快速找出符合碰撞規(guī)則的碰撞點，并生成相應(yīng)的碰撞檢查報告，每條碰撞信息包括碰撞的類型、深度及具體三維情況。施工人員根據(jù)報告調(diào)整施工方案，避免項目工期的延誤或項目返工。

3.3 施工工藝動畫模擬

根據(jù)圖紙建立洪家中橋三維模型，滿足了建筑師的想象力，通過BIM 技術(shù)可視化特點，BIM 模型可讓設(shè)計人員提高工作效率，提高設(shè)計質(zhì)量，更好地為項目品質(zhì)提供服務(wù)。

（1）復(fù)雜節(jié)點交底。對于復(fù)雜節(jié)點，進行三維動畫演示，對施工單位項目實施的相關(guān)人員進行可視化技術(shù)交底，提高了交底內(nèi)容的直觀性和生動性，相關(guān)施工人員可快速理解設(shè)計者的設(shè)計意圖，保證項目施工目標(biāo)的實現(xiàn)，極大地提高了交底效率，施工工藝執(zhí)行更加徹底，減少返工，提高工程質(zhì)量。

（2）專項施工方案模擬與優(yōu)化。通過BIM技術(shù)的可視化特點，可指導(dǎo)項目部編制可視化的專項施工方案，讓施工人員形象生動地理解復(fù)雜的施工工序，提高交底效率，提前模擬方案實施時現(xiàn)場施工狀態(tài)，提前規(guī)避可能存在的安全隱患、消防漏洞及危險源，合理布置專項施工方案的施工工序，有利于專項方案的實施（圖2）。

3.4 精確算量

工程造價是非常繁瑣的工作，特別是工程量的計算，包含工程估算、工程概算、工程預(yù)算、工程結(jié)算和工程決算等過程。使用深化后的BIM 三維模型進行算量，并生成明細表，統(tǒng)計分析工程量數(shù)據(jù)，為工程算量提供精確數(shù)據(jù)。項目各相關(guān)部門需要對BIM模型進行協(xié)同管理并實時更新模型數(shù)據(jù)，及時準(zhǔn)確地呈現(xiàn)各個階段的造價信息。同時還可以將造價數(shù)據(jù)錄入BIM云平臺中，在施工現(xiàn)場也可使用手機端查看相關(guān)工程量，并把施工現(xiàn)場的實際使用量實時錄入BIM平臺中，實現(xiàn)多算對比。

3.5 5D施工進度模擬

BIM5D 是在三維模型的基礎(chǔ)上加上進度和成本，形成5D模型，然后將5D模型放到云平臺上，這樣可以通過BIM5D 模型進行進度、成本和資源等信息查詢，并根據(jù)輸入的進度輸入進度模擬視頻。

BIM5D 中，可以按照橋梁工程的施工工序?qū)⑷S模型進行切分，并將BIM 模型和進度、施工日志進行關(guān)聯(lián)，將三維模型與進度計劃整合在可視的4D 模型，直觀、準(zhǔn)確地反映整個項目的施工過程，實現(xiàn)進度動態(tài)監(jiān)控及預(yù)警。

BIM5D 平臺管理還提供資料系統(tǒng)管理，通過PC端將各專業(yè)模型導(dǎo)出所需文件格式，并將其進行集成，導(dǎo)入BIM5D 平臺中，通過各部門配合及溝通，將項目合同、電子版圖紙、成本預(yù)算單價、進度計劃等信息上傳至平臺，并與模型的各個構(gòu)件進行關(guān)聯(lián)，5D系統(tǒng)可對項目的成本數(shù)據(jù)進行分析、整理和歸集，形成成本數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)項目成本的動態(tài)管理、實現(xiàn)資金計劃精準(zhǔn)預(yù)測和動態(tài)調(diào)整。為隨后展開BIM 在項目中的應(yīng)用做好準(zhǔn)備。

通過BIM5D 平臺在施工前設(shè)置各專業(yè)工種，施工過程中 現(xiàn)場管理人員可通過手機移動端設(shè)置和上傳各施工位置各工種勞動力人數(shù)，在WEB 端進行統(tǒng)計。在形成過程資料的同時便于項目管理人員規(guī)劃合理的設(shè)備工作形式以及物料出入庫路線，使施工現(xiàn)場有條不紊地進行，減少工作面沖突。

3.6 梁場信息化管理

橋梁工程中預(yù)制梁的制作過程如下：①鋼筋綁扎；②澆筑混凝土；③轉(zhuǎn)運存梁；④吊裝拼裝，通過軟件的支持，將每榀預(yù)制梁的制作過程分為：梁場準(zhǔn)備-任務(wù)計劃-制梁-存梁-轉(zhuǎn)運-吊裝拼裝。其中制梁又分為：鋼筋綁扎-檢驗批錄入-澆筑混凝土-存放-質(zhì)量檢驗。并通過BIM 信息化管理技術(shù)對每榀預(yù)制梁進行橋梁信息供應(yīng)、制梁進度統(tǒng)計、制梁任務(wù)計劃、梁信息維護以及制梁工藝修改等。對梁場的信息化管理是對梁場進行項目全過程的信息及施工資料的動態(tài)展示及管理，方便相關(guān)人員實時了解預(yù)制梁的進度，實現(xiàn)預(yù)制梁的生產(chǎn)效率實時掌控，以技術(shù)規(guī)范數(shù)據(jù)庫建設(shè)為依據(jù)實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化管理，同時以工序流程管理為主線，實現(xiàn)了全過程控制，全面提高了預(yù)制梁的質(zhì)量。

3.7 二維碼應(yīng)用

在日常的工程管理工作中，項目管理人員需要掌握項目人員的信息、項目進度情況、關(guān)鍵節(jié)點的質(zhì)量把控、現(xiàn)場機械設(shè)備的維護管理，這些傳統(tǒng)的方法費時費力，還存在信息難統(tǒng)計、難記錄、難查詢的情況，急需一套行之有效的工具幫助他們輕松完成這些工作。二維碼技術(shù)與BIM技術(shù)相結(jié)合，可以為建筑施工企業(yè)提供全過程管理的解決方案。通過掃描二維碼的方式記錄相關(guān)信息，解決在施工過程中人員管理、成本管理、設(shè)備管理、工程信息管理及展示的需求。平臺中的所有機械，均以唯一的二維碼全面覆蓋，做到一機一碼一證。所有機械的維修記錄在平臺上可以查詢，定期保養(yǎng)時間自動提醒。

3.8 質(zhì)量安全管理

在BIM 技術(shù)的支持下，橋梁施工現(xiàn)場采用5D 平臺輔助質(zhì)量管理，通過BIM5D平臺的應(yīng)用，項目管理人員可以形象、直觀地了解橋梁各構(gòu)件參數(shù)、構(gòu)件尺寸、位置等參數(shù)信息，有利于高效、快捷指導(dǎo)橋梁工程現(xiàn)場施工。同時項目現(xiàn)場技術(shù)人員以及安全人員在施工過程中對項目現(xiàn)場的質(zhì)量、安全問題實施拍照上傳，抄送相關(guān)負責(zé)人，對該區(qū)域?qū)崟r整改，整改完畢后拍照上傳，形成閉環(huán)；通過BIM 平臺查看協(xié)同情況，并掌握項目各類問題的發(fā)展趨勢，使現(xiàn)場管理更有針對性。BIM 平臺還能模擬橋梁施工現(xiàn)場驗收的流程及關(guān)鍵節(jié)點，可以從模擬過程中發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的問題，提前做好預(yù)防，并對橋梁的質(zhì)量展開客觀公正地評價。

4 BIM技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用

4.1 BIM+GIS地下數(shù)據(jù)的測量

在橋梁施工管理的應(yīng)用中，通過BIM技術(shù)建立虛擬三維模型并為模型中的每個構(gòu)件掛接生成具有唯一標(biāo)識性的編碼，以該編碼為索引依據(jù)，將各構(gòu)件的材料信息、幾何屬性、狀態(tài)變化情況以屬性的方式賦予各構(gòu)件，達到精準(zhǔn)記錄和存儲的目的；再配合三維模型以數(shù)字化、可視化的形式展示出來，可以科學(xué)高效查看和管理施工。

GIS 技術(shù)可以為復(fù)雜地理環(huán)境下橋梁施工的規(guī)劃、管理、決策和營運提供科學(xué)有效的技術(shù)支持。其技術(shù)包括光學(xué)遙感影像、高程DEM數(shù)據(jù)、無人機傾斜攝影、地面?zhèn)鞲衅鞯仍趦?nèi)的多源數(shù)據(jù)的載體，以地理坐標(biāo)為基準(zhǔn)搭建一套橋址處的高還原度虛擬環(huán)境，具有十分優(yōu)異的可視化效果和地理空間分析基礎(chǔ)。

BIM+GIS 技術(shù)的結(jié)合，采用了Infraworks 360 在三維地形和影像模型上快速選線，并設(shè)置橋梁、隧道等構(gòu)造物，并可導(dǎo)入Civil 3D作優(yōu)化設(shè)計。方案經(jīng)過Civil 3D 優(yōu)化設(shè)計后，成果導(dǎo)入Infraworks 360中，在真實的地形、路線、路基、橋隧等模型的基礎(chǔ)上，進行多方案可視化比選，縮短方案決策時間。

4.2 BIM在橋梁運維中的應(yīng)用

科學(xué)保障橋梁工程的行車安全及壽命是國家重大需求，新技術(shù)的興起為橋梁的智能檢測與安全運維提供了新的發(fā)展契機。隨著新型傳感、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，基于BIM 技術(shù)和人工智能的橋梁運營管理解決方案，為橋梁的智能檢測、診斷識別、評價預(yù)測及養(yǎng)護維修提供了新思路。

BIM技術(shù)通過對橋梁的安全數(shù)據(jù)監(jiān)控，以及對維修維護狀態(tài)的分析，精確了解橋梁使用狀況及使用壽命，通過顏色直觀的區(qū)分出損壞較嚴(yán)重的部位，并作出及時正確地處理，通過把預(yù)埋監(jiān)測系統(tǒng)搜集的監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳遞到運維管理系統(tǒng)，判別水下積泥、異物和重大結(jié)構(gòu)損壞情況，并及時作出響應(yīng)。

4.3 無人機應(yīng)用

施工過程中可以不定期地進行無人機航拍，對施工工人予以安全監(jiān)督和巡查。定期航拍，還可獲取實時的形象進度。對獲取的進度與BIM5D平臺的計劃進度進行對比，以更好地展開進度管理，方便項目管理人員調(diào)配材料，并形成過程中的影像資料，提高工作效率。

4.4 三維激光掃描與竣工模型

利用全景掃描技術(shù)，在橋梁工程施工的重要時間節(jié)點對重難點的工作面進行三維掃描，生成關(guān)鍵節(jié)點的全景模型，經(jīng)相關(guān)軟件處理后輸出點云模型，然后導(dǎo)入三維軟件形成三維模型，再將三維模型與BIM 模型加以對比，得到二者之間的精度差別，以檢驗施工質(zhì)量。

4.5 BIM+VR應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實在BIM中的應(yīng)用，總的思想是基于虛擬現(xiàn)實引擎技術(shù)來承載BIM 模型及其數(shù)據(jù)，并通過VR呈現(xiàn)BIM 的三維模型及相關(guān)信息。從而將BIM 三維模型與VR 平臺進行無縫對接，借助VR 設(shè)備，如VR眼鏡或頭盔，呈現(xiàn)真實的模型效果，并可以與BIM 模型實時更新，達到實時呈現(xiàn)的效果，并且在虛擬場景中查看BIM 三維模型承載的信息。BIM+VR 技術(shù)一方面可以得到好的效果，另一方面也可以呈現(xiàn)BIM中相關(guān)的信息，實現(xiàn)無縫對接。

利用BIM+VR技術(shù)，形成基于計算機或云平臺的具有仿真功能的系統(tǒng)，讓系統(tǒng)中的模型有相關(guān)信息，并對模型進行模擬施工，根據(jù)施工模擬的成果，在人機交互的環(huán)境中改進項目施工方案。

4.6 BIM+AR應(yīng)用

AR為簡寫，全稱為Augmented Reality，即增強現(xiàn)實的意思，是在虛擬現(xiàn)實基礎(chǔ)上拓展出的一種新的人機交互技術(shù)，不同于VR，AR 技術(shù)是通過將計算機生成的虛擬物體或信息在實際的環(huán)境中進行疊加，呈現(xiàn)現(xiàn)實與虛擬相結(jié)合的場景，即增強現(xiàn)實。

5 結(jié)束語

橋梁施工難度大、環(huán)境復(fù)雜、工期緊、要求高、協(xié)調(diào)多、信息量大，BIM 技術(shù)在橋梁中的應(yīng)用可以很好地解決這些問題。BIM 技術(shù)在橋梁施工階段的應(yīng)用尚處于初級階段，但是BIM 技術(shù)在發(fā)現(xiàn)圖紙錯誤、施工提前模型、可視化技術(shù)交底、工程量實時統(tǒng)計、各專業(yè)碰撞檢測、多部門多單位的信息集成等方面較傳統(tǒng)管理模式具有很大的優(yōu)勢。

BIM5D 云平臺可實現(xiàn)橋梁工程全壽命周期的管理，從項目的初期設(shè)計到施工再到運維的全過程信息化動態(tài)管理，實現(xiàn)橋梁工程項目的精細化管理，保證橋梁工程的安全、質(zhì)量、成本、進度、環(huán)保等目標(biāo)的實現(xiàn)。