BIM 技术在桥梁工程中的应用调研

董 雪

（中交公路规化设计院有限公司，北京 100000）

建筑信息模型BIM，全称为：Building Informa tion Modeling，是根据建筑工程、建设项目的相应信息数据在电脑中使用信息化方式建立建筑模型的工具，它可以通过数字信息模拟实际的环境，最后通过屏幕以三维动画的形式展现出来。桥梁专业与建筑专业有所区别，桥梁设计师兼顾结构与美学，既是严谨的工程师，又是浪漫的艺术家。所以在设计阶段有巨大的工作量。设计时对有限元计算模型的调整优化需要实际展现在图纸设计中，这个精雕细琢的过程需要反复推敲，经常需要花费大量的时间，实际上效率较低。如果能够在一个协同设计的BIM 模型上统一设计，修改调整后，均可通过该模型自动出图，将大大提高设计效率、降低成本、提高质量。

1 设计阶段

1.1 设计阶段划分及设计案例

设计可以分成前期与后期，前期设计包含项目立项、项目的可行性研究、方案对比等相关内容，当下设计者使用立体模型工具如Vectorworks、Revit、Rhino 等建成动态三维模型，根据实际需求对桥型、尺寸、外观美化等方面进行整体调节，最后形成仿真模型，可直观展现出设计者的意图、设计的完整效果。在将3D 模型展现给相关人员后，相关人员可以以最直观、简便的方式了解设计方案，并根据需求对方案进行调整、修改，通过添加各种桥梁设计信息对各类参数进行对比和控制，这种方式可以帮助桥梁初期设计方案加速确定，提高整体工程进度。

在桥梁工程设计中应用BIM 技术建模之后，通过模型的计算分析，主要是针对局部模型计算和整体模型计算。在局部模型计算环节，可以充分使用前期的建模成果来进行，从而可以更好地缩短工作时间。

图1为海文大桥（原铺前大桥）模型。模型建立过程如下：

图1 海文大桥BIM 模型

①导入地形图，创建三维地形；②创建三维路线图；③按照各部件在设计图纸中的位置，分别创建主桥、两侧引桥、桥面及附属设施的三维模型；④参考上述各模型，建立桥墩模型，将所有模型组合成整体模型。

通过上述操作可知，3D 建模的方式可以更好向业主方展现桥梁设计方案，汇报时通过3D 模型对桥梁细节展示可以帮助理解项目在实际环境中的最终模样，达到直观的展示效果。在讲解效果图时可以使用三维动画进行360 度无死角展示，以此展现不同角度的设计细节。

平面设计模型建成后可以使用3D 渲染方式使得设计图样变得更加真实，使用3D 动漫漫游效果可以使决策人充分理解设计理念、设计细节。所有的设计师都可以通过学习相关软件对模型环境进行渲染，模拟设计方案在实际环境中的场景，建立实际的环境立体关系。再者，使用3D 动漫漫游效果进行汇报时，方案的展示可以更加生动、直观，整体效果远远优于简单的平面图展示。

1.2 参数化设计

参数化设计分为两个部分：参数化单元和参数化修改引擎。工程设计中的每个单位都是一个图元或单元，通过参数的调整，可以反映出这些单元的区别，而这些参数又包涵了参数化单元所需的信息。

参数化修改引擎用来修改不同的参数，当使用这种技术时，使用者对设计方案作的所有更正都可以在软件中查找展示，当使用此技术将每个设计单元相连接时，可以更加直观地了解到根据设计方案修改而导致的数据变化，从而确认整体设计方案的合理性。相应的，通过对某一单元的修改，如改变此单元的大小、移动此单元等改动，会产生整体设计方案联动发生改变，这种方式可以通过最小的改动保证整体设计方案的合理性，以简化但凡单一构件改变，每一个相关构件都要修正的情况。

当前的参数化设计软件还没有针对公路桥梁行业开发的产品，导致目前使用者只能用建筑或制造业的通用设计软件来进行公路等某特定领域的三维建模，但由于这些软件是针对制造业和建筑业而设计的，在结构设计方面使用这些软件会出现很多问题，如：工程设计习惯不同，只能满足三维建模需求；复杂的参数约束导致建模过程麻烦、处理效率很低，以致于无法真正解决复杂结构物的设计。

当下的设计软件在建设模型时往往无法基于线路模型，因而不能得到准确的线路资料，造成设计精确程度大打折扣；基于路线信息的桥梁计算在需要出图时，复杂的计算和详细的细节很难在当下的设计软件中展示出来。对当下的3D 设计软件需进行改进升级或开发出针对公路桥梁的建设方案，以实现公路桥梁的3D 技术参数化设计方案。可以通过以下几个点来优化当前的设计问题：

参数化和特征化。参数化是设计建模的基本模式，在桥梁设计中，每个单元的参数化转化及几种基本的桥梁形式（即拱桥、梁桥、斜拉桥、悬索桥）的参数化转化都是十分有必要的。在大桥、特大桥项目中，除了基础单元要有参数化模型外，特殊的结构单元也需要实现参数转化。这些特殊结构单元进行参数化转化是建造桥梁设计模型的必要条件。此外，还需要将公路桥梁整体流程进行特征化转化，尤其是桥梁中特有的部件，如桥梁拱脚、吊杆、墩柱等。

标准化和批量化。当前，在我国常规桥梁占整个桥梁工程90%以上，这类项目已经基本实现标准化建设，虽然工作量繁重但其实设计难度比较低，如何提高桥梁设计品质，增强建设时效是当前的一大问题。针对常规桥梁的设计，需要将桥梁单元标准化，对每个部件进行规范化转化，在设计师进行桥梁设计时可以直接对标准化的部件进行使用，从而提高了基础桥梁的设计效率，也使设计质量归于统一。

一体化和关联化。当设计师在拥有了标准化的桥梁部件后，怎样节省建模所花费的大量时间成了重点突破的问题，简化桥梁设计方案的来回变动就可以将设计部件的参数与桥梁的结构联系起来。即将内部的结构数据与外观的模型数据连接起来，当对某一部件数据修改时，桥梁的整体结构、外观数据也会随之改变。这种方式可以进行组合建模，节省建模时间，直观进行模型比对，又可以减少建模过程中出现的数据错误。

当下建筑类软件中也有将二维设计图纸与三维设计进行关联，这种技术用在桥梁设计中可以大大节省数据对应时间，并真实对二维、三维进行切换，实现设计的同时更新。

族库积累。最初，“族”是Revit 中使用一个强大的概念，BIM 技术人员已经越来越扩展和深化这个族的概念。现在的“族”已经不仅仅局限于某个软件，现在把具有典型意义、可重复利用性的构件统称为“族”。拥有大量的族文件，技术人员可以在建模过程中直接应用或经稍微修改即可使用，大大提升了设计效率。在项目的实施过程中积累的大量的族库，是单位不可多得的数字化财富。构件库中典型构件如图2。

图2 深中通道BIM 族库

3 施工阶段

通过设计阶段数据模型的延用或接口开发，可将设计期BIM 应用于施工模拟与施工管理，利用现有参数将设计与施工相结合，充分使用BIM 技术模拟真实施工过程功能，提高工作效率，减少施工误差。

在桥梁工程模型基础上结合时间轴，应用为桥梁的4D 技术。在基础的桥梁模型中增加了时间因素，可以使桥梁更加动态地进行展现，对桥梁实际运营情况进行预估。当下，4D 技术在业内已经被认同，可以把模拟施工流程和施工过程的管理两个要素进行结合，已经实际应用在建筑、工程等地方，其中有建筑施工过程、建筑建材使用管理、建筑物业信息管理等等，在桥梁施工方面也可以投入使用。

桥梁施工阶段使用的BIM 技术体现在可视化技术交底、施工模拟、施工组织模拟、物料管理等方面。

3.1 可视化技术交底

施工单位可以通过对BIM 模型中的三维模型细节和数据信息对施工方案进行分析讨论，与设计方进行技术交底。这样可以正确直观的理解设计图纸及设计数据，避免了不必要的误解。在对设计模型进行分析后也可以就模型的可行性、施工技术等进行深入交流和协调修改。通过三维模型对建材需求进行估算，减少资源浪费。现场施工的技术人员也可以根据三维设计图进行指导施工，这种方式可以提高施工效率，减少施工期间的技术失误。

3.2 施工模拟和施工组织计划

通过使用BIM 模型及时更新施工过程和进度，对施工组织进行合理的规划。对项目整体成本进行更科学的预估测控，在人员安排、资金、项目成本控制等方面做到精确管控，节约了项目施工花费，提高了项目施工质量。

通过利用BIM 技术的性能效用，可以建立工程安全疏散模型，不仅可以对施工现场进行模拟预演，演示可能出现的安全事故和疏散通道等静态事件，同时还可以对施工人员的疏散情景进行模拟，如人员位置、人数及拥堵情况等，从而为安全管理和人员疏散培训等方面提供主要依据，提高安全管理工作的有效性。

应用BIM 技术可以对施工机具进行碰撞检查和移动路径检查。通过检查可以设定最优的施工方案，本着降本增效的理念与发包方对施组计划进行沟通说明，达到减少施工过程中方案变更的目的。施工过程中需要对现场的桥梁数据进行实时采集，并将这些数据同步到BIM 三维模型中进行数据计算，如果计算结果与设计图纸差距过大，系统会自动提示，及时采取有效措施进行防范，杜绝施工事故。根据桥梁施工过程中由监控单位量测的应力、应变数据实时反映桥梁的结构安全性以及与理论计算结果的差值，及时纠正施工出现的偏差，确保桥梁工程的施工质量，降低施工风险。

4 结语

综上所述，BIM 技术在桥梁工程中的应用可以提质增效，标准化、参数化的管理模式与传统模式相比力度更强。BIM 技术的应用是实现科学管理的重要手段，也是当下桥梁工程现代化发展的必经阶段。文章通过对BIM 技术在桥梁设计、施工的调研，说明了每个步骤相应的技术重点，以供参考。