BIM技术在桥梁设计、施工与运维中的应用

【摘要】BIM技术在国内外的土木工程领域已经开始发展，并展现了相当大的潜力，在于其拥有传统技术所不具备的一些优势。本文在回顾BIM技术及其历史发展的基础上，主要论述了BIM技术在土木工程桥梁设计、施工与运维中的应用，以期能对BIM技术在桥梁全生命周期中的发展提供新思路。

【关键词】BIM;土木工程;桥梁设计;施工;运维

传统土木工程行业在力学理论和施工实践上已十分成熟和完善，但是这些土木工程如桥梁工程施工的标准化和效率化有待近一步提高，以BIM技术为代表的信息化技术的推进和发展对桥梁等土木工程行业具有重大影响，主要体现为：BIM技术在桥梁工程的设计阶段、施工阶段及运维阶段的关键应用。

在针对桥梁工程进行BIM技术的应用之前，需要先对BIM技术的定义和历史发展做深刻和准确的理解。BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技术是以工程建筑项目的三维数据为基础，在计算机内模拟建立构筑物模型，并附加相应属性信息 [1]。BIM 技术起源于20世纪末的建筑计算机模拟系统，由美国Chuck Eastman 博士提出。它是一种数据可视化工具，用于工程前期设计和后期建造管理，项目的各项信息可以通过参数模型进行融合。信息的的共享和传递贯穿在项目前期设计、中期运行和后期维护的过程中，可以帮助工作人员正确理解和高效应对各项信息数据，为各方建设主体提供协同工作的基础，包括设计师队伍和建筑运营单位，在缩短工期和节约成本有着重要作用[1]。随着时间发展，其越来越成熟，越来越多的建筑企业将目光投向BIM技术;目前BIM技术正处于概念阶段转向实践阶段的重要时期。

1、BIM技术在桥梁设计上的应用

在方案设计阶段，桥梁设计方面的工作量比较大。传统的设计表达方式，以图纸和材料的统计工作为例，具有繁琐复杂和容易出错的特点。此外，桥梁设计的好坏和细节直接决定了施工工艺环节是否严谨，因此，如果能在前期设计阶段模拟出桥梁的三维动态施工过程，可以尽可能地规避设计付诸实际时在施工中产生额外问题。在桥梁设计阶段，充分利用BIM技术，能够提高施工效率和施工质量，保障合理施工周期。

1.1 桥梁设计阶段前期

设计阶段包括设计阶段前期和设计阶段后期[2]，在设计阶段前期，构建模型是应用BIM技术的核心，故在桥梁设计前期，应先以基础数据为基础构建模型，再在三维模型上，根据数据的不同属性及其组合，实现不同的应用[2]。其中主要有：（1）模型的力学和几何分析，（2）各个平面的视图 ，（3）工程量计算，（4）总体的展示，（5）模拟施工。可以根据实际情况进行适当的调整，将其整体动态化，直观地将设计理念、设计规划和参考数据等以三维可视化模型展现给项目决策者，甚至可在设计阶段前期中加入成本控制信息和时间变化，进行5D的设计模拟，极大地方便了项目决策者进行设计方案的调整，使得前期的桥型桥式方案设计十分方便快捷。

1.2 桥梁设计阶段后期

在设计阶段后期中，BIM需要完成设计出图。由于桥梁的空间关系交错复杂，传统的二维图纸中，用不同的图纸表示不同的结构，易在设计中形成部分部件的重叠，整体模型的缺失等问题[3];BIM技术可完美地解决这些问题，基于BIM技术的特性，以整体构建模型，和以三维可视化的形态显示，解决了二维图纸易形成的部件重叠、模型缺失的问题;在后期处理中，传统的二维图纸一旦出错（见图 2），则需要大量的精力去修改，可谓是牵一发而动全身，而且错误不易被发现，但若BIM技术的图纸出错，可清楚地发现错误处，及时修改，而且只需要修改错误部分，其余与之相关联的部分也会一并调整，十分方便。

综上所述，在桥梁设计方面，由传统的CAD二维图纸技术转变为BIM技术可谓是大势所趋，堪称是一次技术革命。

2、BIM技术在桥梁施工上的应用

2.1桥梁施工进度控制

BIM技术的特性，是以三维可视化图像显示。对于施工单位来说，充分理解设计师的设计意图和设计风格，可避免由于施工单位与设计师的理解分差而导致施工质量的下降。同时也可以有效地发现施工中的难点和设计图中的不合理之处，减少施工错误产生和资源浪费。在应用BIM技术进行建设工程施工进度控制的过程中，首选需要建立一个自主的BIM系统。为在实施阶段尽可能地保证在各参建主体之间畅通無阻地传递项目信息，各个职能部门能够协同操控和调用，一个主要的需求是建立项目集成控制平台，基本管理对象为建设项目，基于计算机网络构建协同的业务平台，实现协同三跨（地域、企业和部门）管理，最终达到信息资源共享的目标，进而通过建立BIM平台，进行模拟施工，加快施工进度，进而实现对建设工程项目施工进度的良好控制和管理。

2.2桥梁施工成本控制

工程、人工、材料和机械控制等四个控制是桥梁施工阶段成本控制的主要内容[4]。同时，基于线性回归、指数平滑、偏差分析、灰色预测的方法是成本控制的主要方法。其中，偏差分析方法是施工过程中使用频率最高的。偏差分析法，其定义为分析目标期望与目标进度和成本差异的方法，主要是比较差值来发现实际与设计之间差异。支撑项目的准确分析，项目施工情况的有效控制，是其最大的优势特点。通过收集并计算三个费用，具体包括：（1）工作预计完成的预算费，（2）工作已完成部分的预算费用，（3）工作实际完成费用的值，进而分析成本和进度相对于预期出现偏差的原因，基于展开纠偏措施，从而达到桥梁的施工成本控制。

2.3桥梁施工安全管理

BIM技术可以在实际施工之前进行虚拟的施工过程模拟，有利于尽快确定合理方案，便于人员之间的协调，减少施工变更的损失，及时纠正施工偏差。而在施工中较容易受到外界的影响，在施工时易发生安全以及质量问题;桥梁工程的复杂性和不确定性显而易见，其难度也是十分高的，BIM技术则可以提供较为完善的技术平台，用于做好安全管理工作。在分析层次化的桥梁信息模型基础上，建立以三维模块模拟桥梁缺损的表达方式，建立面向养护管理阶段的桥梁构件编码体系，并提出桥梁病害的可视化管理，为基于BIM的桥梁病害定位提供一定的技术基础。以桥梁裂缝病害为例，可以利用关系数据库和工程管理器进行自动养护决策建议系统构建，搭建基于BIM的桥梁病害辅助决策支持系统的框架，为实现可视化和自动化的桥梁施工安全管理提供一定的研究基础[4]。

3、BIM技术在桥梁运营管理中的运用

3.1桥梁设备维护管理

在国内的桥梁运营管理方面存在不少缺陷，BIM技术的出现一定程度上可以进行补充;在后期的运营管理中，保修等方面都可以通过BIM技术强大的信息化、可视化和模拟化进行全面的监督[5]。大型桥梁的全面监督十分困难，但同过BIM技术的三维立体图像可以清楚地进行查看分析，甚至细化到每一个细节上，从而有效地提高管理水平和管理效率。

3.2桥梁应急管理控制

管理过程中，结合实际情况，利用BIM技术对结构、水电和消防等方面进行信息采集、构建和表达，建立完整的关系数据库，可以有效地对桥梁的健康情况进行监督，避免了大量繁琐的低效率工作，也可对一些易损部位进行随时督查，避免不必要的损失。尤其在一些极端事件或恶劣条件下，比如发生火灾或洪水灾害时，及时通过桥梁BIM系统查询得到最短路径和最稳固构建的信息，从而及时疏散人员和躲避灾害，进而将损失降低到最小。

结论：

本文主要叙述了现代信息化BIM技术的原理和过程，将其运用在以桥梁工程为代表的土木工程领域，从桥梁设计施工和运营管理三个不同阶段阐述具体应用过程;BIM技术与土木工程行业的交叉结合具有十分可观的发展前景。

参考文献：

[1]钱枫.桥梁工程BIM技术运用研究[J].铁道标准设计.2015（12）：50-52.

[2]陈浩.BIM技术在桥梁设计的应用探讨[J].工程建设.2016（6）：56-59.

[3]刘智敏，王英，孙静，贾英杰，高日.BIM技术在桥梁工程设计阶段的应用研究[J].北京交通大学土木建筑工程学院.北京交通大学学报.2015（6）：80-84.

[4]周明利.BIM技术在桥梁施工中的应用分析[J].工程建设与设计.2016（）：122-123.

[5]周红波，汪再军.BIM技术在既有桥梁运维管理中的应用[J].建筑经济.2016（12）：45-48.

作者简介：

毛瑞麒，峡江中学，江西吉安。