桥梁BIM技术应用现状分析与思考

潘永杰，赵欣欣，刘晓光，蔡德钩

（中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081）

桥梁BIM技术应用现状分析与思考

潘永杰，赵欣欣，刘晓光，蔡德钩

（中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081）

为掌握BIM技术在桥梁工程的应用现状，对20座不同结构形式桥梁的BIM技术应用进行调研。通过分析不同应用价值点，表明BIM技术已在桥梁工程上应用广泛，现阶段BIM技术的应用重点在于设计和施工，并逐步向全产业链协同、全生命周期实施迈进。针对一些价值点进行重新解析，并对BIM技术应用过程中的标准规范、BIM成熟度、BIM价值时效性、BIM应用需求导向、信息模型与数据模型5方面进行思考，指出BIM价值的充分发挥离不开专业本身、技术发展、行业发展、管理机制、人员构成等配套条件的成熟。

桥梁工程；BIM应用；价值点；BIM成熟度；数据模型

0 引言

随着《中国制造2025》的强国纲领以及“互联网+”行动计划的提出，信息化存在巨大应用发展空间，以BIM技术为代表的新型信息技术价值凸显，我国对BIM的推进发展给予很多政策支持，不同工程结构领域越来越多的业主、建设单位也提出明确的BIM要求，BIM逐渐成为一些项目准入的必迈门槛。

与此同时，经过多年理论研究与工程实践，BIM正在快速而深远地影响着桥梁工程建设的发展，已逐渐成为提高桥梁技术水平与管理效能的重要信息化手段。桥梁工程相关领域的BIM应用日渐增多：新白沙沱长江大桥、济南黄河公铁两用桥[1]、港珠澳大桥、沪通长江大桥[2]、怒江长江大桥、镇江长江大桥等都已或正在运用BIM技术服务于项目，许多桥梁工程BIM技术应用得到业内专家认同，获得了国内多项BIM大赛奖项，BIM带给设计、施工和运营单位的效益也逐步产生。

目前，桥梁工程BIM技术应用仍以单点为主，且各工程应用对象、实施主体、策略重点皆不完全一致。因此，为宏观了解BIM技术在桥梁工程的应用现状、价值点分布、存在的问题等，有必要对桥梁工程BIM应用情况进行调研和分析。

1 应用现状

1.1 调研范围

选取20座桥梁进行BIM技术应用调研（见表1），调研对象涉及不同结构形式和技术复杂度，从空心板梁、预应力混凝土连续梁到钢桁梁桥、钢桁拱桥、斜拉桥、悬索桥等，包括各种小、中、大跨度（15.2～1 092.0 m），功能涵盖公路桥、市政桥、铁路桥、公铁两用桥、景观桥。

表1 桥梁BIM技术应用调研对象

1.2 应用现状

1.2.1 建模软件

Tekla、Bentley、Revit、CATIA等主流BIM建模软件在20座桥梁中皆有应用，应用分布情况见图1。

图1 不同建模软件应用分布情况

由图1可知，桥梁结构BIM建模以Revit、CATIA和Tekla 3款软件为主。若桥梁简单按材质划分，混凝土桥梁以Revit为主，Tekla专长于钢桥，CATIA在钢桥和混凝土桥梁中都有成熟应用，特别是异形或复杂构型的钢结构。

1.2.2 设计阶段

设计阶段基于BIM软件有很多价值点，调研主要探讨参数化建模、族库（模板）、设计复核（差错漏碰）、工程量统计、正向设计、与有限元结合、二维出图应用情况（见图2）。

由图2可知，设计阶段应用重点在于二维出图、设计复核、工程量统计。

图2 设计阶段BIM技术应用点分布情况

考虑二维出图多基于BIM软件本身自动生成，且BIM设计多数是基于二维的翻模，因此二维出图仅仅是价值点的探索，对设计实际意义不大。工程量统计本身对应于精细化建模，模型精度若达不到相应的程度（施工图设计LOD350），工程量统计结果也仅是参考。

实际应用中，设计复核价值点比较突出，若与其他专业协同后更是如此（仅有1座桥采用了协同设计平台）；参数化建模与族库搭建有利于设计BIM成果的积累；与有限元软件结合将会避免重复建模，提高分析效率，也是设计阶段未来探索的重点。

1.2.3 施工阶段

施工阶段的根本需求促使从基于BIM软件功能级应用到项目级应用转变。本阶段应用点主要包括：可视化交底、4D虚拟施工、进度管理、信息管理、移动端、施工监控、安全质量及成本管理，其应用分布情况见图3。

图3 施工阶段BIM技术应用点分布情况

由图3可知，施工阶段应用重点在于可视化交底（程度1、2）、4D虚拟施工、进度管理，部分桥梁（4座）应用重点在于设计，施工阶段仅探索了可视化交底和4D虚拟施工。

施工阶段若仅依靠BIM软件，满足不了现场管理需求。因此，不少桥梁（8座）结合实际需求，研发或采用商业BIM系统，实现数据收集和信息管理，不同系统的信息管理各有侧重，有的侧重施工工艺管理，有的侧重过程管理，但涉及到成本、机械、劳务等方面的相对较少。

考虑BIM共享特征和信息的完整性，应用逐渐扩展到施工的上下游（物料追踪、钢结构制造、施工监控等），如9座钢桥中有5座探索了钢桥制造BIM技术应用。

1.2.4 运维阶段

由于调研的桥梁多数处于建设期，因此运维阶段BIM技术具体应用点还未涉及，但一些桥梁如沪通长江大桥、瓯江北口大桥等在实施过程中也提出了建养一体化、桥梁BIM全生命周期应用的规划，从理念上涵盖了运维阶段的应用，反映了BIM技术应用的连贯性和可持续性。

1.3 价值点再分析

1.3.1 精细化建模

无论设计阶段还是施工阶段，BIM应用必须有项目级的建模标准，否则精细化建模无从谈起。同时，建模的精细度（涉及几何信息和非几何信息）应以后期应用为根本导向，两者不可分割独立，否则可能存在BIM模型无法满足应用需求的风险。

1.3.2 可视化技术交底

可视化技术交底是一个较笼统的价值点，可根据深度的不同，分为2个等级。程度1是通常的三维视图，所见即所得，通过软件（如Autodesk InfraWorks）功能完成漫游展示；程度2类似3D作业指导书，对某个工序或施工工艺进行模拟，起到可视化培训功能。因此，程度2在应用深度上更有价值。

1.3.3 4D虚拟施工

目前，4D虚拟施工主要是根据计划时间节点，按照结构施工顺序的模拟或再现桩基、墩台、梁部及桥梁附属等结构的生成（从隐藏到显现），其发挥的作用有限，很难涉及到施工方案的优化。例如，连续刚构桥施工可以通过4D虚拟施工动画模拟，但合龙顺序是先边跨后中跨合龙，还是先中跨后边跨合龙，无法通过动画进行优化，只能通过专业知识评估。

1.3.4 施工管理

虽然BIM在施工管理中发挥了很大价值，但离真正满足施工单位实际需求还有很大差距。施工关注“人料机法环”，BIM应用重点在于“法”，对于专业技术人员，BIM现阶段的价值点属于锦上添花，而实际工程特别关注的劳务分包、物资管理、机械租赁、成本核算还几乎未涉及。当然，这是一个长期的过程，不仅需要BIM技术的进一步成熟，同时还涉及到配套机制、管理方法等的升级。

1.4 应用特点

通过对20座桥梁BIM技术应用样本分析，总结出以下特点：

（1）BIM技术应用范围广。不仅应用在结构复杂的特大型桥梁结构中，在常规的中小跨度桥梁也有所普及。应用阶段以设计建造为主，运维阶段应用相对较少，但部分桥梁也提到和正在践行BIM全生命周期的应用。

（2）以BIM为代表的信息技术与桥梁工程应用逐步融合，构建了从物质实体世界向数字化架构发展的生态模式。

（3）少数桥梁采用BIM正向设计，其余大多是基于施工阶段应用而反推设计BIM的三维翻模，一般没有考虑与其他专业协同设计。

（4）建模软件以Revit、CATIA、Tekla为主，总体上混凝土桥梁以Revit为主，钢桥以CATIA和Tekla为主。单一BIM软件解决不了所有问题，随着应用深入，有向多个软件共同应用发展的趋势。

（5）BIM技术从单软件的功能级应用，逐渐向多端系统平台、集成管理等方面靠拢。

（6）随着钢结构的普及，钢桥BIM技术应用逐步辐射到施工的上游即制造阶段，钢桥制造BIM技术应用成为研究热点。

（7）基于BIM施工管理挖掘了多个功能价值点，但应用范围主要集中在“法”，与施工本身需求还需进一步融合。

2 应用探讨

2.1 标准规范

BIM技术在桥梁工程领域的应用，国际上没有现成标准，主流软件也鲜有成套功能，只有从底层标准抓起，才能逐步向标准化推进。因此，BIM实施要遵循顶层设计，如果仅孤立存在，对行业长远发展益处不大。

在铁路BIM联盟领导下，研究形成了铁路BIM标准体系框架，编制并发布了《铁路工程数据结构分解》《铁路BIM信息分类和编码标准》《铁路工程信息模型数据存储标准》《铁路工程信息模型交付精度标准》等基础标准，为BIM技术应用提供了可供参考的标准规范。

由于标准规范是从设计源头出发，许多分类和编码未必涵盖或不适用于施工、运维阶段，同时主流软件的支持还需要一定时间。因此，应以已有的标准规范为基础，结合发展定位或工程应用的实际情况，逐步补充和优化，摸索适合自身的编码体系或实施行为准则。

2.2 BIM成熟度

BIM实施过程中有一个BIM成熟度模型（称为Bew-Richards BIM成熟度模型[19]），分为0级、1级、2级和3级，级别越高，表明BIM应用越成熟。如果将BIM技术应用成熟度与铁路工程结构设计方法进行对比，两者有相似之处（见表2）。

目前我国铁路桥梁设计方法以容许应力法（0级）为主，考虑与国内外主流设计方法的接轨，经过多年努力，编制完成《铁路桥涵极限状态法设计暂行规范》，但配套的计算软件、设计理念仍是基于容许应力法。通过梳理桥涵极限状态法试设计成果，中国铁路总公司已启动推进《铁路桥涵设计规范》（概率极限状态法）的编制工作，预计不久即将进入容许应力法与概率极限状态法并行期（1级），再经过不断的应用积累和实践检验，最终会全面实施概率极限状态法（2级）。

与设计方法类似，我国铁路工程结构BIM设计以二维图为基础（0级），少数结构进行了三维BIM设计，目前全路选定17个BIM试点项目，以BIM设计协同为主线，验证标准，探索BIM成果的验收、审核、转发、归档等管理模式，表明正迈向二维与三维过渡期（1级），发展目标是实现不同专业的协同（2级）。

未来基于协同的BIM设计不可避免，考虑到BIM应用配套条件与工程师应用习惯，二维与三维过渡期将在一定时间内存在。另外，从性价比方面考虑，二维与三维并存也有其合理性，如钢筋布置图，二维图纸表现钢筋的布置非常简洁、易于工程师认知，针对偶尔不可避免的碰撞，只要按照主次的原则，适当调整普通钢筋的位置，对结构整体受力性能影响不大，但可避免繁琐的钢筋建模。

2.3 BIM价值的即时反馈与量变到质变

BIM技术被誉为工程领域的第二次革命，对行业的影响是颠覆性的。铁路建设项目标准化管理中强调工厂化、机械化、专业化、信息化，BIM技术能够很好地将各个环节串联出来，是形成标准化的重要途径和切入点。

表2 BIM成熟度与铁路工程结构设计方法类比

基于简单、即时反馈的实用主义角度出发，BIM价值和意义主要体现在可视化、综合管线碰撞等功能级应用，而其他深层次价值（如流程再造、管理升级等）由于需要量变积累，配套条件或机制不成熟，导致使用者不愿、不敢或者不能在这方面进行深入探索。

因此，BIM价值的真正落地需要时间和条件，不仅应从上到下加以政策引导，更重要的是从下到上自觉发挥主观能动性，最终实现从量变到质变的转变。

2.4 专业为主，需求为王

目前BIM从业人员多以建模人员为主，涉及到专业技术人员的较少，考虑到知识的传递和积累过程，可以认为这是BIM技术发展的必经阶段。

随着BIM与专业的深度融合，BIM技术作为手段和工具的特点凸显，若仍采用原有组织模式，极有可能出现研发方向与实际功能需求脱节、研发成果与真实需要两张皮的现象。因此，在BIM技术应用实施过程中，应以专业为主，以解决专业实际问题为研发导向。

2.5 信息模型与数据模型

BIM是桥梁工程全生命周期管理的信息载体，每个阶段都由相应的建筑模型、过程模型和决策模型构成（见图4），但不同阶段模型精度的深度和广度相差较大。

BIM是面向对象的，应用对象不同，几何精度和信息深度等级不同，导致不同阶段BIM模型也不同，运维阶段信息模型最丰富。因此，基于BIM全生命周期实现的是数据模型的无损传递，数据积累的越多，通过与专业的融合，就越有可能得到有价值的信息，转化为知识直至智慧的依据就越充分，BIM的深度应用即是DIKW（数据、信息、知识、智慧）模型的流程化实现。

3 结束语

（1）BIM技术在不同桥梁工程中得到广泛应用，取得了很多有价值的应用点，BIM和信息化技术是未来发展趋势已在业内形成共识。

（2）现阶段BIM的应用重点在于设计和施工，并逐步向全产业链协同、全生命周期的实施迈进。设计阶段大都基于二维的翻模，重点在于二维出图、设计复核、工程量统计；施工阶段多数是可视化的技术应用，涉及技术交底、虚拟建造和进度管理等。

（3）BIM和信息化技术是辅助桥梁管理的有效手段和工具。认为仅通过一项BIM新技术就能改变整个桥梁行业，而忽略专业本身、技术成熟度、行业发展水平、管理机制、人员构成等方面因素影响，在目前阶段是不合适的。

（4）BIM技术与桥梁专业应用的深度融合有待进一步探索和提高。

图4 BIM构成与全生命周期的信息模型

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Analysis of the Application Status of BIM Technology on Bridge Engineering

PAN Yongjie，ZHAO Xinxin，LIU Xiaoguang，CAI Degou
（Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

The investigation and survey was carried out on 20 bridges with different structure types to find out the status of the application of BIM technology on bridge engineering. Analysis of the value points of each application shows that BIM technology has been widely applied to bridge engineering, where the focus of application at this moment is at the design and construction phase, which gradually shifts to the industry chain coordination and whole life cycle implementation. Some of the value points were re-analyzed from the following 5 aspects: standards and speci fi cations, BIM readiness, BIM value timeliness, BIM application demand orientation, information and data model. It points out that, to maximize the value of BIM, the supporting conditions such as the field itself, technology progress, industry development, management mechanism and personnel structure must be ready.

bridge engineering；BIM application；value point；BIM readiness；data model

U442；TP319

A

1001-683X（2017）12-0072-06

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.12.072

中国铁路总公司科技研究开发计划项目（2016X002）；中国铁道科学研究院科技研究开发计划项目（2016YJ036、2016YJ044）

潘永杰（1983—），男，副研究员。E-mail：18810622516@163.com

责任编辑 苑晓蒙

2017-09-23