关于桥梁设计优化方面BIM技术的应用分析

文/刘国祥

一、BIM技术的特点

BIM技术是通过一系列的数字模型，应用三维和四维信息技术，实现了对整个桥梁工程项目进行全过程的协同设计、施工及运营管理，具有虚拟仿真桥梁结构、工程量计算和成本管理的功能，在桥梁工程中合理应用BIM技术可以有效的避免计算失误和消除工程施工中存在的隐患。

1.可视化。

在实际桥梁工程设计中，工程结构的可视化对桥梁设计具有一定作用。在桥梁结构设计中，一些部件是由特定的线条交叉组合而成的。在传统的桥梁设计中，结构部件的外观需要想象力，在桥梁设计的过程中，它不能直接显示桥梁的外观。BIM技术可以在桥梁设计时，实现对桥梁结构的视觉化，可促使建设单位对工程设计方案做出决定，对工程建设有一定的帮助。同时，BIM模型所携带的信息，可以在桥梁工程生命周期的项目设计、施工、运营等过程均可以重复使用。且在BIM三维平台上，任何桥梁构件和管线均可以清晰、直观的展示在眼前，从而可以有效地帮助建设单位、设计单位和施工单位进行全方位的沟通、协调。

2.协调性。

在桥梁工程施工建设中，常发生构件与构件冲突、桥墩与主梁高程冲突的现象，为了解决该现象需要应有效协调各单位和协调各工序、各专业，确保施工顺利完成。根据工程施工经验可知，常发现在工程建设中由于各工序协调不到位，导致了一些过程的冲突，影响了建设项目的正常开展。而BIM技术通过三维技术可以有效地协调各专业之间的工作流程，有效地协调施工过程中的问题，减少桥梁工程施工中的不合理部位，确保桥梁工程施工项目的顺利实施。

3.模拟性。

BIM技术可用于模拟桥梁工程，包括3D画面模拟、日照模拟、能效模拟、紧急疏散模拟等，并可模拟桥梁工程施工组织，优化施工组织，减少桥梁组织错误造成的损失。此外，利用BIM技术可以实现4D施工模拟、5D造价模拟等与时间关系紧密联系的模拟仿真，并能有效地控制该项目的成本。

4.可出图性。

利用BIM技术，可以实现对桥梁工程三维模型的快速绘制，并具有出图功能，减少桥梁结构设计人员的工作量，且可以方便施工人员快速识别图纸，从而可以实现桥梁工程的可视化，避免二维图纸造成的视觉误差，促进桥梁工程的快速施工，减少工程施工的返工次数。

二、BIM技术在桥梁工程结构优化设计中的应用

1.分析桥梁结构及场地。

桥梁结构的自身稳定性、安全性与桥梁结构的设计合理性有关，同时还受桥梁工程建设场地和场地的环境以及场地的地质条件等存在较为密切的关系。BIM技术可以与地理信息相互连接，从而可以有效地模拟桥梁工程场地的状况，并建立对应的场地模型。并对建立的场地模型进行地质条件分析，以选出最适宜的建设场址，从而提高桥梁结构的稳定性和耐久性。

2.复杂节点模型与验算。

对于桥梁结构中复杂构造节点，可以利用BIM建出模型后导为.sat格式文件，再导入至ANSYS等有限元分析软件中，对复杂节点进行分析验算，再根据节点构件的受力情况判断出该节点设计是否符合设计要求，从而保障了结构构件受力性能。若分析结果表明该节点受力不满足要求，则需要对该节点部件进行优化设计，调整设计方案，再重新导入至有限元分析软件中进行分析，从而保障桥梁复杂节点设计的合理性。

3.桥塔节点板件关系检查。

由于现代大型桥梁结构造型较为新颖，对于一些节点处可能存在板件相互交错，而单纯的依靠二维图纸无法检查出是否存在板件冲突、碰撞等现象，而利用BIM三维模型的可视化功能，可以轻松的检查出板件存在冲突的部位。在利用BIM建出桥梁结构三维模型后，将外部局部构件设置为透明，从而就可以较为容易的看出内部构造存在冲突的部位，且可以利用漫游视角检查板件之间的空间关系，对存在冲突的部位进行优化设计，避免构件的冲突、碰撞现象。

4.分析桥梁结构性能。

桥梁结构设计不仅是对桥梁构件进行简单的布置或者排列，还需要对结构的力学性能、抗震性能进行充分的分析，从而保障桥梁结构具有充足的强度、刚度。在传统的桥梁结构进行结构分析时需要耗费较多的人力、物力以及财力，且人为分析桥梁结构力学性能，会添加人的主观意识，导致分析结果存在一定的偏差。而利用BIM技术中的分析模块，可以对建立的BIM模型进行数据分析，且可以对结构部件设计不足之处进行修正，从而提高了桥梁结构设计的效率，保障桥梁结构具有充足的强度和刚度。

5.原材料的BIM控制。

桥梁工程原材料性能是决定整个工程质量的主要因素。因此，桥梁工程原材料的质量管理是控制工程质量的因素之一。BIm技术可以对工程施工材料建立材料数据信息库，对原材料进行统一规划管理。同时，利用BIM技术可以将桥梁工程模型与工程进度计划相互结合，详细记录工程项目仍一阶段施工所用的材料类型和工程用量，实现了科学合理的管理工程施工材料，并可以实现了桥梁工程施工过程中方便快捷查询施工档案，一定程度上提高了工程效率。

此外，利用BIM技术建立的材料信息数据库，可以查询到工程项目施工中使用的材料信息，例如供应商、产地、材料性质等，并可依据该信息实现对施工材料进行评价分级。

6.施工人员 BIM 控制。

BIM技术的应用可以大大提高项目经理和实际运营商的工作效率，并保证项目如期完成。 BIM技术通过建立3D实体桥梁信息模型，使项目经理可以对桥梁工程有全面了解，提高管理效率，总结和分析桥梁工程可能出现的问题，然后确定项目整个过程中质量管理与控制，减少工程施工问题，降低事故不确定因素造成工程项目质量管理的可能性。通过使用BIM技术，可以使工作人员的施工任务提前展示，帮助员工在工程施工过程中高效、清晰、准确地了解需要注意的工作内容和实际施工质量控制点的，更加注重桥梁工程的施工质量，减少事故问题。

7.桥梁工程BIM模型深度制定。

施工图设计阶段的桥梁工程BIM模型应达到一定的深度，此阶段的模型包含精确的数量、几何尺寸、外观形式、空间位置以及内部构造，适应于成本估算以及施工协调，施工进度计划，施工进度模拟和可视化。此阶段模型应包含的非几何信息：项目基本信息、位置信息、经济信息、技术参数信息等。桥梁工程结构模型主要技术指标（高度、层高、结构形式、荷载等级等）构件的物理性能、材质、构造、工艺要求等。

此外，针对关键典型混凝土构件如桩基、横梁、立柱等建立相应的钢筋模型，每种类型的钢筋应附加钢筋类型等属性。

8.BIM技术施工信息化技术及管理系统研发。

基于BIM技术、物联网和互联网+等新一代信息化技术，对桥梁工程施工阶段BIM项目管理信息平台及移动应用终端，建立工程建设期BIM项目管理信息共享平台，实现对桥梁工程建设期的远程、动态、可视化、信息化和自动化管理。基于BIM的桥梁施工过程模拟。设计阶段的模拟施工只模拟施工阶段的进度管理，为施工组织提供基本参考。根据设计方案提出的施工方案，通过施工4D初步模拟，对施工设计方案可能遇到问题制定解决方案，以及施工方案的可行性和施工方案进行优化。

三、BIM 在桥梁设计阶段的价值体现

1.可视化方案交流。

BIM技术使得侨联结构设计从二维图纸转变为三维模型，使得桥梁结构设计走向数字化。它可以使得结构设计从而抽象、复杂的二维图纸转变为三维、可视化的方式展现，从而可以使得各个专业人员提前了解项目情况，并可使得建设单位对工程项目的基本情况进行掌握。

2.协同化的工作新模式。

BIM技术可以将桥梁工程的各个专业整合到一个模型中，从而改变了传统二维图纸分专业的设计模式。在结构设计时，前期根据不同专业和任务分工划分子项，构件项目族库，然后再利用相同的项目基点组合到中心文件中，从而可以协同设计，加快设计效率。

3.设计质量提升。

根据桥梁工程局部构件建模细度要求，进行建立相应的模型，并可以直接生成施工图纸，统计施工材料，并可以减少结构设计中的冲突问题，从而一定程度上提升了结构设计的质量。

4.成本控制。

通过BIM模型对工料的计算，比利用2维图纸计算的工料要更加准确，且工料成本计算均有计算机进行完成，减少人为参与出现错误的可能性，可以方便业主控制施工成本。

5.桥梁产业化发展。

通过BIM技术可以实现桥梁局部构件在预制场进行施工生产，再由拼装而成，从而加快了桥梁工程往产业化方面的发展。

四、结论

综上所述，在桥梁结构设计中，利用BIM技术可以实现对桥梁结构设计的可视化、协调性、出图性，且可以实现对桥梁设计场地的分析、结构力学分析、桥梁构件材料用量等，且可以实现对工程施工人员的合理安排，从而提高桥梁结构设计的质量，保障桥梁结构具有充足的强度和刚度，促建桥梁工程的可持续发展。