基于BIM技术的装配式市政桥梁设计管理研究

周群 黄莹 荣浩 鲜秋适

摘要：BIM技术作为建筑信息模型的全新理念，可以有效解决传统设计管理中存在的问题。文章以南宁市快环综合整治项目（北湖立交）改造工程为实例，应用了Bentley平台建立BIM模型，提出对装配式市政桥梁传统设计管理的优化方案。研究表明：在装配式市政桥梁设计管理中运用BIM技术的信息化流程，可以明显提高设计管理的有效性。

关键词：装配式市政桥梁;设计管理;BIM技术

As a new concept of building information model，BIM technology can effectively solve the problems in traditional design management.With the reconstruction project of Nanning Expressway comprehensive improvement project （Beihu Interchange） as the example，this article uses the Bentley platform to establish the BIM model，and proposes the optimization plan for the traditional design management of prefabricated municipal bridge.The research shows that the application of BIM technology in the design management of prefabricated municipal bridges can significantly improve the effectiveness of design management.

Prefabricated municipal bridge;Design management;BIM technology

0 引言

装配式桥梁能够实现工厂化预制施工，在质量控制、缩短工期等方面优势明显，因此越来越多地应用于市政桥梁并在各大城市大量修建。在量大面广的市政桥梁中，项目设计受到地下管线、周边建筑、交通运行等因素的影响，设计难度较大，在设计过程中存在诸多问题。因此，在装配式市政桥梁的设计过程中，有必要引進新的技术和方法来解决设计中存在的问题。

BIM技术提出的初衷是实现各专业之间的数据互通，解决信息孤岛问题[1]。应用BIM技术可提高建筑数据信息的整合度，且可视化、可模拟和易优化等特性，能加快对建筑信息的协同管理，为设计单位解决设计协同化管理问题提供一种可靠的解决方案，不仅可以提高设计效率，还可以起到指导施工、技术交底、节约成本等作用。所以将BIM技术应用到城市立交设计管理中是趋势所向，可以此提高设计效率，保证工期、成本、质量达到要求。本文以南宁市北湖立交工程为例，探讨BIM技术在市政装配式桥梁协同化设计的应用。

1 BIM技术的概念及发展背景

BIM技术作为建筑信息模型的全新理念，为工程建设行业带来了一场数字化的革命。这种信息化的新技术，正在逐渐改变工程师们在建筑设计和项目管理方面运用的传统模式，BIM技术正在全球范围内推动传统建筑行业产生重大变革[2]。简单地说BIM就是通过计算机建立的模拟建筑三维模型，将工程建设行业从二维时代带入了三维时代。

BIM技术是建立在大数据时代和计算机网络时代背景之下的模型创建工作，是利用数字化技术为建筑模型提供完整的与实际相一致的建筑工程信息库和信息模拟。该信息库不仅包括描述建筑物构件的各种几何信息和专业信息，而且还包括对于非构建对象的空间和运动行为的状态信息记录。

BIM是一个综合性的富含建筑工程信息的三维模型体系，在建筑工程的信息集成化程度日益提升的今天，可以提供建筑设计和结构设计的合理化保证，可以提供有效的安排设备管理和工程量统计，并且对整个工程项目的成本计算和后期运行维护作出应有的贡献，BIM实际上管理着建筑生命周期的全部信息。

建筑项目的整个设计、施工、运营的过程就是一个不断优化的过程，其优化和BIM存在着方法上的实质性必然联系，在BIM的基础上可以做到更好[3]。在对于制约项目设计的项目信息、技术难度以及设计时程控制方面，采用BIM模型，将实际建筑物存在的各种信息输入模型，可以真实反映该建筑物的几何信息、物理信息、规则信息以及各类信息的实时变化情况等。

2 传统设计管理存在的问题

设计管理主要关注设计阶段的沟通协调、质量控制、进度控制以及投资控制。通过大量的工程实践，各大设计单位已经形成一整套成熟的管理模式，尤其是在Auto CAD软件广泛推广之后，设计单位的工作效率极大地提高。由于我国城市化的飞速发展以及市政桥梁尤其是装配式市政桥梁在设计上的特殊性，在传统设计管理中存在一些问题亟待解决。

2.1 各专业间沟通协调的问题

传统设计单位多存在重技术、轻管理的问题，对设计管理力度不足。装配式市政桥梁的设计涉及道路、交通、桥梁、给排水、电气、绿化等众多专业，而各专业之间协同化较低，造成设计工作效率低下。项目设计小组一般设置一名项目负责人，多名分项负责人。各分项负责人一般只负责本专业范围内的设计内容，而项目负责人很难做到各专业融通，且各专业设计人员对非本专业的内容理解欠缺。因此，在设计过程中由于各专业之间沟通及理解不足导致的设计反复、设计失误极易出现。

2.2 设计理念传达的问题

装配式市政桥梁的设计，由于专业众多，导致设计图纸信息分散，而且传统的图纸一般采用二维图纸，识图要求较高。因此，在方案阶段向业主方传达设计理念需要设计方进行大量沟通解释工作并配合大量三维效果图纸。同时，施工单位在施工过程中，需要把二维设计图纸重组为三维立体的施工实体，在这一过程中容易出现误读，设计理念较难传达。且设计效果的评价需要在施工过程中或施工完成后才能体现，一旦出现与设计不符之处，后果难以弥补，因此，对施工单位要求较高。市政桥梁的施工一般在成型的市政道路上进行，施工期间对现状交通影响大，交通保通困难;而且施工保通方案是随着施工的进程而不断改变的过程，仅通过设计图纸及文字说明较难表达（如图1所示）。

2.3 设计时程较长的问题

传统的设计流程一般如图2所示，需经过三校三审过程。

一般三校三审在设计初步完成之后通过图纸之间的流转进行，耗时较长。

2.4 装配式市政桥梁的设计特殊性问题

装配式市政桥梁通过全预制拼装的主梁、墩柱等实现工厂化预制施工，不仅在质量控制、缩短工期等方面优势明显，而且现场施工劳动用工大大减少，仅为传统现浇工艺的10%。同时，改善了施工现场噪音、扬尘等污染;且现场施工无需封闭交通，大幅降低了对现有交通、居民的影响。但针对于装配式市政桥梁预制构件的特性，在设计过程中存在标准化、统一化的问题，特别是构件连接处的处理，对设计管理提出了更高的要求。

3 BIM技术应用于设计管理的优势

在传统项目实施过程中，工程设计各项信息的获取最为有效的途径是通过工程设计图纸。尽管设计图纸中的信息内容十分齐全，但信息相对比较分散，导致施工人员需要进行重组，不仅工作量繁重，还容易造成“信息孤岛”。而BIM包含了丰富的信息资源，能够连接建设工程项目生命周期不同阶段的数据、信息、资源和过程，是对工程项目的完整描述，能够被项目参建各方广泛使用，提高决策的高效性及正确性。因此BIM能将建设项目全寿命周期内各个阶段所有信息进行电子化集成应用与管理，能够有效避免“信息孤岛”和“信息断层”现象[4]。

4 基于BIM技术的设计管理优化流程设计

为了解决装配式市政桥梁设计管理中存在的问题，本文以南宁市快环综合整治项目（北湖立交）改造工程为工程实例，利用BIM技术建立模型平台，并在模型平台上进行设计管理优化，尝试解决装配式市政桥梁在方案设计阶段的设计管理中存在的一些问题。

4.1 工程概况及设计难点

南宁市快环综合整治项目（北湖立交）改造工程位于南宁市安吉片区，为北湖北路与秀厢大道相交形成的服务型立交（如图3所示）。本立交在现状分离式立交的基础上，增设北湖北路上跨秀厢大道高架桥及3座匝道桥：B、C及D匝道;同时结合秀厢大道现状情况，在秀厢大道东西侧合适路堤位置设置下穿通道实现掉头功能。

本工程设计难点：

（1）本工程设计涉及道路、交通、桥梁、給排水、电气、绿化等众多专业，各专业间协同工作量巨大;（2）本工程为改造工程，现状地下管线错综复杂，立交区域内人行道和非机动车道下布设有大量通讯线路、天然气管线、给水管、雨污水管等;（3）本工程位于交通量密集区域，施工期间保通方案实施困难;（4）本项目投资较大，工程难度系数高，工程量大，计算复杂;（5）本工程工期紧张，设计周期短;（6）本工程桥梁面积20 864 m2，均采用装配式桥梁，桥梁上部结构异形构件多，设计难度大。

4.2 BIM模型建立及平台搭建

结合工程实例的BIM模型建立应用了Bentley平台的7款设计软件及1套管理系统，完成路线、道路、给排水、桥梁设计及项目管理应用：（1）工程内容管理及协同设计平台采用Project Wise软件;（2）二维绘图及三维信息建模平台、简支梁建模、模型组装、动画制作采用Micro Station软件;（3）道路工程模型建立采用Power Civil软件;（4）排水工程雨污水管线模型建立采用Power Civil SUE软件;（5）装配式桥梁上部构造结构详细设计与出图采用Pro Structure软件;（6）装配式桥梁下部结构参数化及批量布置、上部结构拼装采用Civil Station Desinger软件;（7）场景布置、整体漫游、模型检查采用Lumen RT软件;（8）BIM项目管理系统建立采用Civil Station Construction管理系统。如图4所示。

4.3 BIM实施流程设计

根据装配式市政桥梁设计管理中存在的主要问题，基于本工程提出BIM技术的实施流程，有针对性地选择BIM的部分功能，对装配式市政桥梁设计管理进行优化：

（1）成立BIM项目组，利用设计方提供的方案设计图纸等资料，协同各专业开展建模工作;（2）由BIM项目组内不同专业负责人进行相关设计成果的碰撞分析，优化碰撞问题并将成果交给BIM项目组总负责人，进行模型整合、碰撞分析和模型修改;（3）结合上个阶段的设计成果进行施工阶段保通方案模拟;（4）进一步细化模型，增加信息属性，利用模型平台开展设计-校审同步进行的尝试，最终形成竣工模型。

5 BIM技术的具体实施及效果

5.1 基于BIM技术的设计阶段沟通协调优化

装配式市政桥梁设计是一项复杂性、专业性和系统性的特殊生产过程，需要各个设计工种进行相互协调和配合，在设计方内部之间、设计方与业主方之间以及设计方与施工单位之间进行良好的协调，运用BIM技术打破二维CAD施工图纸的专业壁垒，提高沟通协调效果：

（1）通过BIM 3D建模，实现工程全景可视化，实现“可见即可得”，加强了设计理念的传达，对业主方的专业技术要求降低，解决了设计方与业主方沟通协调工作困难的问题。Bentley的施工模拟与管理模块可实现施工图审核、施工设备建模、施工组织设计以及一系列技术、进度、成本、投资、质量、安全管理流程，可使业主单位、设计单位、施工单位、监理单位基于管理平台充分沟通（如图5所示）。

（2）运用BIM碰撞检测，可以及时发现设计中的碰撞问题，尤其是在装配式市政桥梁的设计过程中，可以发现桥梁桩基础与现状管线之间的碰撞情况，指导设计人员优化设计。如图6所示为雨污水管道碰撞检测，通过碰撞检测发现：（1）雨水管与污水管间碰撞7处;（2）管线与桩基间碰撞24处。

（3）4D施工模拟就是在建设工程结构物的三维模型上附加时间因素，并将该结构物的三维模型随时间变化的形成过程以动态形式表现出来[5]，这一特性运用在施工阶段保通方案的确定上效果显著。如图7所示。

5.2 基于BIM技术的设计阶段质量控制

设计质量控制是设计管理中的核心工作，影响到建设项目施工的可实施性及实用性。在装配式市政桥梁的设计质量控制中，主要表现为设计成果是否符合规范要求、是否满足业主方使用功能要求、是否符合市政部门要求、是否达到规定的设计深度以及具备施工和安装的可建造性等方面。装配式市政桥梁的设计质量控制的难点在于如何把握各预制构件连接处的处理（见图8），而通过BIM 3D建模以及4D施工模拟，可以有效解决质量控制问题。

5.3 基于BIM技术的设计阶段进度控制

针对传统设计阶段的进度控制，本文基于BIM建立模型平台，进行了设计-校审同步进行的尝试，具体流程设计如图9所示。

BIM平台可以实现信息共享，利用BIM技术的实体模拟以及可视化的功能，实现设计时程管理的全信息化控制，设计、复核、审核可以在同一个平台上进行。这一方面可以实现部分设计成果完成后及时进行“三校三审核”;另一方面节省了二维图纸流转的时间，缩短设计时间，进而加快项目设计进度。通过bentley的工程协同平台，将规划文件、设计资料、各专业二维设计图纸、模型文件统一管理，并通过权限设置，可将多专业协同设计效率提高1倍以上。如通过Bentley的参数化工具生成上部现浇箱梁标准段截面，实现现浇箱梁批量建模，使建模效率提高5倍以上，并可实现桥梁配筋设计与一键出图（如图10所示）。

5.4 基于BIM技术的设计阶段投资控制

项目投资控制是工程建设项目管理的核心指标之一，在设计管理中主要依靠工程造价管理实现，而工程造价管理又主要依托工程数量统计以及成本预算。在目前普遍使用Auto CAD作为主要绘图手段的基础上，工程量统计一方面消耗预算人员大量时间（據统计约占预算人员50%～80%的时间及精力）;另一方面，由于装配式市政桥梁的设计涉及专业众多，在统计过程中容易出现疏漏，造成预算不准确。

BIM的5D工程管理技术是在4D的基础上附加了成本因素，一方面在模型建立完成后工程数量可以自动统计;另一方面BIM为参与项目的所有设计人员提供了公共信息数据库，便于检查，提高了投资控制的准确性。如图11所示。

6 结语

在装配式市政桥梁设计管理中运用BIM技术的信息化流程，可以改善项目设计进度缓慢的现状;同时在改善设计阶段沟通协调、提高设计质量以及设计阶段投资控制方面也有很好的效果。为了能够更好地提高设计管理效率，可以利用BIM技术处理设计理论和实际应用中的各种问题，建立起5D（3D实体模型、时间因素、成本因素）关系数据库，从而能够建立起跟相关数据相结合的时间和空间关系，对于每一个工作的工序和处理维度的关系也能很好地应用，BIM项目模拟的实际过程因此达到了极为精确地效果;同时在信息共享平台上实现数据共享，为实现设计-校审同步进行提供了可行性，进而改变传统的设计管理模式。现代化的土木工程设计领域正在经历着一场深刻的技术变革，基于BIM数字模型技术的科学技术创新，涉及到了电子科技和声像、媒体的发展，信息化技术正在改善着人们的生活，各国的土木工程设计和施工企业正在通过BIM模拟技术，悄然改变整个土木工程行业的设计习惯和建设流程，潜移默化地改变着人们的日常生活，为土木工程施工行业的快速发展作出应有的贡献而不断努力。

总之，应用BIM技术在装配式市政桥梁设计管理中，优化设计阶段沟通协调、设计阶段质量控制以及设计阶段投资控制，其优化效果往往是非常显著、显而易见的。但是，鉴于装配式市政桥梁尚处在推广阶段，同时BIM技术在装配式市政桥梁中的应用实例较少，而本文主要针对本工程设计管理展开探索性应用，尚未进行如动态安全检测、运营阶段模拟、5D资源管理等深层次的研究。如果进行全周期、全方位的BIM应用研究，还需对更为复杂的装配式建筑工程进一步应用，才可以体现其更大的价值。

参考文献：

[1]邓雪原.CAD、BIM与协同研究[J].土木建筑工程信息技术，2013，5（5）：20-25.

[2]赖华辉，邓雪原，刘西拉.基于IFC标准的BIM数据共享与交换[J].土木工程学报，2018（4）：121-128.

[3]王智佳，苑东亮，薛苗苗.浅析我国在施工阶段BIM应用中的存在问题及对策[J].价值工程，2014（32）：150-152.

[4]伍 军.基于4D模型的桥梁施工进度动态仿真[J].铁道科学与工程学报，2010，7（1）：64-68.

[5]胡振中，路新灜，张建平.基于建筑信息模型的桥梁工程全寿命期管理应用框架[J].公路交通科技，2010（S1）：20-24.