BIM在桥梁工程中的应用研究现状及展望

曾琼瑶, 郑凯锋, 潘 伟

(西南交通大学，四川成都 610036)

传统建筑行业由于低效率的管理和各种形式的浪费产生了巨大的损失，据美国国家标准和技术协会统计，2008年总投资418万亿美元，其中约30 %的资金被浪费[1]。因此，若能提高建设项目的管理水平，从而节约能源和提高生产效率，建筑业必然会得到较大的经济效益。

BIM(BuildingInformationModeling)即建筑信息模型，基于三维模型实现建设项目物理特性、功能特性和管理要素的描述。BIM作为重要的信息化技术手段，将建筑设计、施工、运营维护和拆除全周期中的各项数据集于一体，有效避免了各方信息不通的现象。通过搭建的数据平台，项目各方参与者可在任何阶段进行数据共享和实时交流，促进项目参与者之间的协调与协作，从生命周期的角度提高项目的互操作性，进而实现项目规划、设计、施工、运营维护的一体化，提高生产效率和工程质量[2][7]。

桥梁工程是一种特殊的建筑结构，具有构件多、结构设计复杂、施工环境复杂多变和施工难度大等特点[8]，若能将BIM技术引入桥梁工程，则必然会加快桥梁的工业化和信息化进程。目前，BIM在工民建、铁路和隧道领域的应用发展较快，且技术已相对成熟，而BIM在桥梁中的应用还处于探索阶段[9]。

1 BIM的发展现状

1.1 国外BIM的发展历程

20世纪70年代，美国学者ChuckEastman博士提出“建筑描述系统”，该系统可实现对建筑工程的模拟，因此被视为BIM的原型。1986年，美国学者RobertAish首次提出“BuildingModeling”的概念。1999年，“BuildingInformationModeling”的概念被Tolman教授正式提出[10]。2000年以后，国外各大著名软件公司，例如Autodesk、Bentley等陆续开发BIM相关软件。与此同时，美国总务局率先推出“3D-4D-BIM”计划，发布BIM应用指南和准则。美国联邦机构美国陆军工程兵团推出2006～2020年期间BIM发展计划。随后，相关部门发布IFC(IndustryFoundationClasses)标准和NBIMS(NationalBuildingInformationModelStandard)等一系列BIM应用标准[11]。除此之外，日本、英国、韩国、新加坡等国家也逐渐开始重视BIM在建筑工程领域的应用，政府制定了一系列政策和标准以推动BIM的发展。

1.2 我国BIM的发展历程

我国对BIM技术的研究起步较晚，2002年引入BIM概念，直到2006年才开始真正重视BIM。我国从政策角度大力支持和推广BIM的应用，住建部先后颁布《2011～2015年建筑业信息化发展纲要》、《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》和《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》，全面提高建筑业信息化水平，加强BIM的应用[12]。与此同时，住建部陆续出台BIM国家标准，以推进BIM的普及应用。2016年12月，住建部发布公告，批准GB/T51212-2016《建筑信息模型应用统一标准》为国标，该标准为我国第一部BIM应用的工程建设标准，为后续BIM的发展奠定了良好的基础；2017年5月，住建部发布公告，批准GB/T51235-2017《建筑信息模型施工应用标准》为国标，该规范主要引导施工阶段的建筑信息模型的应用，对施工阶段的建筑信息模型的创建、使用和管理提出各项要求；2017年11月，第三部国家BIM标准GB/T51269-2017《建筑信息模型分类和编码标准》正式发布，该标准作为建筑工程信息交换与共享平台的基础，规范了建筑信息模型中信息的分类与编码。与此同时，各行业积极推进BIM在相关领域内的研究和应用，例如中国铁路总公司将BIM作为铁路工程信息化建设的主要发展方向，并依托科研项目开展了多个专业BIM标准研究，初步搭建了铁路BIM标准体系框架[13]。

2 BIM在桥梁工程设计阶段的应用研究现状

近年来，国内部分桥梁工程师已在设计阶段引入BIM。齐成龙[14]通过达索和Tekla建立东平水道特大桥精细化BIM模型，完成了BIM协同设计、骨架设计、钢箱梁设计、钢束BIM设计、钢筋BIM协同设计。苗永杭[15]结合BIM和C语言开展连续梁零号节段深化设计工作，并且基于深化完成的BIM模型直接生成二维图纸和统计工程数量。宋福春[16]利用Revit建立大跨度斜拉桥信息化模型，提高了设计效率并且减少了材料浪费现象。

2.1 设计阶段的两种应用模式及其特点

目前，在BIM设计中主要有两种应用模式，分别为“反向BIM设计”和“BIM正向设计”。“反向BIM设计”模式在桥梁工程设计中应用较为广泛，设计人员依托二维图纸建立三维可视化模型，并在此基础上进行校核检查，最后根据修改意见对设计方案和模型进行修改，直至设计完成。在该模式中，BIM仅仅是作为确定设计方案的辅助工具[17]。在“BIM正向设计”模式中，设计人员在无交付图纸的情况下，直接在三维环境中设计，并且通过一系列搭建的平台和接口实现各专业的协作，最后通过三维模型直接生成二维图纸。与反向BIM设计不同的是，BIM在正向模式中不仅仅是设计阶段的工具，更是建设项目全生命周期的工具[18]。由于桥梁工程涉及的专业广而复杂，很难完全实现各专业的准确对接，因此相较于“反向BIM设计”模式，“BIM正向设计”目前在桥梁工程中的运用较少。

2.2 BIM在设计阶段应用的优势

BIM在桥梁设计阶段具有极大的优势，主要有以下几点：

(1) 可以更加直观、高效、精细和智能地进行设计表达；

(2) 三维可视化模型可清晰地呈现出构件冲突或管道碰撞等问题，便于设计人员及时调整设计和修改施工图纸，显著降低了施工中出错的可能性；

(3) 不同部位很可能由不同的人设计，BIM提供平台将各方设计人员的成果整合在一起，大大提高了设计效率，并且能有效减少设计中的漏洞，从根本上提高工程建设设计水平和质量；

(4) 基于精细化BIM模型，设计人员可准确迅速地计算和提取工程量，大大提高设计精度和计算效率[19][21]。

3 BIM在桥梁工程施工阶段的应用研究现状

施工是桥梁建设中最关键的环节之一，而桥梁具有施工难度大、工作量大和施工周期长等特点，因此如何在保证施工质量的前提下加快施工进度和有效控制施工成本成为桥梁工程师攻克的重难点。目前，国内部分学者开展了BIM在桥梁工程施工阶段的应用研究，部分施工单位也将BIM运用到实际工程项目中。姜早龙[22]将BIM应用到跨磁悬浮轨道桥梁中，基于BIM可视化模型和信息交换平台深化设计、模拟施工过程和建立合理的工程管理体系。蒋平江[23]以金沙江双线特大桥为背景，基于达索平台，利用Catia建立地质和全桥的BIM模型，通过Delmia模拟施工过程，实现了大桥安全、有效、智能施工。智鹏[24]通过Tekla模拟了泰和赣江特大桥各种复杂的施工工艺和施工过程，实现三维可视化交底和施工过程的精细化管控。

3.1 BIM在施工阶段中的主要应用

在施工准备阶段，施工人员和BIM技术人员根据设计方交付的施工图并结合现场实际环境和施工资源，完成施工模型。现场人员根据施工模型进行冲突检查、设计校核和施工图优化，随后根据施工方案模拟施工过程并对施工方案进行优化[25]。在施工实施阶段，BIM主要起协调各方有效地、有序地完成进度管理、工程计量、成本管理、质量管理和安全控制的作用，施工人员对施工过程进行实时监控和动态管理。施工过程中产生大量的数据信息是后期运营维护阶段信息化管理的基础，因此施工单位在施工完成后还需整理留存相关数据信息，在项目竣工验收后将数据信息交付运营维护单位。

3.2 BIM在施工阶段应用的优势

BIM在桥梁施工中能发挥明显优势，主要有以下几点：

(1) 施工人员对施工过程实行全程实时监控，能及时发现施工中存在的问题并提出解决措施；

(2)施工人员能科学安排和调控施工进度，从而有效控制施工周期；

(3) 基于实时和动态的管理，施工人员可在合理范围内控制成本；

(4) 基于合理、有序、有效的信息化管理，施工质量能得到提高。

4 BIM在桥梁工程运营维护阶段的应用研究现状

运营维护阶段是桥梁工程全生命周期中持续时间最长、信息收集量和信息管理量最大的阶段，因此需建立一个完整的、高效的运维体系来保证桥梁的安全运营[26]。刘天成[27]以平塘特大桥为背景，基于BIM进行建养一体化设计和平台搭建，研发了BIM信息管理系统。耿方方[28]对基于BIM的桥梁健康监测系统展开研究，建立了桥梁安全运维的多用户协同管理和监测养护一体化管理平台。总的来看，BIM在运营维护阶段的应用主要涉及到安全管理体系和安全评估体系。

4.1 基于BIM的安全管理体系

桥梁在运营前已累积了设计、施工等阶段的大量数据，后期会继续输入运营维护阶段的数据信息，传统管理模式难以高效地处理如此庞大的数据，因此管理效率较低。将具有信息化功能和可视化功能的BIM运用到桥梁运营阶段，可以实现桥梁设计、施工信息、运营阶段常规信息和结构安全信息的统一管理。管理人员通过三维立体的形式随时查看桥梁状态，并可细化到每一构件，根据其编码追溯到构件所有基本信息[29]。基于BIM的信息管理系统能实时对信息进行分类、整理、存储、更新、提取和可视化输出，给维护人员提供动态有效的信息。除此之外，各方通过基于BIM搭建的协同工作平台进行信息资源共享，随时在线交流，及时共同制定相关决策，为桥梁的安全运营提供便利[30-31]。

4.2 基于BIM的桥梁安全评估体系

BIM平台通过检测系统和远程高效传输技术获得实时环境、荷载和桥梁结构响应[27]。然而，由于获取的数据量多、复杂和具有随机性，如果不对数据加以处理，可能会导致监测数据的失真[28]。因此，BIM平台还需对监测数据进行甄别和挖掘，以提取有效信息。最后，BIM平台中的综合评估模块基于有效的实测数据和其他管养信息对桥梁结构进行实时的安全评估、智能预警和决策。

4.3 BIM在运营维护阶段应用的优势

BIM在运维阶段主要能发挥以下几点优势：

(1)基于BIM搭建的管理系统集成了设计、施工和运维的信息，为管理人员提供了一个便捷有效的平台，相较于传统管理模式，提高了管理的效率并有效减小错误率，降低了管养成本；

(2)管理人员对桥梁运营实行实时可视化监测与检测，能及时发现桥梁的薄弱环节，以便立即采取相应措施；

(3)基于协同工作平台，各部门能及时共享资源信息，提高了工作效率。

5 展望

近年来，我国部分重大桥梁项目应用了BIM技术。渝黔铁路新白沙沱长江特主桥是世界上首座双层桥面布置的铁路斜拉桥，也是我国高速铁路建设进程中首批将BIM应用到设计和施工阶段的重点项目之一。该项目综合应用4D-CAD和BIM等最新技术，在设计和施工阶段实现信息传递和共享的目标[32]。福厦铁路泉州湾特大桥跨越多条市区道路和航道，为满足通航要求，全桥需设计多种大跨结构和特殊结构。设计人员通过Catia平台建立全桥BIM模型(图1)，并实现了基于Catia平台的各专业协同设计，大大推进了BIM在铁路桥梁设计的应用[33]。永定河特大桥主体结构形式新颖，主塔采用空间三维曲面布置，传统的二维设计难以完成设计任务。设计人员引用BIM，有效解决了钢塔扭曲面的设计和优化等技术难题，引入了通用性的模版资源(图2)，并为后期施工和运维提供详细的数据模型[34]。

图1 福厦铁路泉州湾特大桥BIM模型[33]

图2 锚固螺栓UDF实例化[34]

本文通过对BIM在桥梁设计阶段、施工阶段和运营维护阶段的应用现状进行研究，能看到将BIM应用到桥梁工程中会带来巨大的价值效益。然而，由于交通基础设施具有不同阶段技术的复杂性和参与角色的多样性等特点，相较于工民建领域，BIM在桥梁中的发展较为缓慢。目前，BIM在我国桥梁上的应用大多还停留在设计阶段和施工阶段，在运营阶段的应用和研究相对较少。在桥梁领域，我国现阶段缺乏BIM相关的统一标准、桥梁专业对口软件和统一的协同工作平台，建设各阶段和各部门都各自为战，信息不能进行有效传递，BIM的应用无法贯穿设计、施工和运维阶段。随着应用研究的不断深入，上述问题会被逐一解决，未来BIM在桥梁领域的应用会更广泛和深入，应用贯穿桥梁全寿命周期，给社会带来巨大的经济效益。