桥梁工程设计BIM 技术应用分析

刘文 LIU Wen

（湖南省交通规划勘察设计院有限公司，长沙 410200）

0 引言

BIM 技术作为一种新型设计手段，在公路、铁路等交通基础设施领域逐渐普及，桥梁工程作为交通基础设施重要组成，近年来在BIM 技术应用方面取得了一定的进展。然而结合实践情况分析，不少桥梁工程依旧停留在BIM翻模设计层面，究其原因在于桥梁设计阶段设计方式、设计成果交付方式均未实现信息化，各阶段信息未准确有效传递。由此，BIM 正向设计概念被提出，希望使BIM 应用从设计阶段向下兼容，实现信息自上而下的流通，最终达到成果信息化、标准化交付的目标，本文主要从BIM 正向设计的角度出发展开详细分析。

1 桥梁工程设计概述

桥梁作为公路交通领域不可或缺的一部分，承担着重要的交通作用。近年来我国公路桥梁数量和里程逐年增长，根据交通运输部数据统计，2020 年中国公路桥梁数量达到91.28 万座，较2019 年增加3.45 万座，数据表明未来我国桥梁建设依然有巨大的发展空间。随着经济发展以及技术水平的提高，人们对桥梁建设的质量、寿命都有了更高要求。然而桥梁工程存在设计效率低下、施工管理难度大等问题，设计作为整个项目的初始阶段，通常要经过概念设计、方案设计、设计前期、初步设计和施工图设计等环节，传统桥梁设计以CAD 图形为基础，不利于自动化设计、数据化分析和信息化管理，对于精细化的设计质量难以把控，重复化的工作难以简化，进而设计质量有缺陷，生产效率不高。因此对于我国桥梁工程建设，为朝向信息化、数字化的目标发展，为解决传统桥梁设计流程中存在的问题，优化和改善桥梁设计流程，运用BIM 技术实现数字化、信息化的设计体系，从而提升设计产品的质量，减少设计出错，提高生产效率，缩小设计误差。

BIM 技术代表了更加智能化、信息化的一种生产方式，在桥梁工程中的应用价值值得深入探讨。与房屋建筑相比，桥梁异形构件更多，即使是简支梁桥、空心板梁桥此类简单桥型，依旧存在道路线型、横纵坡设置等变化，因此在实现批量式生产、装配式建造时面对更多的问题。此外，目前国内缺少专业的三维设计软件，桥梁异形构件多，软件内无法包含主梁梁体、桥墩等全部构件库，且桥梁工程多属于道路工程、铁路工程中的一项，整个项目里程长、体量大，建立BIM 模型的软件无法同时保证建模精度与体量。2021 年，交通部推出了最新的交通行业BIM 标准，如：《公路工程信息模型应用统一标准》（JTG/T2420-2021）、《公路工程设计信息模型应用标准》（JTG/T2421-2021）、《公路工程施工信息模型应用标准》（JTG/T2422-2021）等，为桥梁信息模型实现数字化交付提供了参考。BIM 的应用在桥梁工程中的应用逐渐从施工阶段延伸至上游设计阶段，并随着对设计效率要求的提高，BIM 参数化建模也逐渐发展，目前行业内强调正向设计与BIM 结合，此种设计方式简化了桥梁设计流程，直接提供指导施工的图纸，且对全套桥梁图纸输出做出标准化示范，一定程度上提高了设计效率，本文着重围绕此展开详细分析。

2 BIM 技术在桥梁工程设计中的应用优势

BIM 技术应用于桥梁工程中优势在于改变了传统设计模式下的成果交付，提高了设计效率，深化了设计质量；同时应用BIM 技术改变了传统设计模式的产业结构，可达到更加有效的数据化和信息化管理，信息储存更加安全长久，信息交互范围更加广泛，信息利用程度更加充分，BIM 技术在桥梁工程设计中的应用优势总结如下。

2.1 设计成果方面

BIM 技术应用于桥梁工程项目中设计成果包含三维可视化信息模型及由该模型衍生出的数据化成果如：三维可视化模拟动画、三维仿真模型、二维工程图纸、工程量数据等等。模型从概念设计阶段到方案设计阶段其精度不断加深满足不同需求，各设计成果之间数据信息联系紧密，联动变化及时。三维可视化成果的展示效果更加利于同非专业人士进行沟通和理解，提高决策的可靠性。

2.2 设计效率方面

BIM 技术设计模式采用模型参数化、模块化设计，将具体的桥梁构件按功能和属性进行模块划分，同时对于同类构件进行参数化设定，用户后期可按参数改变尺寸适用于不同环境项目需要。BIM 设计模式将不局限于传统二维设计中点、线的绘制，深化到对于适用性和适配度极高的模型设计中，模型适配度越高、模型库越丰富，这将方便后期各类用户直接使用，极大缩减了重复性绘图工作，提高了生产效率。参数化设计便于设计人员综合考虑力学需求、经济性需求、美学需求等等，不断改变参数值以模拟得到最佳适配方案，同时不会加大设计人员制图的工作量。三维可视化设计则利于对复杂三维空间结构进行把握，对三维空间结构可利用多角度视图、剖面图等视角进行详细设计和理解，大大降低了空间想象的难度，也增加了对空间交叉关系的精确把握。协同设计也将便于同专业不同设计人员、不同专业的设计人员就同一项目设计模型进行交互，保障了数据传递的完整性、及时性、统一性。

2.3 设计质量方面

BIM 技术设计模式将有助于提高结构体设计质量，结构体在传统二维设计模式中可能存在空间交叉关系的错误难以从二维图纸中发现，而BIM 技术可直观化发现结构体隐藏的几何问题，利用碰撞检查功能还可以发现特定的软、硬碰撞问题，及时发现设计问题从而修改，在施工过程中避免了因设计缺陷造成的变更和返工，设计质量得到有效保障。BIM 技术可直观化表达结构体复杂的空间几何关系，信息化模型可提供设计人员以多种用途的分析，例如：仿真模拟分析其受力性能保障结构体受力良好、施工模拟以提供施工单位以建设指导方案等等，基于信息化模型的分析皆具有详细数据支持，提高了决策的科学性，提高设计质量。

2.4 信息储存方面

BIM 设计模式将数据以集成数据库形式储存，项目相关的所有信息皆储存于模型之中，例如：桥梁构件几何信息、材料信息、力学信息等，信息的写入和调用皆基于模型数据库，数据完整且查找快捷，各数据信息之间存在逻辑和约束上的联动变化，保证数据信息的可靠性。由BIM 模型为基础可提供其他需求分析以输出相关中间资料及设计成果，信息储存在BIM 技术模式下将高度集成，统一管理和调用。

2.5 信息交互方面

基于BIM 技术模式进行计算机自动化交互，目前可通过IFC 标准或二次开发特定需求功能等实现，例如BIM模型导入仿真模拟软件中进行仿真分析，免去重复建模过程，该模式下信息交互能有效降低出错概率，减少工作量，提高工作效率。

2.6 信息利用方面

BIM 技术模式下信息集成化程度高，对于不同阶段不同需求的信息利用皆有很好的支持，信息传递过程基本完整且高效。数据化和信息化是未来发展的方向，对于信息的利用将会在运营维护阶段与健康监测系统、风险评估系统等发挥更大作用，保障结构体安全运营，为未来绿色可持续工程提供数据支持。

3 实例探析桥梁工程设计BIM 技术应用要点

3.1 工程概况

本项目为某市政工程，项目全长约8.95km，为城市快速路，设计速度80km/h，道路红线宽28～80m，采用主辅路布置，主路双向6 车道，辅路双向4 车道。全线设立交3座，隧道3 座，桥梁5 座，总投资约42.5 亿元。

3.2 BIM 设计方案与目标

3.2.1 BIM 设计方案

本项目是典型的复杂市政快速路项目，线路里程长，涵盖专业多，周边环境复杂，线路与多条主供水管、油气能源管道、多档高压电线共走廊，且沿线密布基本农田、村庄建筑、河流水系、墓地等，路线受限因素繁多，选线难度大。此外涉及与中石油、中石化、燃气、供电、水务、高速、地铁、交通等专项协调，专项数量多，协调难度大；工程实施面临沿线重大管线保护、高压铁塔结构稳定、桥梁施工安全、施工期高速公路保通等诸多复杂问题，实施难度大。为切实保障路线总体方案的合理性，确保施工与运营期间结构与交通安全，提升设计过程中的内部协同与外部协调效率，提升设计成果质量，项目从方案设计初期便开始使用BIM技术进行三维正向设计，并引入BIM+GIS 技术、虚拟建造技术、物联网云交互技术等，以直观高效地展示设计意图，实现BIM 模型的赋能增值。

3.2.2 BIM 设计目标

结合本项目线路长、专业多、边界条件复杂、协调沟通多的特点，确定了依托项目开展BIM 正向设计的目标，即在三维设计环境中开展设计工作，以三维BIM 模型为中心，开展方案研究、性能分析、碰撞检查、工程量统计及图纸输出等，实现多专业三维协同设计。同时，为延伸拓展BIM 模型的价值，通过引入了BIM+GIS 技术、施工仿真技术、移动端交互技术，以有效提升设计沟通效率，促进科学决策，实现BIM 模型的附加值。

3.3 桥梁工程设计BIM 技术应用要点

3.3.1 正向设计流程

项目在传统设计基本流程上，结合行业、地方、企业正向设计标准及设计协同机制，制定了以模型为中心的三维正向设计流程，如图1 所示。

图1 正向设计流程

3.3.2 软件平台及协同机制

项目针对道路、桥梁、隧道、管网等主体专业，确定了相应的三维设计协同机制及对应节点的软件平台。

3.3.3 BIM 正向设计

①环境模型构建。项目利用无人机航拍技术采集沿线现场地形及影像数据，处理形成全线三维倾斜摄影模型。依托现场仿真模型，进行虚拟踏勘，以便高效、精确地掌控项目沿线边界条件。提取与处理地质钻探数据，构建地质数字模型，为路基处理、结构、桥梁下部、隧道精细化设计提供基础条件。

②总体方案比选。结合项目沿线控制条件，初拟路线总体方案，快速建立各方案BIM 模型，基于模型开展总体路线方案及立交节点方案的综合比选；采用BIM+GIS 技术整合BIM 模型与GIS 模型，进行方案的可视化评审。

③桥梁深化设计。桥梁采用R+GH+R 技术（三维造型软件Rhinoceros（简称R）、参数化设计创新领域的设计插件Grasshopper（简称GH）、族库存储及信息化集成软件Revit（简称R））开展参数化设计快速精确完成桥梁结构模型；针对特殊节点或节段开展精细化设计、碰撞检查；结构计算方面，自主开发有限元分析软件数据接口，实现BIM 模型与计算分析软件间的无损数据传递及交互；通过定制开发参数模块，一键式精确高效统计工程数量。

3.3.4 BIM 拓展应用

①景观艺术审查。为形象清晰地表达景观设计方案，采用BIM+GIS+景观布置的方式进行景观方案设计，并输出游线动画供景观方案审查。②交通导改模拟。基于设计模型，运用Fuzor 对疏解方案各阶段施工内容进行模拟，以确定最佳施工期间导改与建设方案。③移动端交互。项目在设计成果的表达上，利用“三维+二维”相结合的方式，使设计成果表达更加清晰直观。通过扫码直接在手机呈现构件的BIM 模型，使参建各方能够快速、准确地了解复杂构造，如图2 所示。

图2 移动端图模交付

3.4 BIM 技术应用效果

本项目桥梁工程设计中，采用了BIM+GIS 技术、虚拟施工技术、云物联网技术等，形成了以模型为中心的正向设计技术路线，探索了多专业的三维协同设计，进一步外延了BIM 模型的附加价值，达成了项目的应用目标。

4 结语

综上所述，与建筑工程项目相比，桥梁工程设计BIM 技术应用存在一定的滞后情况，这既有行业特点本身因素，又有传统观念束缚。随着BIM 正向设计方法的推广运用，可将BIM 技术的优势深入到设计阶段的各部分实践中，本工程实践中通过BIM 正向设计有效攻克了工程中所遇到的复杂问题，并能轻松灵活地将二维设计成果无法详细表达的内容通过自身三维的优势清晰直观地准确展示，全面提高了项目设计效率与质量。本项目的成功实践可为类似项目提供有益的参考，且随着行业对BIM 理念理解的加深，BIM 技术进一步成熟，相信BIM 技术会给桥梁工程设计带来更为深远的价值和影响。