BIM技术在桥梁施工中的应用研究

唐勇

【摘 要】基于桥梁施工过程中存在的信息孤岛等问题，文章总结了BIM技术在桥梁施工领域的信息整合、共享和传递方面的特点，并结合相关工程案例，论证了该技术在提高施工效率、施工质量和降低成本方面的作用。

【关键词】BIM;桥梁;施工;研究

【中图分类号】U415;U445 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2022）04-0185-03

0 引言

近年来，我国桥梁工程建设领域进入高增长期，随着城镇化进程的提速，各区域对交通基础设施的投入也与日俱增，特别是桥梁工程建设方面。但是，全行业的桥梁工程订单的增加并不意味着所有桥梁施工企业都会分得红利，这其中的原因有很多，如桥梁基础施工材料成本的增加、人力资源成本的增加等，更重要的是工程建设企业的生产效率逐年呈下滑趋势，俨然成为整个行业的痛点。

通过走访和调查可知，施工生产效率偏低的企业不在少数，究其原因是桥梁工程施工过程中各类施工信息与数据的交换不及时、不准确，或称此种情况为施工过程中的信息孤岛或信息壁垒现象，这将带来极大的人力和物力方面的浪费，进而影响施工生产效率，变相增加了工程成本。为此，需在桥梁施工过程中应用智能化的态势感知系统和施工信息模型，对施工全过程进行实时、动态、在线监测，高效地完成施工信息交互，提高施工生产效率[1]。

1 BIM技术综述

1.1 相关定义

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）最早起源于20世纪70年代的美国，是一种基于三维数字技术的先进的可视化建筑模型，其以建筑工程领域的施工项目信息为模型基础，通过数字化仿真模拟真实建筑物，该模型在数据信息方面具有完备性、关联性和一致性等特点，而其可视化、协调性和优化性等性能使其在建筑工程施工中得以广泛使用，如上海世博会、北京冬奥会等主要场馆设施的建设项目。由于我国的《建筑信息模型应用统一标准》仍处于编制阶段，因此暂用美国目前对该模型的解释，具体包括以下3个部分：①BIM可看作是一个用数字来表达的建设项目，包括该项目的物理和其他方面的功能特性;②BIM也是一个开放式的共享资源池，使用者可以同时分享建设项目的有关信息，并为项目的建设、维护、拆除等工程提供相应的建议、决策;③BIM是一个在线的协同工作平台，各设计师及施工方可同时完成对某个项目的修改或更新操作，最大化地提升作业效率。

1.2 应用情况

BIM具有工程施工领域全过程的资源调配、行为监控和问题纠错等重要维度，能够给出具体的施工标准和实施方案，可用于各类工程的荷载分析、施工管理和设备维护等，为其在我国的推广提供了基础条件。值得注意的是，BIM技术近年来在钢结构桥梁施工中的应用越来越多，如我国的港珠澳大桥，桥梁主体结构一半以上使用的是钢结构，在港珠澳大桥全过程施工建设中深度运用了BIM技术。此外，BIM技术在其他类型的桥梁施工中也实现了丰富的应用研究。

2 BIM技术应用在桥梁施工中的优势

2.1 优化设计方案

桥梁工程的设计方案对桥梁的质量、安全、工期和成本等都有直接的影响，桥梁各部分的施工都是严格依据设计方案而进行的，因此设计方案不能出现任何偏差。为制订一个安全、合理、可控的桥梁设计方案，应实地考察桥址附近的地质构造、水文气象等环境因素，并综合考虑该区域可能发生的地质灾害等情况，可借助于BIM技术进行设计方案的优化。根据施工设计原始图纸使用BIM技术进行三维建模，例如通过调用模型中的“构件库”和“节点库”，桥梁施工过程中所用到的常规部件便一目了然，再次输入构件数量和节点参数，方便后续对构件和节点进行深入的设计、修改，最终达到优化设计方案的目的。

2.2 实现数字化施工

BIM技术的深入应用，使桥梁施工的过程变得简单、有序，尤其是对钢结构等预制件的加工而言，BIM模型不仅能够依据设定的加工信息迅速生成具体加工清单，还能自动生成最为合理、高效、节约和安全的结构制造工艺路径，能够最大限度地满足不同用户的各种加工需求，包括很多定制的个性化需求。此外，BIM技术在金属构件焊接、数控机床切割及更为复杂的构件加工时也能发挥显著的作用，三维建模的数字化施工模式弥补了CAD等二维工具在进行指导加工时存在的不足。而且，基于BIM技术的数字化桥梁施工模式能够在很短的时间内完成种类繁多且数量庞大的施工构件、材料的统计、分类和汇总工作。

2.3 实现动态可视化施工

传统桥梁工程的施工模式存在很多弊端，例如在部分施工场景中，没有实现动态可视化的施工模式，不具备施工信息数据的实时在线检索功能，这种完全依靠施工现场监督和指挥人员而进行的人员、材料和施工设备调配的模式，在施工信息的传递、共享和更新方面较为单一，容易出现信息孤岛或信息壁垒的不利情况，对施工质量的控制作用甚微。搭载了4D-CAD技术的BIM架构能够实现桥梁各施工场景中详细信息和BIM模组的动态关联，可以支持可视化的施工模型和方案的表达，达到桥梁施工全过程动态可视化的目的。

2.4 实现集约化高效施工

传统桥梁工程施工中由于信息化技术尚不完善，因此對施工现场的人员、材料、设备等无法做到实时、有序的精细化分工，加之施工监理与施工人员进行施工信息的传达或落实过程中容易出现偏差，使得在多数情况下依赖人工或半人工而做出的各项施工决策出现了问题，即在桥梁工程信息化建设程度较低时或尚未应用任何桥梁工程施工模型时，无法实现集约化的高效施工。这种情况下容易发生施工材料浪费、施工人员冗余等现象，使工程总体的施工进度拖延、施工效率低下。基于BIM技术的桥梁施工信息模型，可以完成集约化的高效施工，对施工人员、施工材料和施工设备等进行宏观上的协调和统筹，做到上述施工信息在特定施工场景中的最佳匹配，保证各施工环节利用效率的最大化。

2.5 施工全过程造价监控

相比传统的桥梁工程造价，BIM技术的有效运用是一次颠覆性的改变，其具备的各项优势是传统造价方案所无法相比的，特别是在全面提升桥梁工程造价的效率和信息化水平上，BIM独具的业务流程和智能化的测算模式在业内处于领先地位。具体来说，BIM技术使庞杂烦琐且耗时耗力的工程量统计工作在短时内便可高效完成，并且数据统计工作相当精准，将桥梁工程造价的核心确定为施工全过程的造价监控，从而有效避免了烦琐的工程量测算，时间成本较低，将BIM应用于桥梁工程全过程的造价监控，这本身对工程造价人员的专业素质和能力提出了更高的要求，但对桥梁工程施工的全过程成本监控意义重大。总之，BIM技术应用于桥梁工程施工全过程的造价监控领域具有以下几个方面的优点：①工程量测算周期短;②造价评估精确;③随施工项目变化而调整的灵活度较高[2]。

3 工程案例应用与讨论

3.1 工程简介

防城港市位于广西南端，水系丰富且伴有喀斯特岩溶地质，土质结构复杂、桥梁施工难度较大，在该区域进行桥梁工程的建设需要考虑的问题和影响因素有很多，如特殊地质引起的桥体结构的稳定性、施工工期等。计划兴建的西湾大桥Ⅱ期项目全长7 652.138m，为中越铁路防城港至东兴段双线跨海特大桥，其中C4K5+060处跨越钦防线，C4K5+320处跨越东兴大道，C4K7+060处跨越北部湾大道，C4K7+152.93至C4K9+348.25跨越西湾，跨海段全长2 035m，全桥预计施工期为24个月，计划使用年限为50年。由于该桥梁工程量较大、施工周期较长且对工程施工的质量和安全性要求十分严格，因此将BIM技术引入工程项目施工中，具体考察BIM技术在构件加工、检测碰撞、相离问题和整体工期进度等方面的作用[3]。

3.2 BIM三维实体建模

为有效分析BIM技术在西湾大桥施工中的应用价值，使用BIM系统架构对该工程进行三维实体建模，建模过程包括多个任务，即搭建工程实体模型、优化施工工艺、检查校准模型和模型深度调整优化，最终达到施工模型与实际施工进度同步的目的。建模过程消耗的时间较长，其间可能需要数次反复进行修改。根据施工资料图上所标注的桥梁各构件数量和尺寸，正确无误地输入BIM三维建模软件中，对系统报错的参数应仔细核对，当全部的施工参数都输入完成后，再次进行数据量的校验，保证BIM三维实体建模结果与设计施工资料上的信息全部一致。

3.3 利用BIM对构件进行加工

BIM软件中的材料加工模块能够实现对桥梁工程构件的数字化加工功能，包括一次加工和二次加工。以钢桁架为例，为得到尺寸标准的钢桁架，在BIM软件中预设相关尺寸参数，包括一些复杂施工节点中的构件，通过BIM软件系统进行全自动的切割、下料，实现从BIM模型到数控机床切割的自动化和智能化过程，高精度的计量和切割标准为高质量构件的制造和打磨提供了强有力的保障。需要注意的问题是，在构件制造过程中，如遇数控机床发生卡顿或停转现象，应及时停止切割操作，查明问题原因后方可继续进行作业。

3.4 利用BIM检测碰撞、相离等问题

由于西湾跨海大桥Ⅱ期为特大型钢结构桥，施工中所需要的构件非常繁杂，在钢桥构件拼接过程中容易发生碰撞、相离等问题，因此应用BIM软件搭建了西湾全桥的施工模型，由钢桁架构件的整体拼装或试拼装可实现模型的自动校准功能，此时如果施工过程中发生碰撞或相离等问题，在BIM软件系统中会得以呈现，能够确保复杂的钢桥构件拼接的正确性，便于桥位吊装成形。

3.5 BIM虚拟施工以掌握工期进度

BIM软件系统架构具有工期进度约束功能，具体做法是在BIM系统中引入时间（T）维度实现4D虚拟化施工的模拟，在BIM虚拟施工进程中，可随时比较直观地查看施工进度，通过对比实际施工情况判断当前施工进度是否符合预期，判断各施工场景的人员、材料和设备使用情况。BIM虚拟化施工能最大限度地保证软件上的施工进度与实际施工进度相一致，对于下一步施工场景，BIM软件系统会智能地给出施工建议，工程技术人员通过现场施工监控画面判断是否符合施工规范要求，对施工现场违规的施工行为及时纠正，使各施工部分的质量均满足工程要求。

4 BIM技术应用于桥梁施工的效果评估

4.1 施工质量方面

BIM系统架构进行钢桁架碰撞和相离检测时，已完成对问题构件的纠错，使得西湾大桥在钢结构的施工中质量得以保障。此外，在其他施工构件的吊装和安装时，BIM系统也提供了重要的技术支撑，及时修补了施工中存在的质量问题，确保该桥梁工程项目整体达到验收标准。在技术人员检查BIM系统时发现，施工期间所有的质量问题都已记录，施工监理人员依据所记录的质量问题信息再次逐一进行检查，结果全部的施工质量问题都已及时完成整改。

4.2 工期进度方面

在西湾大桥施工前期及各施工节点完成后，BIM系统预设的工期进度跟踪模块都会及时完成自检，对超出工期节点要求的环节，系统自动生成并给出了下一步的施工整改计划。BIM组件中的虚拟施工模块在下一阶段施工时也会自动给出预警提示，如可能遇到的施工问题或影响工期进度的具体位置，这些预警信息供现场施工人员参考。本工程的实际施工数据表明，无论是桥梁各部分的网格化施工进度还是桥梁工程的总体施工进度，都满足工程设计方案要求。

4.3 成本控制方面

进行施工全过程的成本控制，这是BIM系统架构最为明显的优势，这是由其施工信息交互的及时性、准确性和全面性所决定的，彻底解决了施工过程中的信息孤岛和信息壁垒问题，使西湾大桥工程各施工要素无缝衔接，最大限度地减少了人工成本和时间成本，提高了施工生产效率，有效地控制了工程成本。

4.4 安全风险方面

在西湾大桥的各部分施工中，始终将可能遇到的安全风险事件发生的概率置于首位。BIM系统架构对安全风险方面的管控已形成一套完整的预警、检测和处置流程，如在进行钢桁架的吊装和拼接时，BIM软件系统画面有相应的安全风险提示，禁止人员在吊机下方停留或钢桁架拼装位置错误等。正是由于BIM系统具有完备而牢固的施工安全风险防御体系，使得在该工程项目的施工中，安全风险事件发生的概率降为最低，同时BIM软件系统在安全风险精细化的管控方面具有自主的机器学习功能，通过网络连接，可定期自动搜索最新的工程案例和安全事件，将这些资料和数据上传并保存在BIM文档服务器中，不断地更新系统数据库信息，通过在线获取桥梁施工常见的安全风险数据，修复尚存的系统检测盲区或漏洞，从而提高BIM系统自身对桥梁施工中安全风险的识别和干预能力，筑牢施工安全防线。

5 结语

BIM技术并非简单地将施工信息进行集成，而是一种智能的、高效的、低风险的数字化应用，通过各类施工参数模型的有效整合，打通各施工要素的信息传递通道，实现了施工项目全生命周期内信息数据的实时共享，为工程设计和施工团队提供了一个在线的协同建设平台，极大地提高了施工的生产效率，并且能够及时发现施工中存在的問题并进行整改，使工程质量得以保障。当前，国内基于BIM系统架构的桥梁施工技术仍处于起步阶段，应该指出的是，BIM系统架构中各类施工参数都是基于原始施工设计图纸及现场实际的施工环境而设定的，因此只有熟悉桥梁施工现场的具体情况，清楚工程应用中要解决的问题，才能真正地发挥BIM技术应有的价值。

参 考 文 献

[1]胡兴意，陈波，刘国强，等.融合BIM与影像建模技术的桥梁检测方法及其应用研究[J].中外公路，2020（1）：107-112.

[2]蔡雪峰，杨尊煌，郑莲琼，等.基于BIM的建设工程电子文件与电子档案管理体系研究[J].土木建筑工程信息技术，2019（4）：54-62.

[3]陈文宝，魏志松，张航，等.BIM技术在装配式桥梁工程中的应用[J].北京交通大学学报，2019（4）：65-70.