BIM技术在钢结构桥梁中的应用研究

李晨亮

（山西建筑工程集团有限公司，山西 太原 030000）

BIM技术在国内工程领域获得了较快的发展速度，有关其理论以及工程应用点的研究逐步增多，并且也变得越来越清晰和明确。在最初的发展阶段，BIM技术主要被应用至房屋建筑领域，随着其进一步发展其在桥梁、道路以及隧道工程中的应用频率逐渐提高。钢架构桥梁主要具有组成部件工业化、装配化以及数字化等优势，因此在桥梁工程中得到广泛应用。但是，钢结构桥梁同样存在的较多的施工难度，比如空间位置关系比较复杂以及节点构造复杂等。面对大型、特大型桥梁项目迅速增多的发展背景，传统的CAD土质已经难以满足施工进度以及施工成本管理需要，因此应当积极探索钢结构桥梁建设过程规划、设计、施工、运营维护等阶段有效应用BIM技术的途径以及应用要点，以此来提升桥梁工程的工业化、信息化以及智能化程度。

1 钢结构桥梁项目现状

钢结构在我国桥梁工程中的应用范围变得越来越广泛，在AutoCAD等技术手段的支撑作用下，钢结构承包商、制造商以及专门的钢结构深化设计公司对钢结构桥梁设计水平不断提升。并且，从整体情况来看，钢结构企业的制作水平以及施工单位的现场管理水平相较于以前也有了大幅度的提升。但是，纵观钢结构桥梁建设项目，依旧存在不容忽视的问题。

1）首先，现阶段建筑设计环节和结构设计环节依旧处于相互独立的状态，增大了节点碰撞以及构件缺失等问题的发生概率，会严重降低整体的设计质量。现阶段，国内基本上都由钢结构承包商以及制造商等承担钢结构深化工作，其需要对尺寸精度以及正确性负责。因此，钢结构承包商以及制造商需要对设计意图进行反复核对，同时还需要绘制相关图纸对尺寸、截面以及材质等进行清晰的反映，会产生巨大的工作量，如果发生设计变更或者调整施工工艺的情况，设计人员需要对大量的原设计图纸进行核对，不仅工作效率比较低下还容易产生一系列的遗漏问题。如果钢结构桥梁的结构比较复杂，难以应用AutoCAD明确表达部分空间异形零构件。

2）钢结构桥梁零构件在进行制作加工时，需要反复装配和阻焊，难以调整焊接扭曲变形问题，应当控制钢结构截面焊接误差不超过3mm。大部分钢结构桥梁工程工期较紧，加工制造工期和工地安装施工具有紧密联系，但是钢结构加工厂的产能处于固定状态，因此必须要对焊接及装配施工顺序进行合理安排。钢结构构件拼装包括多个施工步骤，运用分段吊装的方法虽然简便易行以及有效避免了大参数起重设备。但是，在进行分段吊装时需要应用数量较多的拼装胎架，具有较高的拼装场地要求。大量的高空作业也明显增加了安全保障的难度，滋生了大量的安全措施费用。再加上节段制作工艺相对来说比较复杂，都降低了预制拼装效率。

3）除了上述问题外，钢结构桥梁加工制造和安装信息管理方式相对来说比较落后，依旧以二维图纸等文本资料进行信息传递的方式为主。在制作和拼装零构件时，也会存在较多的沟通障碍，导致返工重做以及安装等问题发生概率明显增大，对钢结构桥梁的进一步发展产生明显的制约影响。比如，在对零构件材料清单进行统计的过程，相关人员需要依据零件编号对零件的规格、数量以及重量等进行一一计算，这一过程会耗费较长的工期，同时也频繁发生错、漏、多等问题，在发生设计变更之后还需要对变更部分的设计材料清单进行重新计算，严重影响了整体工作效率。钢结构桥梁项目建设规模持续扩大，并且结构形式也越来越倾向于空间异形复杂结构，严重增大了施工安装管理工作的难度。另一方面，工程各方基本上会大批次运输零构件至施工现场，依旧采取人工录入信息的方式，同样存在效率低下、容易发生错误等问题。除此之外，在进行现场安装时，钢结构零构件经常会和其他构件产生碰撞，会增大管理混乱以及工期延误等问题发生概率。

2 钢结构桥梁建设应用BIM技术的必要性

BIM技术主要具有可视化、参数化、协同性、模拟性、优化性、一体化性、可出图性以及信息完备性等特点，常用的BIM软件包括美国Autodesk公司的Revit、Civil 3D、Navisworks软件，被广泛应用至建筑、道路、桥梁以及隧道工程当中，在国内具有较高的市场占有率。

将BIM技术应用至钢结构桥梁建设当中，可以为节点精细设计提供助力，最终实现设计质量的整体提升。如果钢结构桥梁连接节点设计存在不合理之处，将会导致结构处于应力集中的状态，在应力逐渐积累以及时间推移作用下，会产生明显的可变荷载影响，不被重视的小病害严重程度逐渐提高，相应的疲劳应力也会越来越大，当达到临界值之后可能会爆发严重的安全事故。BIM技术自身编剧被参数化节点库，并且还可以进行自定义的批量操作，有助于设计效率的进一步提高，充分运用其可视化节点设计优势，可以有效消除设计过程的视角死角以及操作死角等，为焊接施工提供便利。利用BIM技术建立细节化模型，将其有效应用至设计阶段、加工制造阶段以及施工安装阶段，可以实现人力、物力以及财力的全面节省。

利用具有较高精准性的钢结构桥梁BIM信息化模型，设计人员可以对工程量进行快捷高效的设计，并且还可以实现图纸的智能批量输出，还有助于提前对构件空间位置进行碰撞检查。进入现场安装阶段之后，BIM模型及其应用平台还可以为工程信息的高度集成以及共享提供途径，有助于高度集成管理模式的形成，在促进管理水平提高的基础上，使桥梁工程具有更高的项目收益。运用高度集成的管理模式，可以对全工程的信息传递进行有效简化，为设计和施工协作耗能的减少提供促进作用。

3 BIM技术在钢结构桥梁设计以及施工中的实际应用

无论是钢结构桥梁设计还是实际施工，都可以应用BIM技术实现工程质量的提升，钢结构桥梁建设应用BIM技术的框架如图1所示。

图1 钢结构桥梁建设应用BIM技术的框架

3.1 BIM技术在钢结构桥梁精细化设计中的应用

继续沿用传统的钢结构桥梁节点设计方式，存在明显的浪费人力、物力以及财力的问题，并且还会增大返工问题发生概率。以某市开发区独塔斜拉桥工程为例，其主要采用密索体系双索面独塔斜拉桥，运用传统的标准拉索节点大样方式已经难以符合其钢结构桥塔施工需求，因此必须进行节点精细化设计。该工程主要是运用BIM技术对桥塔以及钢箱梁节点及细部模型进行精细化处理，提升设计模型与实际的契合程度，为设计包含了详细加工制作以及安装要求的高质量图纸奠定良好基础。基于BIM技术的钢结构桥梁精细设计及模型主要可以分为几何信息和非几何属性信息，使后续建造和运维工作能获得可靠的数据支撑。运用BIM技术建立钢结构桥梁细节模型，不仅可以应用至设计阶段，还能够在加工制造以及施工安装中得到有效应用，甚至到最后的运维管理同样可以应用这一细节模型。相关设计人员可以利用相应的软件，在选取节点形式以及输入相关参数之后，便可以实现特定节点的智能生成，明显提升节点设计的精准度以及效率。面对曲面零件等结构比较复杂的零件，可以运用Prosteel组合型钢功能，整合所有相关零部件为组合型钢，通过一键布置命令实现其余相同构件的高效布置。设计人员应当充分发挥BIM模型的可视化优势，对节点进行直观和全方位的观察，对设计不合理之处进行及时修正。

3.2 BIM技术在设计问题审查中的应用

为了有效减少钢架构桥梁工程设计变更以及施工返工问题，应当利用BIM三维模型进行碰撞分析。现阶段，很多BIM设计软件都自带碰撞检测功能，并且还可自动导出相应的碰撞报告。在桥梁工程中如果进行整体模型的碰撞检查将会耗费较多的人力以及时间，因此基本上都是以局部碰撞检测为主，主要是碰撞检测重点复杂结合部位，有助于碰撞检测效率的进一步提高。可以将BIM模型碰撞检测划分为硬碰撞（构件实体的交叉碰撞）以及软碰撞 （构件实体之间不存在交叉碰撞，但构件之间的空间间距不符合施工要求）。以某项主桥造型独特以及体量大的大桥项目为例，在三角结合区钢筋笼设计存在严重的碰撞冲突问题，利用Revit软件完成钢筋BIM模型建立，之后将其导入Navisworks软件进行钢筋碰撞分析，总共发现344处碰撞，通过分类汇总碰撞问题形成具有较高规范性的碰撞检测报告，为后续现场施工提供可靠指导。另外，BIM模型还可以对预埋构件定位以及缺漏问题进行有效检查，充分发挥其辅助定位以及查漏作用，对施工过程进行完整的模拟，之后以现场测量点为依据精准定位预埋构件。以某大桥项目为例，其利用BIM技术总共检查出4处预埋构件发生偏位，并且检查出遗漏了12处预埋构件。除此之外，还可以应用BIM技术碰撞检测钢结构桥梁工程的主拱肋、副拱肋。

3.3 BIM技术在加工制造及预拼装中的应用

在众多BIM软件中Tekla Structures软件的钢结构深化设计能力最为突出，其在钢结构数字化生产过程的加工制造阶段同样具有明显的应用优势。以某大桥施工为例，其钢结构工程主要分为主梁钢横梁和具有复杂空间结构形式的主副拱肋系统，可以利用上述软件对主跨结构进行创建，所创建的零件应当包含完整的尺寸、材质、截面以及编号等信息。利用数控文件输出取代人工信息录入，促进数据传递精准性的进一步提高。在完成数控文件输出之后，发挥专业套料软件的优势实现套料的自动排版。在输出套料结果之后，在数控切割机中倒入排版图纸以及加工程度，以此为基础完成数控切割工作，工人进行最后的构件焊接。以往在进行复杂钢结构加工生产时，会提前在车间完成预拼装，但是在技术限制作用下难以实现一次性成功。在正式进行主跨主副拱肋系统施工之前，可以利用BIM技术关联三维模型和施工方法，在提前暴露问题的基础上对其进行妥善解决，为实际施工拼装成功率提供可靠保证。在正式施工之前，还可以应用Revit模型以及Navisworks软件完成4D虚拟施工模拟，对主要施工机械空间位置进行合理布置，还可以实现施工工序合理性以及机械位移可行性的直观分析。

3.4 BIM技术在施工进度模拟和质量管控中的应用

利用具有可视化特点的BIM三维模型，在添加时间参数之后可以进行项目4D进度模拟，也就是进行虚拟建造。有效结合BIM模型以及事先编制的施工计划，从时间维度出发，对实际进度和计划进度的符合度进行检查，为钢结构桥梁施工工序的合理性以及施工进度计划的可行性提供保障。与其他软件相比，Navisworks软件在进度模拟中具有更高的可信度，在实际操作过程应当先完成施工进度计划的编制，利用Navisworks软件中的TimeLiner进行BIM模型和施工进度计划的有效关联，以此来模拟不同施工工序的起止过程。还可以在4D模型上进一步添加成本参数完成5D信息模型的建立，为钢结构桥梁对成本进行精细化控制提供辅助作用。在实际的施工现场可以应用可视化的BIM模型使技术人员进行及时的学习查看，为整体施工管理水平的提升提供促进作用。不过，现阶段钢结构桥梁项目的BIM模型会占据较大的把内存空间，应当注重BIM轻量化软件的开发和应用，使施工人员可以利用手机等移动终端设备更加方便的浏览BIM模型，在提高施工过程沟通效率和质量的基础上，提升施工质量。

3.5 BIM技术在工程量统计中的应用

以往在统计工程量时主要通过手工对图算量以及在算量软件中建立模型等方式，存在工作量大、差异大以及成本投入较高等劣势。应用BIM三维模型进行工程量的信息化和自动化统计，在进行BIM三维模型建立时将材料信息同步输入，并且开展参数化设计，就能够利用BIM软件对工程量进行自动统计。面对设计方案大修改的情况，同样可以利用参数化设计以及关联性功能实时同步修改BIM三维模型，在这一过程也可以实现同步更新工程量明细表。

3.6 BIM技术、3D打印技术的联合应用及BIM协同管理平台

3D打印技术在建筑领域的应用范围也在不断扩大，其主要属于一种快速打印成型技术，利用塑料等粘合材料等进行逐层打印，以此来完成目标三维实体的构造。钢结构桥梁项目在应用BIM技术的同时，可以配合应用3D打印技术。以某大桥项目为例，其主要应用BIM三维模型以及3D打印技术打印具有直观立体性的沙盘模型，为施工技术交底、施工机械现场布置等模拟演练提供巨大的辅助作用，提前暴露和解决实际施工问题，为实际的施工管理提供可靠指导。为了对钢结构桥梁项目施工以及后期运维进行良好管理，可以搭建集合了门户、知识、项目、流程和协作等业务的BIM协同管理平台。

4 结语

综上所述，BIM技术的应用可以明显改善钢结构桥梁项目存在的一系列问题，为节点精细设计提供助力、提前对构件空间位置进行碰撞检查，实现设计质量、设计效率、施工质量的提高以及施工成本的降低，为钢结构桥梁充分发挥自身功能提供保证。BIM技术在钢结构桥梁中的应用主要体现在钢结构桥梁精细化设计中的应用、在设计问题审查中的应用、在加工制造及预拼装中的应用、在施工进度模拟和质量管控中的应用、在工程量统计中的应用，同时还可以联合应用BIM技术以及3D打印技术进一步提升工程效益。