BIM技术在装配式桥梁工程中的作用

李 莉

(山西路桥建设集团有限公司，山西 太原 030006)

1 工程概况

某快速干道第一标段总长4.2 km左右，其所有主路均采用高架的方式，标准宽度与跨径分别为25、30 m，为尽可能减少工程建设给附近居民、既有交通与城市环境造成的影响，绝大多数上部结构都为预制装配式结构，包括桩基、墩柱、盖梁和小箱梁。但由于该桥梁工程的工程数量巨大，采用传统生产方式根本无法满足需求，这就需要引入BIM技术为生产提供必要的辅助。

2 BIM技术主要特点

BIM主要有五大特点，分别为可视化、协调性、模拟性、优化性与可出图性。

1)可视化就是所谓的所见即所得，从建筑行业角度讲，可视化这一特点具有巨大的作用，比如传统的施工图纸仅能采用线条的形式对各构件信息进行表达，其真正构造往往需要从业人员自身去理解和想象。而在引入BIM技术后，可以提供一个全新的思路，即可视化，将抽象地采用线条表达的构件变为三维立体实物，使建筑业也能用到效果图。然而，设计专业提供的效果图并不包含除颜色、大小与位置以外的信息，使构件之间缺乏反馈性与互动性。但BIM具有的可视化可以使不同构件之间实现良好的反馈与互动，因全过程均为可视化，所以可视化结果除了能用效果图进行展示或直接生成相应的报表外，还能使项目的规划设计及建造运营的整个过程都处在可视化状态之下。

2)协调对建筑专业而言是一个重要内容，无论施工方还是业主方或设计方，无时无刻不在进行着协调工作。如果项目实施时出现问题，需要将所有相关人员集合到一起召开协调会，在明确问题产生原因的基础上，探讨针对性的解决方法，然后根据解决方案作出相应的变更，通过一些补救措施从根本上解决实际问题。项目设计过程中，经常由于不同专业缺乏沟通导致各种各样的碰撞问题发生。比如暖通专业在布置管道的过程中，因施工图纸都是在自己专业图纸上直接绘制的，所以在实际施工时可能在管线布置过程中遇到阻碍，这种碰撞问题大多只能在发生以后才可以解决。而BIM由于可提供协调性服务，所以能从根本上防止此类问题的发生，借助BIM能在项目建造前期针对所有专业存在的碰撞予以协调，得到协调数据，同时将其提供出来。此外，BIM具有的协调功能并非单纯用来解决专业碰撞的，还能解决其他方面的协调问题，如电梯井布置和其他设计布置在净空要求方面的协调、防火分区布置和其他设计布置之间的协调、地下排水布置和其他设计布置之间的协调。

3)BIM的模拟性并非只能对建筑物模型进行模拟设计，而是能模拟所有现实中无法操作的事物。在项目设计过程中，采用BIM技术能对设计中所有需要模拟的开展模拟实验，比如对节能效果进行模拟、对紧急疏散进行模拟、对日照分布进行模拟、对热能传导进行模拟；在项目招投标及施工过程中，由于BIM技术具有4D模拟功能，所以能将施组设计作为依据对实际施工进行模拟，进而确定最佳的施工方案为实际施工过程提供指导。另外，在5D模拟功能的支持下，还能对工程的施工成本予以严格控制；在项目的后期运营过程中，还能对日常各类紧急情况进行的处理过程进行模拟，比如对地震发生时人员逃生进行模拟和火灾发生时对人员疏散进行模拟等。

4)优化体现在从设计到运营的整个过程当中，所以优化必然与BIM之间有实质性联系，采用BIM技术可以实现更好的优化。优化往往会受到以下三方面因素的影响及限制：时间、信息与复杂程度。如果信息不足或不准确，则将无法得出理想的优化成果，采用BIM模型可以提供各类真实信息，如规则信息、几何信息与物理信息等，此外还能提供后续变化对应的信息。另外，如果复杂程度很高，单纯依靠个人能力难以掌握各类信息，需借助很多科学技术才能完成。对于现代建筑物，其复杂程度已经远远超过人员自身能力，针对这种实际情况，采用BIM与其各类优化工具可能使复杂项目优化成为可能。

5)可出图性是指采用BIM模型除了可以绘制传统图纸(如建筑设计图纸与构件加工图纸等)，还能在以上BIM各项特点的支持下提供不同专业的图纸及其深化成果，从而使对工程项目的表达更为详尽。

BIM具有的以上特点使其十分适用于当下流行的装配式桥梁，能解决很多装配式桥梁设计建造存在的问题，为装配式桥梁建造参与人员提供极大的帮助，BIM在装配式桥梁工程中具有的作用主要体现在以下方面。

3 BIM具体作用

建筑工业化的实行从根本上改变了以往的建筑建设方式，采用BIM作为载体，可以对三维空间技术进行应用，使工程的设计与施工真正实现一体化。另外，通过对BIM和不同部门自身需求之间的一一对应，能从本质上提高工作效率。

3.1 为图纸会审提供帮助

在工程施工中，图纸会审是一个重要环节，要在施工开始前审阅并纠正图纸内容，针对图纸所有偏差及施工工艺与设计部门之间进行沟通，以反馈自己的意见。在过去，图纸会审往往需要投入很多人力进行图纸研究，某些复杂程度较高的工艺，其二维图纸十分抽象，这无疑给实际工作带来了很大困难，尤其是大型工程，由于工程节点跨度大、精度高，所以图纸数量大幅增加，导致图纸会审人员承担着巨大的压力。而在引入BIM技术以后，能使二维图纸变成三维模型，对构件结构与内部构件信息予以直观展现，并通过与各类分析软件之间的结合，还能对更详细的内容予以分析，如钢筋结构分析、构件工程量分析和构件之间实际受力情况的分析，具体表现在以下三个方面。

1)钢筋结构分析。对误差进行的控制往往贯穿整个工程建设过程，尤其是装配式桥梁，因为它的所有构件均预先在预制场中进行加工，然后运输到现场通过拼装成型，相较于现浇桥梁，虽然建造速度更快，不会给既有交通造成太大影响，而且能耗水平低，但因为构件具有的固定性，会使施工现场基本不能进行调节。对此，图纸会审过程中必须做好钢筋结构分析，以保证现场施工得以顺利完成。过去的方法为根据三视图由人工进行自主判断，该方法严重缺乏科学性与严谨性，仅仅可以在概论的层次上阐述问题，并且整个工程包含大量图纸，采用这种方法根本无法实现全部纠察。而若能借助Navisworks来分析，通过对误差值的预设，可以将设计层面的失误限制到毫米级，进而为将来的技术交底工作提供良好的参考依据。

2)清单量核查。该桥梁建设需要用到大量钢结构构件，而且结构复杂程度很高，要对其工程量予以复核，依靠BIM模型对钢结构进行分析，能快速且准确地完成工程量提取，降低人员劳动强度，同时还能消除人员计算失误等原因对清单量结果造成的影响。另外，一些支撑体系所用钢结构并未在图纸中明确给出，需自行完成设计与工程量统计。采用传统方法借助CAD进行二维图纸的绘制，为不同部位构件实施标号，再通过对标号数量的准确统计方可实现清单量统计；借助BIM技术可以直接进行三维建模，在此基础上利用软件还能对工程量进行自动分析，以此大幅提高工作效率。

3)有限元分析。在实际的工程建设中，需要为盖梁设置临时钢支撑，并在施工完成后将其拆除，但钢支撑使用何种形式及其结构受力都未能在图纸中明确给出，为确保施工安全，必须在图纸会审过程中确定钢支撑结构受力是否合理。过去的方法为通过庞杂的运算进行推断，这需要不同专业之间高度配合才能完成，不仅投入大，而且周期冗长，即便算出最终结果，也有可能因为人为失误而有很大的误差。采用数学分析法可以分析真实物理系统，并利用Midas将混凝土的强度等级和立柱高度等基本信息录入后，可直接推导出结构达到平衡的条件，进而为之后的方案制定提供可靠依据。

3.2 为施工交底提供辅助

对于装配式桥梁，其核心在于构件的预制与拼装，为确保构件现场拼装施工可以顺利完成，在预制加工过程中，对精度的要求往往远高于现浇桥梁，并且施工工艺也更加新颖，可参考借鉴的资料不多，加之缺乏专业人员，所以施工交底就显得十分重要。过去的施工交底大多采用文字叙述和二维图形相结合的方式，但因现场作业有极高的复杂性且作业人员自身专业水平往往较低，所以交底效果并不理想，人员很难理解，要想达到理想的效果，需要花费很长的时间。而由于BIM技术具有可视化特点，加上3D打印与虚拟现实等一系列高新技术的加持，可以对从最初的构件预制到现场拼装，再到整个流程进行模拟，并能突出显示其中的难点与要点，帮助人员理解，降低交底难度，采用3D打印技术制得的等比例缩小模型可以帮助人员清晰地了解到桥梁具体构造。

3.3 更好地实现方案优化

BIM还能在工程的设计阶段使用，通过分析实现优化，保证设计成果可操作性。如前所述，装配式桥梁采用的是新型施工工艺，其规范还不够完善，导致设计经常出现可操作性差的问题，进而使返工量大幅增加，直接影响进度。而BIM的应用则能从本质上解决因设计冲突或可操作性检测产生的问题，并能实现多方沟通与分析。在“设计-检测-再设计”这一循环机制下，能及时发现并消除设计存在的错误或忽略，起到减少返工的作用。就目前来看，BIM不仅是一个工具，而且是保证设计质量的举措，使设计成果有良好可操作性，确保后续施工得以顺利完成。另外，采用整合设计的方法，使不同专业之间的协作从初期设计阶段就开始进行，而且整个过程基本不需要人员的参与和管理，由中心数据库即可实现，使设计过程中的沟通变得显而易见。

基于BIM的设计阶段方案优化主要体现在以下两个方面。

1)场地布置优化。在项目初期开展场地布置的过程中，采用BIM技术进行三维建模，然后由管理人员通过开会审定，所有修改意见都可以在模型中实现，真正实现了所见即所得。另外，在场地漫游技术帮助下，使管理人员直观感受项目建成后效果。不同专业之间分工合作，以相同的中心文件为核心开展工作，使设计达到前所未有的高效性。定稿之后，可直接将三维图纸输出为施工图，由现场作业人员按图施工。

2)模板深化设计。装配式桥梁建设过程中，构件预制是一个重要环节，要想保证预制质量，保证模板精度与强度是前提。对预制构件的模板进行设计的过程中，为了使合模之后形成的模板体系有良好严密性，需要在模板外侧按照500 mm的间隔距离安装龙骨，相邻两个龙骨之间采用螺栓相连，施工中可通过调整螺栓控制模板之间缝隙的大小，以此满足构件预制精度要求。然而，通过实际生产可知，因龙骨多次使用难免产生磨损和变形，导致在合模以后产生很大的缝隙。对此，利用BIM技术开展结构受力分析后，决定在龙骨的安装位置额外增设一个钢块，这样可有效增强龙骨耐受力。

3.4 对施工工序进行动态模拟

该工程承台开挖方式为放坡开挖，通过BIM技术的应用，能对其整个施工过程及最终的成果予以虚拟化，进而避免由于对施工工艺的掌握不到位产生的边坡塌方等问题，在减少资源消耗的同时，降低安全风险。基于BIM的工序模拟，还能确定最佳工序与方案，使有限的时间与资源都达到最优配置，预先发现现场施工时可能产生的问题，并制定针对性的解决措施。无论方案多么复杂，只要采用三维模型的方式呈现，都能变得通俗易懂，帮助施工人员及管理人员掌握每一道工序。

3.5 有利于施工方案的比选

对于现浇桥梁，其所有构件均在现场浇筑而成，但装配式桥梁涉及到从预制厂到现场的流程，构件的吊装贯穿在整个工程建设过程当中，对构件吊装过程予以优化，选择合适

的吊装工具，明确吊装步骤，对保证工程质量、成本与进度而言都极为重要。因该桥梁有很多匝道，所以和匝道之间衔接的部位需进行加宽处理，若选择固定形式的机械进行吊装，则在加宽段需要进行机械的拆除，由此产生一部分拆除费用，使该方案在前期初审过程中就被弃用；而采用龙门吊与履带吊这两套方案，并没有太大的实质性差距。对此，可利用BIM技术对这两套方案进行综合分析，以此为最终方案的选择提供科学的参考依据。

4 结 论

在装配式桥梁建设过程中引入BIM技术可以从根本上解决很多项目生产时产生的问题，由于BIM技术具有可视化特点，所以能减少人为误差，为工程快速、安全且高质量的建设提供极大帮助。在虚拟现实和3D打印等诸多高新技术的加持下，还能解决施工交底方面的难题，降低人员对交底内容的理解难度，使交底发挥出应有的效果。另外，由于BIM还能实现施工模拟，所以可帮助工程决策人员更好地整理思路，在诸多方案之中选出最佳的方案，这对实现精细化管理有重要现实意义。

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