BIM技术在桥梁设计中的应用研究

王吉文，夏 枫

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430010）

BIM技术在桥梁设计中的应用研究

王吉文，夏 枫

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430010）

分析BIM技术的优势和应用特点，详细总结桥梁设计的基本特征和难点，从而明确了应用BIM技术对桥梁设计的改造优化。从可行性和施工图两个阶段详细总结了BIM在桥梁设计中的应用，凸显基于BIM的全寿命管理理念。

BIM；桥梁设计；全寿命；应用研究

0 引言

BIM即建筑信息模型（Building Information Model,BIM），已成为近年来整个土木工程领域发展的热门。BIM利用计算机技术采用可视化手段呈现结构立体特点，由于这种可视化的信息模型可以应用于全寿命设计的各个阶段，从而极大地改善了目前二维模型信息沟通困难、执行效率低、工作量大等问题。BIM技术最初在建筑结构领域大力发展，近年来开始广泛应用到桥梁工程、地下工程、水利工程等领域[1,2]。

BIM技术可以应用的范围非常广泛，包括最初的可视化设计、参数化建模、碰撞检查、工程量统计和成本估算，发展到现在的安全分析、施工进度设计、现场施工管理及运维管养等，可以看到BIM技术发展得更加深入和广泛[3]。桥梁结构具有构件类型多、施工环境复杂、设计施工及管养没有高度协调的特点，相关学者已经引入BIM技术解决桥梁设计、施工和运维的问题，例如复杂桥梁可视化设计、桥梁施工全过程4D设计和基于BIM的运营桥梁病害分析等方面，但还未形成系统的基于BIM的桥梁设计方法。

本文首先探讨BIM技术优势和应用特点，其次分析桥梁结构的设计特点以及BIM的应用前景，最后详细探讨了基于BIM的桥梁设计方法和应用，以期推进BIM技术在我国桥梁设计中的应用与实践。

1 BIM技术优势和应用特点

BIM是在计算机基础上，利用数字化方法，对建筑工程项目全周期（设计、施工、运营）中的信息进行建模的过程。BIM建模的整体思路是：首先进行信息识别，并把握住信息的质量要求，然后进行信息的采集、处理和利用，最后实现BIM模型的建立。BIM的实施，通过产生高质量信息数据，同时高效率地交流项目信息，必然提高建筑工程的工作质量，提高项目参与者的效率，节约材料、人力和资金，实现可持续发展。

BIM模型中的信息必须满足一定的质量要求，这是整个BIM模型发挥价值的根本，也是BIM模型质量要求的基础。BIM的应用价值体现在以下几个方面：（1）参数化。在BIM中，采用参数化建模，在各信息之间建立相关性，能够做到一次创建、多次利用，一处修改、智能联动。（2）可视化。BIM中可以做到在桥梁全生命周期中的可视化，包括桥梁结构的3D可视、施工设计方案可视、施工实际过程可视。（3）节约成本。利用BIM，可以实现各设计与施工方案之间的成本对比，进行成本估算，合理分配资源。（4）加快进度。利用BIM，可以实现各设计与施工方案之间的进度对比，进行项目进度分析，合理调整进度。（5）提高质量。在工程项目中，BIM有着广泛应用，可以进行碰撞检测、安全性分析、绿色建筑分析等，从而有效提高工程的质量。因此通过应用BIM技术平台，可以极大优化和改善现有的技术和方法。

2 桥梁设计特点与BIM应用分析

2.1 桥梁设计特点

桥梁是线形结构体系，其设计涉及大量构件，为了满足桥梁的安全要求，往往对各类构件及构件之间的连接要求较高，这使得构造更加复杂。在复杂的结构设计要求下，往往很容易出现冲突，例如配筋、连接、安装等，这些冲突对于预制安装的桥梁构件更加显著。

随着我国工业化建设的发展，越来越多的桥梁结构开始将现场浇筑施工转移到工厂预制和现场装配，从而通过工厂高效率和高质量的流水线式制造技术，保证桥梁构件的施工质量，同时极大减少了现场作业带来的资源浪费和环境污染问题。工厂预制构件在现场进行连接装配，形成结构体系。这就要求各种连接构件在设计图纸下能够很好地进行匹配连接，而一旦连接质量不能达到要求，或者出现不能连接的问题，则直接影响整个公路桥梁的建设质量。

然而，目前我国的桥梁工程设计，仍然依赖传统的二维设计图纸，通过合并不同构造图、详图和总图等检查可能的冲突及构造不合理之处。这种设计理念对工业化建造体系下的装配式桥梁施工配合效率低下，一旦在施工中发现构造冲突和不合理，只能通过修改设计图纸和现场施工调整的方式解决，造成工期拖延和不经济。综合以上分析，根据BIM技术特点，应用BIM技术对于桥梁设计具有很大的改进和促进意义。

2.2 BIM在桥梁设计中应用分析

综合分析BIM技术特点和优势，根据以上对桥梁设计特点的分析，应用BIM技术可以极大地改造和优化桥梁设计。

首先，桥梁BIM模型提供了桥梁全寿命过程的可视化信息模型，为全寿命分析与计算提供了基础，也为各种信息的沟通提供了直接载体，提高了管理效率。

其次，桥梁BIM模型为设计的合理性提供了检验标准。通过BIM模型可以对设计构造进行直观评判，有利于设计的优化，同时有利于各种设计的检错查重，提高了设计方案的实施性。

再次，桥梁BIM模型为设计材料通算、结构安全分析、施工方案拟定等都提供了基础方法，具有深远的影响和意义。

因而，需要充分利用BIM技术这一优势，将其应用于桥梁工程领域中，进一步促进该技术对桥梁设计与施工的改造，实现前沿发展。

BIM技术改造升级现有的二维图纸设计，其基本流程如图1所示。首先，通过对初始二维图纸的收集工作，获得桥梁结构的基本信息，并以此构件三维模型图；其次，通过对三维模型图的检错分析和可视化分析，确定图纸中可能存在的碰撞问题和遗漏问题，并以此进行调整修改二维图纸，这就融合了BIM技术；最后，通过上述阶段的反复调整和修改，直到不出现设计问题，完成桥梁的设计工作。

图1 基于BIM的桥梁设计优化流程

3 基于BIM的桥梁设计应用

根据BIM技术特点和桥梁设计现状，可以在桥梁设计的可行性阶段和施工图阶段应用该技术，促进桥梁设计可持续性和全寿命周期性。

3.1 可行性阶段的应用

桥梁可行性阶段主要是方案的设计，方案设计的目标就是确定桥式方案和总体的构想，如桥梁平面、断面、立面等。在可行性设计中涉及到多个方案的比选分析，往往需要较长的时间，而方案的设计精髓需要非常准确地传递给业主。这时候，BIM技术就体现了其三维可视化优势，不同桥型方案的BIM模型直接提供了设计者的构思方法，而且可以很方便地转化为立面图、平面图和断面图。另外，BIM模型实现了对所有构件的精细化建模，不仅能呈现三维信息模型的各个细节，还能实现材料的统计，节约大量时间。

图2是某拱桥初步设计方案的BIM模型，通过该BIM模型可以直观清楚地确定桥梁的空间形态和建成姿态，也可以很清楚地分析其中的设计施工难点，还可以明确桥上车辆的运营状况，这为设计方案的选择提供了很好基础。

图2 某拱桥初步设计方案的BIM模型

3.2 施工图阶段的应用

桥梁施工图阶段就是确定了初始方案后对方案进行全面完善的阶段，这个过程中需要明确桥梁的设计功能、运营要求、施工方法等，因此需要为桥梁的建设和后期管理养护提供直接的图纸参考，需要做到图纸尽可能详细准确。综合而言，施工图阶段的BIM技术应用应该体现在设计优化、施工方案拟定与优化、管理优化三个方面。

（1）设计优化

桥梁施工图设计不仅需要对主要承载力构件的尺寸、连接、截面构造等进行详细勾画，还需要对附属结构的位置、连接方法、局部构造等进行明确。这就是大量的构件放样问题。此外，桥梁结构除了作为车行系统之外，很可能布设有管道等，则需要将管道与桥梁空间位置确定，使得不出现构件的重合和重叠，降低施工操作的难度。因此，在桥梁的设计阶段，需要利用BIM模型进行检错捡漏，核查所有的设计标准，确保连续性，保证各种构件的设计位置匹配，不出现冲突问题。

由于施工图设计阶段涉及到很多构件，一旦发生设计问题，如果采用传统的二维图纸设计，则需要进行大量的修改工作，且往往顾此失彼。采用BIM模型后，相关更改直接在BIM模型中进行修改，对应的桥梁立面、断面、平面、局部构造等图纸直接进行更改，且材料用量等也随着自适应更改，极大地提高了设计效率。这一技术在建筑领域有非常显著的效益，据统计，77%的企业遭遇因图纸不清或混乱而造成项目的投资损失，其中有10%的企业认为该损失可达项目建造投资的10%以上，43%的施工企业遭遇过招标图纸中存在重大错误，改正成本超过100万元。因此可以预见，利用BIM技术进行桥梁施工图深化核对，可以减少因为图纸信息不明确造成的施工错误。

（2）施工方案拟定与优化

BIM模型提供全三维的桥梁信息模型，由于桥梁结构状态与施工方法直接对应，不同施工工法所形成的桥梁状态和结构构造、配筋等均不相同，因此桥梁施工过程非常重要。依据BIM模型，可以很方便地模拟桥梁的施工过程，这种施工过程也是非常直观的。如果把这种施工过程直接传递到有限元模型进行结构安全性分析，则可以非常简便地比较不同施工工法下的桥梁状态差异性和施工组织复杂性，这就为桥梁施工方案的拟定提供了直接基础，还可以基于现有的施工方案进行优化，提高工作效率和质量。

（3）管理优化

桥梁BIM技术的核心是提供了桥梁全寿命决策的基础模型，因此在设计阶段就提供了施工和运营阶段的所有信息，为管理提供了优化基础。首先，提供了施工组织方法。BIM技术使得各种桥梁信息都能够动态地呈现，因此可以通过建模模拟，确定合理的工种作业区间划分，从而确定最适宜的人、机、料分配，优化施工组织过程，形成资源的优化分配，提高施工效率。其次，提供了成本、进度和质量管理方法。桥梁施工中所涉及到的原材料、施工机械设备使用费、工人工资和施工管理发生的费用等通过BIM模型可以实现精确计算，相应的施工工期也能很方便确定。最后，提供了管理和养护的优化方法，基于BIM技术可以确定管理养护周期，每次养护重点，实现全方位覆盖。

4 结语

BIM技术是目前土木工程领域的革新技术，有望改善桥梁设计效率和全寿命管理方法。论文探讨了BIM技术特征和应用特点，并分析了桥梁设计特点，从而明确了BIM在桥梁设计中的应用前景和方向，从可行性和施工图阶段详细总结了BIM技术的应用方法，以期促进BIM在桥梁领域的应用和发展。

[1]隋振国,马锦明,陈东,等.BIM技术在土木工程施工领域的应用进展[J].施工技术,2013,42(S2):161-165.

[2]李红学,郭红领,高岩,等.基于 BIM的桥梁工程设计与施工优化研究[J].工程管理学报,2012(6):48-52.

[3]郑国勤,邱奎宁.BIM国内外标准综述 [J].土木建筑工程信息技术,2012(1):32-34.

U442.5

B

1009-7716（2017）10-0078-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.10.022

2017-04-17

王吉文（1980-），男，湖南邵阳人，工程师，从事市政路桥设计工作。