BIM技术在桥梁工程全生命周期的实施路径研究

马润平 刘 杰

(中铁大桥勘测设计院集团有限公司 武汉 430050)

自2013年以来，建筑信息模型(building information modeling，BIM)[1-2]技术在铁路行业推进力度大、速度快，成效显著。铁路BIM联盟先后发布了《铁路工程实体结构结构分解指南》(下文简称EBS标准)、《铁路工程信息模型分类和编码标准》(下文简称IFD标准)、《铁路工程信息模型数据存储标准》(下文简称IFC标准)、《铁路工程信息模型交付精度标准》，并且被BuildingSMART国际组织接受为会员，同意将铁路IFC标准国际化并发布[3]。在开展基础性工作的同时，在全国选择了共17个试点进行研究。沪通长江大桥作为桥梁专业的试点于2015年1月启动以来，在设计、施工、运维阶段进行了探索与研究。本文根据沪通长江大桥主桥BIM实施经验，从设计、施工、运营维护等角度提出了桥梁工程领域BIM技术实施路径。

1 全生命周期各阶段的BIM应用

1.1 设计阶段BIM应用

依照行业特点，铁路桥梁的全生命周期可分为设计、施工、运营维护3个阶段。BIM技术在设计阶段的应用可分为两类：①试点初期采用翻模方法建立BIM模型，即先有设计院交付的施工图，再以图纸为依据建立BIM模型；②应用BIM软件进行正向设计，即在没有图纸的情况下由设计人员按照设计理念直接建立BIM模型，并由模型生成可以交付的施工图。

1.1.1翻模建立BIM模型

翻模方式(先有图纸，后有BIM模型)是应用BIM技术初期必然经历的阶段。对于设计领域的思维、流程、业务等改变很小。因为一般是以小组的方式小范围、试验性地开展；主力设计人员的参与度不是太高；由于施工图已经交付、设计的主要工作已经完成，该方式能够产生的直接价值相对较小，更多的是附加的间接价值，而且对工程建设仅是辅助性指导，无法渗透到工程项目的深处。翻模方式的BIM应用点主要有：碰撞检查、工程量统计、局部复杂部位的设计优化和出图、与有限元软件的结合等。

碰撞检查是BIM模型的固有优势，二维设计时未发现的空间几何冲突在BIM模型中将逐一呈现。对于桥梁工程来说，此应用更加适用于钢结构桥梁，钢结构桥梁的设计精度高，设计时必须考虑空间上的冲突，如果在BIM模型中发现碰撞，则必须对设计图纸进行修改。而对于混凝土桥梁，碰撞检查的应用价值较低。混凝土桥梁设计时一般为整体上原则性、关键性考虑，施工的实际情况和设计总会有或大或小的差异，因此目前混凝土桥梁的设计方法与BIM技术的要求有较大差距。

工程量统计也是BIM模型的固有优势，只要模型精度满足要求，工程量即可快速便捷获得，其便捷性要远高于传统二维设计。以钢结构桥梁为例，BIM模型的精度与施工图的精度一致，在统计高强螺栓数量时，可以按照直径、长度分类统计，其效率和精度要大大于传统设计。

局部复杂结构深化设计是将复杂的空间特性显著的部位进行BIM建模，利用几何体的空间关系通过布尔运算完成真实的三维模型，由模型来绘制二维的图纸。其降低了平面设计时对大脑的空间想象能力的要求和依赖，实现了所见即所得；提高了设计的准确性和精度，降低了出错的概率；该部位的错漏碰缺可以一次性彻底解决。

更深一级的BIM应用会涉及BIM模型与有限元计算的结合，即由BIM模型转到有限元软件或由有限元软件转到BIM模型。作为研究其技术路径是畅通的，但是到具体应用环节还有较多问题需要系统性解决。如混凝土结构BIM模型可以转为实体单元进行加载和计算，但是如果混凝土箱梁结构转化为梁单元进行成桥分析就需要一系列假定并补充分析需要的若干信息，如横隔梁需转为集中力，加入施工阶段划分、运营工况等信息。对于钢结构而言，BIM模型转化为实体、板壳、梁单元都需要对螺栓连接进行简化处理，除非是专门研究螺栓的受力，通常情况下是需要将螺栓甚至全部连接细节忽略进行简化处理。也就是说力学模型和目前BIM模型是2个有一定交集但又各自独立的子集。

1.1.2BIM正向设计

设计人员采用BIM技术进行正向设计(即设计人员直接建立BIM模型，后生成图纸)，更符合BIM理念，也是设计阶段BIM应用努力的目标。但是目前尚不完全具备条件，其原因主要是缺乏与专业结合紧密的BIM建模软件，就目前情况而言，业内使用较多的软件还需要一段时间与铁路各专业融合。软件不仅需要建立几何外形一致的模型，还需要采用与各专业相一致的做法，需将专业的理念植入软件。如线路专业需要从线路中心线的建立入手，中心线上的构造物与线路中心线要有一定的关联。如桥梁专业至少能够快速建立BIM模型，解决建模效率的问题。

设计阶段BIM技术应用是建立与设计阶段相适应的不同精度等级的模型，LOD100(概念设计精度)到LOD300(施工图设计精度)的模型都应有。关注低等级的BIM模型的应用是实现BIM在设计阶段应用的关键，在不同的设计阶段采用不同的精度等级的BIM模型，而且高等级的BIM模型应由低等级的BIM模型继承而来，不应是重新建模。从低等级模型到高等级模型，是设计工作不断推进的过程，是设计信息逐步完善的过程，不只是单一的几何属性。

1.2 施工阶段BIM应用

施工阶段的BIM应用归纳起来有可视化交底、实时进度展示管理和控制、工程量详细统计等。基于BIM技术的可视化技术交底比传统以二维图纸为基础的交底更加形象直观，降低了由图纸想象三维模型的难度。同时通过将BIM模型构件与图纸相匹配关联，可以快速准确读懂图纸。对于工班组中的一线工人来说，显得尤为适用。结合BIM模型可以将特定施工工艺制作成视频，快速传递到一线操作人员，供反复观看。可视化技术交底具有快速、准确、高效的优点，是施工阶段的重要应用点。

项目进度是建造期间的关键内容，合理的施工进度对保证工期、质量和成本有直接的影响。进度的安排需综合考虑多种因素，将BIM技术应用到进度的实时展示，再进一步实现对进度的管理和控制，促进传统管理的变革。BIM模型各构件与时间关联，即可以展示进度计划和实时进度，而对于进度进行管理和控制则需要成本等信息[4]。

精细化工程量的统计也是施工阶段的重要应用。随着模型等级的提高，其精细度有了进一步提升，用模型统计出来的工程量将更为准确，可以按照不同分类标准进行分类，便于施工组织。以沪通长江大桥钢桁梁为例，钢板厚度从8～50 mm不等，型号多达几十种，通过BIM模型就可以方便快捷地根据厚度和材质对钢结构进行分类，方便钢梁厂进行物料管理。

1.3 运营维护阶段BIM应用

相对建筑行业运营维护阶段的应用有空间管理、设施管理、应急管理、节能管理等应用点，桥梁结构在运营阶段管理的内容侧重于保障桥梁功能的正常运行。因此，鉴于这些特点，桥梁运营维护期间，BIM模型会随着时间的推移不断添加日常维修养护信息及健康监测信息，从而形成具有运营阶段信息的BIM模型，考虑到运营维护阶段维持百年左右，运营维护阶段的信息量将非常庞大，海量数据的处理将十分关键。

通过BIM技术的使用，设计、施工阶段的有价值信息得以延续到运营维护阶段，可为管理部门提供维修养护的支撑数据，如构件的尺寸、材质、母材的出厂信息、制造的参数、施工的记录等。这些集中存放的信息将会为构件的保养、维修、更换提供支持。

健康监测系统近10年在大型和特大型桥梁上布置得比较多。测量加速度、位移、应变、温度等的测点按照设定的采样频率源源不断地向系统数据中心推送海量数据，通过对数据的过滤、处理、分析推断结构的安全健康状态。对于数据的挖掘做进一步深入研究，可使健康监测系统发挥更加重要的作用。将健康监测系统与BIM模型结合，将具有分类和编号的测点模型作为BIM模型的一类对象(构件)，这些对象具有随时间不断增长的数据信息，根据单一测点随时间变化的规律及不同测点数据之间相互关联的变化甄别结构的状态变化，智能及半智能判断结构的损伤、劣化情况，形成数字化的管养基础，是运营维护阶段BIM应用的发展方向。

2 各阶段应用中需要攻克的关键技术

目前桥梁工程中BIM技术应用还处于起步阶段，仍然不成熟，需要攻克以下关键技术。

2.1 设计阶段BIM技术应用

目前在用的BIM软件以国外软件为主流，而且与铁路行业各专业特性有一定距离。因此，推广BIM技术关键是各专业打造出符合设计流程、设计理念的本土化软件。需要解决专业特点、协同设计、成图、集成交付等方面的问题。

2.1.1BIM软件中体现专业特性

按照铁路项目的工程实体，分层级进行构筑物建模。如1条铁路线从线路中心线入手在中心线上附着路基、站场、桥梁、隧道等建筑物，线上建筑物与中心线有关联，中心线发生变化其上建筑物也随之按照专业规范变化。所有构筑物的划分必须符合铁路工程实体分解和编码。

以桥梁专业为例，在设计时以线路总体为依据设计桥梁结构，这一点与现行的设计习惯是一致的，而目前的BIM建模还不能实现桥梁与线路中心线的联动，在线路变化时需要人工干预将桥梁结构移动到变化后的线路中心线上。铁路桁架梁是由若干杆件组成的杆件体系，首先设计的是桁架梁的系统线，即由杆件的中心线组成的空间网格，其次是设计各杆件的断面，此时可以进行受力分析确定系统线和杆件断面是否合理，之后再进行杆件间的连接设计，各杆件在交汇处做切割处理，用节点板和螺栓进行连接。即LOD200(初步设计精度)和LOD300(施工图设计精度)的阶段，目前一般是直接建LOD300的模型，未经过LOD200环节，因此设计的思路还没有很好地体现。如要体现设计环节的应用并消除在设计推广的障碍，设计本土化、专业化的BIM软件是唯一出路，软件至少要能够符合铁路BIM联盟已经发布的IFD和IFC标准，最好能逐步纳入相关专业的设计理念。

2.1.2钢结构桥梁设计的特殊性

钢结构桥梁跨度大，在重力场作用下，梁会受弯下挠，为了保证线路的平顺，设计时会设置预拱度。当消除重力场的作用时(结构的无应力状态)结构是上拱的，上拱的量值因跨度、结构形式不同而不同，一般在几十至几百毫米的量级范围。当实际架设时，结构在重力作用下预拱度会和挠度变形相抵消，保证了结构在实际运行时的平顺性。即结构的无应力状态(制造尺寸)与成桥状态在外形和构件尺寸上是有差异的。如果要考虑设计模型向制造模型交付，在建立模型时需按照结构的无应力状态来建立，按照无应力状态建立的模型放置到整体模型中，几何关系是不吻合的。如何克服这一问题，目前还未有很好的办法，最为有效的方法还是寄希望于BIM软件能够显示成桥重力场作用下的几何外形和用于制造的BIM模型[5]。

2.2 施工制造阶段BIM技术应用关键

1) 设计阶段的模型应能直接用于制造，尺寸准确。如在钢桁梁的设计中，为了设置预拱度，其上弦杆的无应力尺寸(即制造尺寸)要比成桥状态(即受力状态)长19 mm，BIM模型应是按照无应力尺寸建立，否则就无法应用于钢梁制造。

2) 钢结构桥梁构件由钢板组成，根据不同板材、不同厚度进行下料时，智能化进行套料。但是在套料时，各板件的外形不是BIM模型中的外形尺寸，而需要增加切割余量，此余量包含焊接收缩、切割边打磨的量值。而切割余量的影响因素过多，目前尚需人工添加，无法实现智能化自动添加。

3) BIM模型中建立的焊缝在与焊接机器的信息传递方面尚有技术难题需要解决。

4) 制造完成的构件(即出厂构件)与设计理想状态存在误差。可以通过三维摄影或激光扫描等技术手段建立由点云组成的构件三维模型，然后将此点云模型和制造BIM模型进行比较得出，这是实现虚拟拼装的基础。在建立出厂构件的三维模型时，需要在精度和效率方面改进，并且还需要专用的虚拟拼装分析软件，因为虚拟拼装是带误差的拼装，不能严格地几何对齐和保持严格的相对关系。比如容许施加一定的不危害结构安全的力将构件安装到位。因此需要能够实现误差状态下安装的专用软件。

施工阶段的BIM技术应用是将施工过程中的信息随着时间的推移对设计BIM模型进行不断的补充，形成具有施工信息的LOD400(建造阶段精度)级BIM模型。施工信息是施工建设业务信息化与BIM模型的结合，信息是伴随施工工作推进自动形成的，而非为了BIM工作而单独准备的数据。施工工作的信息化是完成BIM在施工阶段实质应用的前提。比如施工中各工序卡控的环节、施工日志的信息均可以作为BIM在施工阶段的信息加以存储，需要有共同认可的格式。以达索和BENTLY软件的BIM实施路径看，建模软件是其中的一部分，更为重要的是协同设计的平台软件如ENOVIA和ProjectWise，可是这2个能够将数据融合的平台在实际应用中还无法和工程实际相结合，其中主要原因是我国工程建设模式和管理方式和国外有较大差异。BIM技术在应用中还存在瓶颈，缺乏协同平台。

2.3 运营维护阶段BIM技术应用关键

目前运营维护阶段的BIM应用以健康监测系统为主，通过在结构上布设各类元件，如测加速度、挠度、应变、温度等元件，将采集的各类测点的元件信号转化为所表征的数据。通过对数据的处理、转换、分析，分析结构状态的变化、判断结构安全状况。健康监测所获得有价值的数据作为BIM在运营维护阶段的信息，不断完善补充BIM模型信息。健康监测系统与运营维护的具体业务相结合，逐步向数字化管养发展。健康监测系统获得的数据可以分析变化规律，揭示结构受力变化，较人为间断观测有明显的优势，更容易发现问题利于预防。

但是目前健康监测仍存在需要解决的难点：①元件布置以反应结构的总体状况为目标，监测结构局部发生的变化有难度。如构件上发生的裂纹，连接的损伤等，难以准确反应；②元件工作受外部环境影响，稳定性、可靠性不足，导致数据不连续、不稳定；③大数据分析手段尚未发挥作用，原始数据反映有价值的内容有限，需要进行数据处理，如小波变换等；④健康监测的理论与实践未成熟，因此需要一套坚实的理论去支撑，以此指导目前的元件布设原则，使系统的布置更合理，更有针对性。

3 贯通三阶段BIM信息

BIM模型中信息贯穿生命周期各阶段才能实现BIM价值的最大化。将设计、施工、运营维护三阶段数据进行传递、延续和利用，是BIM的核心理念。

1) 需要有各阶段BIM模型和信息结构化及存放的标准，这样各阶段产生的信息，才能按照公共遵守的格式存储，也只有这样才能保证其他阶段、其他软件将数据准确方便识别并加以应用。通过基础理论研究制定的相关标准是各阶段模型、业务数据化的准则，是数据传递应用的基础和前提。

2) 需要支持所开展应用的基础性数据平台，将各阶段所开展的业务形成数据化的信息存放于基础性数据库中，可以供后续阶段其他应用来获取必需的信息以便开展自身的业务。数据平台的建设不是简单地建立一个数据库,而是与特定的软件系统相关联,各阶段的业务通过平台来进行，伴随业务完成，生成的是基础性数据库，库中的信息可以供其他平台来调用。各种应用(平台)构建在基础性数据库之上，数据是应用的支承。

3) 需要各阶段的平台建设，设计阶段根据不同的设计类型应用若干的平台完成相关的设计，如钢结构桥梁BIM设计软件、混凝土结构BIM桥梁设计软件、桥梁下部结构BIM设计软件等。所有的设计最终成果是符合标准的数据库。施工阶段应用围绕施工业务以设计阶段形成的数据库中的信息搭建，施工业务的开展丰富了设计BIM的信息，所增加的信息存放于标准格式的数据库中。同样运营维护阶段的应用也是以设计和施工BIM信息(基础数据库)为支撑，开展运营维护阶段的业务。运营阶段的业务也存放于基础性数据库中。

4 结语

BIM技术作为应用于桥梁工程领域的新技术，缺少成熟的经验和工具软件直接使用。需结合各专业基础理论和本土软件的持续开发。桥梁工程领域BIM技术的应用是系统性全局性工作，技术自身的突破尚需在国家、行业层面从规章制度方面的大力引导，集合业内各方力量共同努力。