桥梁工程全生命周期中BIM技术的研究和应用

新疆龙口一号大桥刚构桥方案

新疆龙口一号大桥拱桥方案

近年来，BIM（Building Information Modeling）技术在公路建设和养护中开始受到广泛重视并开始试点应用。与建筑、市政、铁路领域相比，公路领域开展BIM研究和应用较晚，但是发展势头迅猛。2014年，中交集团立项特大科研项目，组织集团重点企业进行技术攻关。BIM技术在项目上的应用，已经从最初的重点集中于规划设计阶段的方案展示、碰撞检查、三维模型制作，逐步发展到施工进度、质量管理和成本管理，再到运维阶段的建养一体化管养平台，逐步展示出通过BIM技术手段在工程全生命周期实现信息传递、共享、使用带来的巨大效益。

中交公路规划设计院有限公司（简称“中交公规院”）与公路长大桥建设国家工程研究中心依托重点桥梁项目，对BIM技术在工程全生命周期中进行了研究和应用，目前已形成一整套应用流程。

规划设计阶段BIM技术应用

地形地质模型及结构模型

桥梁规划设计阶段，主要工作在于建立桥址处及道路沿线地形和地质模型，以及桥梁结构模型。首先是建立地形模型，目前实现获取地形模型所需图像信息的方式主要有卫星图片、航拍、无人机拍摄、激光扫描等。卫星图片是最容易获取的信息，但是因卫星图片精度的限制（目前，民用卫星图片精度是平面精度10米、垂直精度5米），这样形成的地形模型精度无法达到工程要求。航拍、无人机拍照、激光扫描，在精度上都可以达到工程要求。实际应用表明，对于如基坑开挖防护等小范围地形抽模，旋翼式小型无人机即可胜任，但是如高速公路等大范围地形建模工作，大型固定翼无人机是更好的选择。

通过将工程模型与场地模型相结合，可以在投标和方案研究阶段非常直观方便地选择和优化工程方案。中交公规院完成了新疆龙口一号大桥刚构桥方案和拱桥方案的比较。

大连湾跨海大桥设计方案VR展示效果

工程的总体方案基本确定后，往往要优化结构细节，这时采用虚拟现实（VR）技术是一个很有竞争力的做法，VR技术强大的显示能力，能够让业主直观感受到设计方案的真实效果。中交公规院负责设计的大连湾跨海大桥，应业主要求对比多种倾斜角度（0度、5度、7度）的桥塔方案，采用VR技术向业主方案汇报时，直观地展示了各种倾斜角度的桥塔在车行和船行两个视角下的视觉效果，使业主迅速敲定最终设计方案。目前，该项技术同样在西江大桥等多座大桥的方案展示中得到应用。

参数化建模

参数化建模是BIM设计的趋势。通过建立土木工程结构的标准构件库（如箱梁、桥塔、墩身、基础等），可实现快速参数化建模。同时，符合规则的标准化建模方式是实现下文所述设计计算一体化的关键。标准构件库（族库）随着工程实例的增加而不断完善，最终会成为一个单位的核心竞争力之一。尤其在方案研究阶段，丰富的族库可以非常高效地完成方案比选工作。

碰撞检查

碰撞检查是BIM技术的一个突出优势，主要分几何碰撞和时间流程碰撞两类。在设计阶段主要针对的是几何碰撞，对于桥梁设计而言，主要是结构的碰撞、钢筋及预应力筋的碰撞、机电管线的碰撞。采用BIM技术正向设计，碰撞检查可以有效地发现设计中的问题，大大提高设计质量。

参数化构件信息表

族库

梁内配筋碰撞检测

设计分析一体化

工程师们在设计阶段往往会面对方案的多次修改，修改后的方案需要重新总体计算以验证合理性。此时，如果设计模型不能直接用于总体计算，而需另行建立一个总体计算模型，效率将大大下降，同时两个模型的一致性往往因为人为因素而出现错误。因此，BIM技术与结构分析软件一体化融合技术，一直是国内外软件厂商研究的热点，中交公规院希望实现用一个模型同时完成设计和总体计算工作。但由于桥梁BIM模型是实体模型，而总体计算模型是简化模型，需要将实体模型抽象成空间梁单元，并做多方面的减化考虑。因而，目前BIM技术与分析一体化融合在桥梁应用上仍存在较大难度，没有针对桥梁推出成熟的商业化应用。

BIM参数化建模脚本自动生成Osis命令流

中交公规院基于自主研发的三维非线性计算分析软件OSIS，编制了一套可参数化的命令流语言，通过修改参数来驱动桥梁模型，实现有限元模型的快速修改，以参数化的命令流为核心，完成BIM建模软件与分析软件的互通。通过参数化建模软件Dynamo提供的Python语言，将参数化脚本文件自动生成OSIS软件能够识别的命令流，从而根据BIM模型在分析软件OSIS中生成节点、截面，并添加边界条件，自动建立有限元模型，用于结构总体计算。当BIM模型修改时，有限元总体计算模型会自动修正，实现了BIM参数化建模与有限元总体计算的统一。

三维模型二维出图

由于长期以来形成的习惯，工程师们还是离不开二维图纸，如何利用三维BIM模型快速并符合一般制图规定地批量生成二维图纸，是亟需提升的关键技术之一。中交公规院依托钢桥通用图项目，基本解决了二维出图问题，除总体布置图等少量图纸，已能完成大部分二维图纸的出图。

施工阶段BIM技术应用

设计阶段生成的BIM模型与施工阶段无缝衔接，是应用BIM技术的一个重要目标。利用模型指导预制构件的生产、施工工艺的检验，并管理施工进度、质量、成本等，根据施工的实际情况修正BIM模型，最终完成用于数字化交付的施工模型。

钢构件预制和拼装

最终接头tekla模型（含舾装设备）

数控机床下料切割

中交公规院主持设计的港珠澳大桥采用桥-岛-隧形式，其中沉管隧道最终接头的设计和施工是港珠澳大桥建设中的一个关键问题。为保证最终接头的加工精度，中交公规院与振华重工合作，实现了BIM模型在设计和预制环节的无缝衔接。将用Tekla软件制作的BIM模型导入数控机床，采用自主研发软件自动进行工艺余量添加，通过半自动套料排版（该环节目前仍需人工干预），直接用于数控机床的自动化下料切割，并利用BIM三维模型自动生成钢结构深化设计详图（整体布置图、零件图、构件图和节段图等）和各种报表，以利于钢构件拼装。这一技术显著提高了新型整体预制安装式最终接头的生产效率和精确度，缩短了设计和施工整体工期，保障了最终接头的成功沉放对接。

施工管理平台

施工阶段BIM应用的关键是展示完整施工过程的BIM模型和相应的施工管理平台，可进行工程结构的虚拟施工模拟、构件管理、施工进度管理、施工质量管理及计量支付管理。通过虚拟施工模拟，在实际施工前便能了解整个项目施工的过程、结果以及对应的工程量，为实际工程项目施工提供经验和最优的可行方案。

将BIM模型附加施工进度计划属性参数，形成4D模型，从而直观展现计划建造过程，并通过手机、iPad等终端沟通施工方、监理方和管理者，通过反馈的实际施工信息分析其与进度计划的偏差，合理纠偏并调整进度计划，使管理者对工程量及进度影响一目了然。根据计划和实际进度，计算整个工程、任意WBS节点、3D施工段或构件，在任意时间范围的工程量及累计工程量，为计量支付提供工程量依据。中交公规院在铺前大桥、平塘大桥、西江大桥等项目中尝试了基于BIM的施工管理。

在结构施工完成以后，复核构件质量。根据复核结果修正BIM模型，形成一个真实反映建筑物的竣工模型和包含质量、设备、文档等信息的数据库，这些将作为施工数字化交付成果移交到运维阶段。

桥梁运维阶段评估管理流程

施工结束后交付的BIM模型中，记录了施工中的受力、变形及初始缺陷等信息，运维阶段将施工交付的BIM模型导入统一的建养一体化运维管理平台，作为初始运营监测模型，这项工作可以替代传统的运维开始阶段的零状态检测。将健康监测系统相关信息也纳入建养一体化运维管理平台，并通过巡检系统获得的桥梁实际状态结果，修正桥梁模型，通过监测系统获得的环境变量作为外荷载输入计算分析桥梁静动力，为桥梁运营状态的安全评估、预警及决策，自动提供管养方案。基于维修加固信息实时修正BIM模型以保证运维模型的长期准确性，综合各类运维信息给出桥梁的全生命周期成本评估，实现了管养的信息化、智能化、精细化。

桥梁建养一体化云平台

目前，中交公规院与公路长大桥建设国家工程研究中心建立了基于BIM的桥梁建养一体化云平台，硬件设备主要是监控大厅和桥梁云数据中心，软件系统由桥梁运维BIM模型、桥梁实时感知系统和远程传输系统、数字化巡检系统、桥梁评估及预警决策系统组成。

桥梁施工管理平台示意图

BIM模型运维阶段数据流动示意图

建养一体化云平台中，桥梁运维BIM模型通过将建设期形成的桥梁BIM模型与运维期监测系统模型相融合，形成运维期桥梁BIM模型。桥梁实时感知系统和远程传输系统，针对多灾害作用下桥梁工程发生的灾害行为及后果，采用并发采集技术和远程高效传输技术，建立多灾害实时感知与传输子系统、桥梁监测数据库系统，为感知结构响应、预测灾变行为提供数据支撑；数字化巡检系统由智能化巡检运营养护管理系统和移动端App系统组成，实现了从数据采集、养护计划、巡查检查、养护检测评定、日常养护、养护工程等的养护业务全过程的信息化管理；桥梁评估及预警决策系统利用大数据方法，分析挖掘管养数据，实现基于监测与检测数据的桥梁性能综合评估。目前，桥梁建养一体化云平台已实时监控全国20多座特大桥梁。嘉绍大桥根据监测检测数据得到刚性铰位移和应力分析的结果，与纵向位移计算结果完全吻合，证明了这套系统的有效性。

中交公规院通过自主研发和吸收引进相结合，已初步实现了BIM技术在桥梁工程全生命周期的应用，但还有很多技术难点需要攻克。未来，中交公规院将积极推动BIM正向设计，继续重点深入研究BIM技术与结构分析软件一体化融合技术、施工管理平台、建养一体化云平台等，并积极参与BIM标准规范编制，推动BIM技术在工程建设领域的广泛应用。