基于BIM的桥梁数字化建造技术研究*

卫少阳，严超群，张俊娟

（杨凌职业技术学院 交通与测绘工程分院，陕西 杨凌 712100）

BIM作为一种全新的数字化理念和技术，最初仅仅把“BIM”作为具备信息储存载体功能的3D计算机辅助设计的进一步升级。随着认识的进一步深入，目前BIM定义不局限于软件升级，而是作为一个“模拟建造与运营过程的数字工程信息技术”。

近年来，国家相关部门高度重视BIM技术在工程建设项目中的推广应用。交通运输部办公厅于2017年先后印发了《关于开展公路BIM技术应用示范工程建设的通知》《关于推进公路水运工程应用BIM技术的指导意见》两个政策支持文件，明确将研发BIM技术基础平台作为交通行业企业发展的长期战略性目标任务。可以看出，在公路工程领域的应用BIM技术势在必行，且随着应用的不断深入，将给公路工程行业带来革命性的变化。

1 交通土建领域BIM应用特点

BIM技术缘起于传统建筑领域，但由于交通土建的带状分布特点，其在工程数据规模、应用点、外部制约因素等方面还有诸多不同于传统建筑领域的地方[1]。

（1）与传统建筑BIM应用比较，交通土建领域BIM的工程数据规模巨大，量级上明显大于传统建筑。以公路工程为例，“工程对象”涵盖了路线、路基、路面、桥梁、涵洞、隧道、交通安全工程以及配套机电工程等，将其中任一单独对象按应用最小粒度分解，其中的工程数据规模将是海量，如图1所示。相比于建筑BIM应用以单点或建筑群即可成为一个技术管理对象，交通领域必须以单公路项目甚至路网作为BIM管理对象，成为功能服务群，否则在交通领域应用BIM毫无意义。

图1 高速公路BIM模型

（2）交通BIM技术应用受外界制约影响因素较多。在基础外部信息获取方面，呈现信息源多元化和信息数据化难度大特点。在工程全生命周期中，所需GIS数据信息、地形数据信息、地质数据信息属于顶级基础信息，与工程构造物模型数据频繁发生交互甚至发生根本性改变。与建筑不同，基础设施未来会面临大规模改扩建，从数据角度来看，其实质是数据的重构重组和信息融合。

（3）应用点不同。在规划设计阶段的BIM工程应用基本相同。在施工建造阶段，建筑和机械行业类似，在大规模工厂化数字驱动制造、人工智能制造有先天优势并且可以预期未来需求。交通土建领域多以就地制造或浇筑为主，但是在驱动结构复杂钢结构构件、特殊结构预制构件、复杂节点的智能制造方面有很大优势。除日常的施工信息化管理需求以外，交通土建领域施工方法往往比较复杂，为了保证安全和进度，对施工专项方案进行深层模拟会有较大需求。

2 应用BIM技术进行桥梁数字化建造的难点

桥梁数字化建造其实是实现桥梁建造过程信息化、精细化、智能化，其中信息化是基础。当前BIM技术在桥梁建造应用中的主要难点：目前，以BIM技术为载体的信息模型仍然是信息孤岛，与设计、施工质量控制等现实具体需求处于“两张皮”状态，模型数据能够被施工利用的较少，海量的有价值模型数据的存储、加工、利用尚未成熟，在提升养护管理水平上有实质性进展的较少。

3 基于BIM的桥梁数字化建造技术

3.1 创新数字化建造工程总承包模式，形成应用BIM数字化桥梁建造技术利益统一体

BIM技术的应用10%在技术，而90%是取决于“信息关系”的，应用BIM的绝大多数工作是关于人与人之间进行信息传递的关系，而非纯技术推广问题，更不是软件工具。BIM使用者的受益多少，取决于其他各个参与者BIM实践的程度，如图2所示。目前桥梁设计单位和施工单位应用BIM技术目标不一致，利益点也不尽相同，导致BIM技术的应用不成体系，是导致BIM技术投入比产出低的原因。目前住房和城乡建设部印发通知，自2020年3月1日起在房屋建筑和市政基础设施项目，施工、设计资质互认，这将鼓励未来的工程建设领域形成由设计单位牵头的工程总承包模式，这样有利于形成应用BIM数字化桥梁建造技术利益统一体。

3.2 制定统一的数据存储格式，实现桥梁数字化建造信息全寿命期传递路径

图2 BIM技术应用各方利益

对于BIM技术，形成统一的数据存储格式，就可以实现整个信息在项目的全寿命期信息传递。在这样的前提下，形成BIM软件生态系统才成为可能，进而才能释放数字化建造技术的优势，有助于形成基于BIM技术的“一模各表”数字化建造信息生态系统。“模”即BIM模型，指存储工程信息的各种数据库；“表”即信息表述（信息应用），指的是调用数据库的各种工程应用程序，包括用于三维展示或碰撞检查设计成果、项目信息化管理、施工（养护）信息收集、运筹决策等软件系统。未来成熟的“模”必定是基于开源的数据存储标准，但目前标准组织形成的BIM通用标准，往往制定过程没有前瞻性，迁就各成员单位的利益诉求，影响标准的通用性、先进性和实用性。未来公益性社团或者软件公司，反而有可能比标准组织抢先完成通用数据标准的制定。

目前在公路交通领域，由中国交建集团和中交一公院主编的交通运输部《公路工程设计信息模型应用标准》和《公路工程信息模型统一标准》即将报批。这两项标准的发布实施将加快推进BIM技术在公路工程桥梁建造项目中的使用，从而可以根本保障BIM技术在桥梁建造中的应用以及交付成果的质量，促进公路工程全生命期信息的传递、共享和交换，加快交通土建领域设计、施工、养护和运营管理协调发展，整体提升公路工程建设品质和投资效益，为建设“交通强国”提供了技术支撑。

3.3 融合智能信息技术，形成基于BIM技术的桥梁数字化建造应用生态结构

融合BIM技术和最新的物联网、5G技术形成“数字高速公路”信息模型，可以实现剖开路基某一断面，便会自动提取这个断面的路基宽度、路面横坡、路基填高等几何尺寸信息，在模型中嵌入施工时间、施工单位、软基处理厚度、含水量、压实度、分层填筑厚度等一切施工过程信息，这将有利于施工质量精细化管理[2]。

融合最新信息技术，形成BIM+VR+GIS应用模式，以基于BIM信息模型的协同管理平台为“实”，以施工三维模拟、VR虚拟展示为“虚”形成虚实结合的应用方式，解决项目全寿命周期中的实际问题。GIS是用于管理地理空间分布数据的系统，以直观的地理图形方式获取、存储、管理、计算、分析和显示与地球表面位置相关的各种数据。BIM应用对象往往是单个建筑物或者带状工程，融合利用GIS宏观尺度上的功能，可将BIM应用范围扩展到道路、铁路、隧道、水电、港口等工程领域。利用三维GIS技术，实现BIM模型与空间地理数据有机融合，便于进行场景的可视化定位分析以及基于空间位置的统计查询[3]。地形地貌模型与工程BIM模型结合效果图如图3所示。

图3 地形地貌模型与工程BIM模型结合效果

融合放样机器人，形成基于BIM的智能放样及测量施工技术，在施工建造阶段，将经过修改和验证的三维模型传递至工地现场，将BIM数据成果转换为指导现场施工。

3.4 实现桥梁信息轻量化应用，实现基于BIM技术的桥梁数字化智慧建造技术

桥梁原始设计BIM模型保留很多设计过程中产生的冗余信息，同时模型整合多个专业后，体量会呈数量级的增大，运行模型对硬件的要求将会非常苛刻。目前随着智能手机、平板电脑的全面普及，工程建设中技术人员的移动办公基础硬件条件已经完备，但是一般BIM模型体量是以G来衡量，这对移动设备的处理计算能力和网络传输都是一个巨大的考验，所以对桥梁BIM模型进行轻量化处理是唯一出路。基于轻量化应用的BIM电子沙盘如图4所示。

图4 基于轻量化应用的BIM电子沙盘

轻量化在BIM业界是一个新概念，目前还未形成没有统一的学术或者理论定义，但轻量化几乎已经成为BIM行业的标准。具体来说，就是将原始BIM模型进行轻量化处理，生成可以在浏览器端渲染的轻量化模型数据，但不损失模型信息，可将模型体量压缩得非常小，做到原始模型的5%大小，在背后提供支撑的是计算机图形学理论。只有实现桥梁建造信息化，才能实现桥梁建造数字化，而基于轻量化的施工协同平台才是实现桥梁数字化建造必由之路[4]。

4 结语

BIM技术已经是未来发展趋势，在交通土建领域中应用BIM技术存在着不少难点问题，要实现桥梁数字化建造必须创新数字化建造工程总承包模式、制定统一的数据存储格式，并且在应用过程中融合智能信息技术，同时实现信息轻量化应用。