基于BIM 技术的公路桥梁设计研究

文／杜盛平 南昌瑀城交通设计有限公司 江西南昌 330000

引言：

BIM 技术主要是搭建信息化建筑模型的一种技术，该项技术在建筑领域的许多方面得到广泛运用，包括工程设计方面、工程管理方面以及工程建造方面，其有助于集成建筑信息，保证工程项目顺利推进。本文主要针对BIM技术在公路桥梁设计中的应用进行了简要研究。

1、公路桥梁设计中BIM 技术的优势

公路桥梁项目逐步引进应用BIM 技术，利用该技术搭建出工程模型，再将实际参数信息导入到模型中，进一步分析施工要点。公路桥梁设计中应用BIM 技术的主要优势包括下述几点：

一是具有多角度可视化特征，能够直观地反映出工程实际情况。许多公路桥梁施工场地环境都十分复杂，即使是现场进行勘察也无法保证了解到全面信息，由此造成公路桥梁设计失准，但若是在设计中应用BIM 技术，就可以直接模拟公路桥梁施工场地地形条件，对公路桥梁的设计进行多角度可视化处理，为设计者明确各个部分的设计要点，有效提高设计质量，全方位展现出模型的效果（如图1 所示），也为后续施工提供很多帮助。二是BIM 模拟具有多元化特点，通过对该项技术的了解可知，模型构建中可以模拟多种几何形状，也能模拟一些工程中的功能性构件，使其极为接近真实施工场景。三是具备了可出图性特征，通过BIM 技术的应用会构建出三维立体模型，但也能够二维打印成图纸，生成图纸之后能够更方便把控设计精确性，研究细节设计，同时也能够生成公路桥梁工程的材料用量清单。

图1 BIM 全方位模型展示

2、公路桥梁设计中BIM 技术的具体应用方式

2.1 设计方案比选

BIM 技术作为新时期下公路桥梁设计工作的重要技术支持，实际运用时应充分发挥该技术可视化特性，将其应用于设计方案优选中，改变以往设计方案对比分析方式，以更为直观、准确的方式验证设计方案的科学合理性。

道路桥梁工程设计阶段需要投入较大工作量，此时可以使用BIM 中的一款桥梁设计软件，即Open Bridge Modeler，设计人员从Open Roads Designer 中获取所需的土木工程数据，然后将公路桥梁工程的道路信息与地面数据导入至Land XML 文件。依托于BIM 技术的自动化与可视化功能作用，将在多种专业知识的运用下快速生成基于项目实际的工程设计决策所需信息，为公路桥梁设计提供有效支持，加快其设计速度。与此同时，将实景模型与BIM 方案模型进行有机整合，从直观、专业的角度对公路桥梁设计方案进行剖析与评价，实现设计方案优选，确保方案内容合理、有效。

了解到传统公路桥梁设计在确定设计方案中桥梁的具体位置与控高时，多数以工程所在区域的地质水文情况、施工现场情况、交通流量、通航情况等为基础，然后通过约束路线在该节点区域的录像技术指标对平曲线、竖曲线加以确定。然而采用的地形图为1:2000，其所呈现的公路桥梁构造物与被跨越物体之间的位置关系较为模糊，难以准确表达方案的设计意图。但是通过BIM 技术的运用，能够清晰验证上下结构选型、孔径布置、通航情况，确保方案科学、合理。此外，还可以使用四维施工模拟技术，在数字化三维设计模型的基础上构建以BIM 技术为基础的4D 管理模型，模拟、预演施工过程，以此确保公路桥梁设计符合要求。

2.2 桥梁细节设计

由于当前城市化建设步伐加快，公路桥梁工程跨度、数量均处于明显上升趋势，项目难免遇到较难甚至是无法跨越的交通路线，此时将涉及大跨越式桥梁结构与模式，这给设计工作提出更高质量要求，常用的二维图纸也难以表达桥梁复杂结构的位置关系。因此，BIM 技术还可以应用于公路桥梁细节设计。

（1）悬索桥设计应用

作为钢桥的一种，悬索桥空间结构复杂，普通的二维图纸难以细致描述其空间构型。设计人员在运用BIM 技术对其开展设计时，充分利用其可视化与三维立体模型功能，围绕钢桁架和索鞍建立三维模型示意图，以此呈现设计细节，为后续施工作业安全、有序展开提供保障。

（2）预制钢箱梁设计应用

预制钢箱梁凭借其自重轻便、线型灵活等特点得到广泛应用，但是其构件多，且尺寸不一，功能不同，具有较为复杂的内部构造。虽然二维图纸能够通过大量说明图阐明设计意图，但工作量较大，致使认为因素导致图纸呈现不同程度的错误，进而给后续施工作业造成影响。因此，设计人员可以使用Pro Structure软件精细化设计钢箱梁，运用三维设计与结构设计相结合的方式模拟预拼装，在设计阶段对预制钢箱梁进行尝试性连接，以此发现设计不足、不合理因素并加以更改[1]。除此之外，还可以将此项工作与构件供应商进行有机连接，即将设计数据对接至数控加工机床，最终生成的单位信息模型直接供单位加工拼装，大幅度提高公路桥梁设计质量、缩短沟通成本与时间的同时强化工程整体质量，为工程效益最大化目标的实现提供技术支持。

2.3 可视化交底

公路桥梁设计中BIM 技术的优势在于能够直观呈现工作人员的设计意图，并通过立体三维的方式呈现设计结构，标注施工设计重点。除了设计问题分析、结构调整等方面发挥BIM 技术的可视化特点，还可以利用这一优势将此项技术应用于技术交底工作中，通过三维设计流程的直观展示提升交底速度，确保各项施工作业的高质量、高效率展开。具体而言，将二维施工组织设计与施工作业指导书的关键步骤，运用BIM 技术制作成施工动画，通过技术资料动态的方式完成交流与数较低，提高与施工单位的沟通效率与工程整体品质。随着工程数量的增加，可以将典型设计或关键内容整理为分类鲜明的技术交底数据库，当遇到类似公路桥梁工程项目时直接调取即可，实现设计经验项目化、系统化，为相关作业提供指导与参考。

2.4 结构碰撞检查

由于公路桥梁结构复杂，后期施工阶段具有较多安全风险，为保证施工质量与效率，还应将BIM 技术应用于碰撞检测环节，通过使用BIM 三维软件中的碰撞检测功能优化方案中的协同设计，具体检测内容包括建构筑物、设备、路基、路面、水工管线、接地网等。在技术实际运用中，将上述检测内容按照不同专业信息模型参考到同一模型中，整合后灵活选择检查对象。检测前，设计人员应在BIM 技术平台上对桥梁设计结构碰撞检查规则进行合理设置，然后基于设计方案、立体可视化模型开展碰撞检查，分析是否存在设计不合理部位。根据检测生成的结果报表，设计人员应对其仔细查阅、核对，根据现行标准与工程需求对设计方案进行调整，确定调整思路后直接在BIM 模型内调整，即直接移动模型内管线，待检测结果报表中各个碰撞点均调整完毕后，再次开展碰撞检查，查看问题是否解决，直至符合要求位置。相较于以往的设计结构查验，以BIM 技术为基础的结构检查操作简单易行，公路桥梁设计图纸质量与后期施工效率得到有效保障，实现安全风险的提早排查，保证工程整体安全质量。

2.5 施工模拟优化

借助BIM 技术完成公路桥梁设计工作后，可结合现有设计结果展开施工过程仿真模拟，了解设计方案在施工期间的具体表现，及时发现潜在隐患，杜绝设计失误现象。第一，设备施工模拟。公路桥梁施工现场环境复杂，可按照实际情况搭建施工现场模型，并对设备运输吊装应用过程进行模拟，以此依据完成公路桥梁工程项目的设备运输方案设计工作。此外，还可将方案内容转化为动画，动态演示设备运输过程，立足于实际模拟情况分析方案可行性。基于BIM 技术对设备设计方案进行模拟可防止设备吊装安全事故的发生，严谨性控制安全净距，保障工程施工安全，最大限度地提升公路桥梁设计质量。第二，整体性模拟。以二维设计图纸及三维BIM 模型为基础，导入时间维度，根据公路桥梁结构设计及技术设计情况进行模拟，动态化演示整个施工过程，通过观察分析判断现有路桥设计方案是否存在不合理之处，及时发现问题并解决，避免施工期间更改设计而造成额外成本支出。将时间维度导入BIM 模型后，可进一步设计公路桥梁工程施工进度表，预演施工过程，并在此过程中详细合作工程量，把控公路桥梁工程各类资源需求[2]。此外，还可精细化划分时间维度，在此基础上设置时间维度单元，以此时间维度单元为依据展开资源配置，以此实现公路桥梁资源的优化设计配置工作，降低资源损耗。在现代化背景下，公路桥梁设计期间不仅可引入BIM 技术，还可将BIM 技术与物联网、大数据技术协同应用，模拟公路桥梁设计方案时，还可采用人机交互的形式展开实时调整，便捷化完整设计优化工作，不仅消除了潜在设计问题，还在一定程度上提高了公路桥梁设计质量。

3、基于公路桥梁设计实例的BIM 技术应用分析

3.1 工程概况

为增强本次研究实效，更为直观地了解公路桥梁设计中BIM 技术的应用效果，本次以某公路桥梁工程为实例，分析BIM 技术在公路桥梁设计中的具体应用情况。案例公路桥梁项目全线152.251km，批复估算参数值为265.17 亿元，在该项目中，共涉及115 座桥梁，全线96424.506m，并涵盖一道隧道，该项目属于典型的公路桥梁项目[3]。在前期规划设计阶段，案例公路桥梁项目迎合时代潮流更新了设计方式，引入了BIM 技术及相关软件，旨在借助BIM 技术优势，切实提升公路桥梁设计效果，杜绝设计误差。

3.2 族库设置

BIM 技术具有一定综合性特征，其整合了不同专业领域，技术性较强。在公路桥梁项目中，为便于开展公路桥梁设计工作，需提前搭建符合公路桥梁工程项目实际情况BIM 族库，涵盖工程设计的各个方面，以此保障路桥设计效果。在案例公路桥梁工程项目中，主要包括道路结构、桥梁结构、隧道结构及其他辅助项目，故从上述四个方面设置了BIM 族库。借助BIM 技术软件设计公路桥梁时，可直接借助各族库开展设计工作，并以族库为依据划分不同的公路桥梁结构部件，以此可避免BIM 构件混乱情况的出现。在实际设计过程中，设计人员可直接基于族模型文件展开参数化组装设置，提高公路桥梁结构参数针对性，继而保障了公路桥梁整体设计效果[4]。

3.3 搭建模型

应用BIM 技术设计公路桥梁时，应结合公路桥梁工程项目实际情况搭建BIM 模型，以可视化的形式呈现公路桥梁具体设计情况，并基于BIM 模型保障设计精度，使设计人员精准化把控设计要点，以此确保公路桥梁设计成果可切实指导施工作业。在BIM 模型搭建过程中为，可借助所设置的族库文件构建模型，并基于公路桥梁各结构构件具体情况设计相对应的信息模型，完成不同构件的设计工作后，将各构件模型加以整合，以此即可获得完整的公路桥梁模型。在此基础上，从整体与局部两个方面展开BIM 模型计算。从局部模型计算角度来看，设计人员需对比详细参数指标及模型局部情况，以此精准化把控公路桥梁设计精度，而在整体模型计算过程中，需统筹分析图形数据及模型结构信息，结合公路桥梁所在区域环境条件展开优化。公路桥梁设计是一项综合工作，不仅需精细化完成结构设计，还需设计设备运输、现场布置等内容，通过公路桥梁的设计工作全方位统筹把控项目实施过程。因此，借助BIM 技术完成公路桥梁模型构建工作后，设计人员需深入施工现场，整理施工现场信息，并以此为依据搭建施工现场模型，对施工现场区域结构进行划分，通过公路桥梁施工现场模型，科学设计施工现场人员线路、设备运输线路等，避免各类运输线路碰撞问题的出现。

3.4 碰撞检测

碰撞检测是BIM 技术显著特征之一，在案例公路桥梁工程项目中，则借助BIM 模型完成了碰撞检测，检查设计方案中的水工管线、路面路基、设备设施、构筑物、接地网，判断其是否存在碰撞问题。将公路桥梁工程项目中所涉及到的不同专业领域信息模型进行整合，于BIM技术软件内设置校验规则，为便于设计人员调整优化，完成公路桥梁设计碰撞检查工作后还可直接导出报表，以供查阅核对，精准定位碰撞点，若经检测后发现碰撞管道，则可基于BIM 软件进行修改，移动优化管线位置，简便易操作，兼顾公路桥梁设计质量与效率[5]。

3.5 统计工程量

在传统公路桥梁设计工作中，通常运用造价软件、二维CAD 软件计算公路桥梁工程量，工作量大，耗费时间长，且易出现工程量计算错误现象，不仅对公路桥梁实际施工作业造成影响，还会产生额外成本支出，不利于公路桥梁工程项目把控成本支出[6]。在案例公路桥梁项目中，设计人员完成BIM 模型搭建与初步设计工作后，在BIM技术软件应用下完成了公路桥梁工程量的计算工作。借助BIM 模型设计公路桥梁过程中，设计人员已将公路桥梁相关数据完成了整合归纳，统计核算工程量时，可直接从BIM 软件中读取相关数据，并以可视化的形成呈现工程量数据。若在公路桥梁设计期间出现调整变更现象，材料数据相对地同样会发生变动，以此大幅提高了工程量计算精准性。工程量是控制公路桥量工程项目成本造价的主要依据之一，基于BIM 设计统一工程量实现了定额参数与材料数据的整合衔接，消除了数据误差，保障了工程量计算精度，为公路桥梁工程项目科学推进奠定了基础。

3.6 仿真模拟

案例工程项目进一步借助BIM 技术软件仿真模拟功能检验公路桥梁设计成果，从设备吊装、材料运输、现场传输线路等方面进行模拟，直接调用BIM 软件内吊车模型库、车辆模型仿真模拟设备吊装过程，动态化检测公路桥梁设备吊装作业是否存在碰撞现象，以此有效规避了施工风险问题。此外，按照设计方案模拟脚手架等临时设备的布置位置，对施工现场结构布局进行统筹设计，并以设计成果为依据真实预演施工过程，若有设计缺陷可直观性呈现给设计人员。案例公路桥梁项目引入BIM 技术后，将施工进度计划对接BIM 模型，结合工程工期要求将进度设计结果导入BIM软件，并上传项目期间天气预测数据、材料供应信息等，在关联整合所有资源基础上展开施工模拟，同时按照进度控制情况分解BIM 模型，引入关键路径法，对公路桥梁施工路径加以优化，从不同角度提升了公路桥梁设计质量。

结语：

综上所述，BIM 技术在公路桥梁设计项目中具有显著优势，不仅能够改善现有设计方式，且可大幅提升公路桥梁设计质量与效率，保障设计精度，避免结构碰撞等问题的发生。在实践应用过程中，可借助BIM 技术比选设计方案，做好细节把控，展开可视化交底与碰撞检测，并能够基于设计方案进行仿真模拟，以模拟结果为依据及时发现并调整公路桥梁设计缺陷，最大限度地保障了公路桥梁设计效果。