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        BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

        2017-11-02 02:26:15王吉文
        城市道橋與防洪 2017年10期
        關(guān)鍵詞:施工圖圖紙可視化

        王吉文,夏 楓

        (中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司,湖北 武漢 430010)

        BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

        王吉文,夏 楓

        (中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司,湖北 武漢 430010)

        分析BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用特點(diǎn),詳細(xì)總結(jié)橋梁設(shè)計(jì)的基本特征和難點(diǎn),從而明確了應(yīng)用BIM技術(shù)對(duì)橋梁設(shè)計(jì)的改造優(yōu)化。從可行性和施工圖兩個(gè)階段詳細(xì)總結(jié)了BIM在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,凸顯基于BIM的全壽命管理理念。

        BIM;橋梁設(shè)計(jì);全壽命;應(yīng)用研究

        0 引言

        BIM即建筑信息模型(Building Information Model,BIM),已成為近年來(lái)整個(gè)土木工程領(lǐng)域發(fā)展的熱門。BIM利用計(jì)算機(jī)技術(shù)采用可視化手段呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)立體特點(diǎn),由于這種可視化的信息模型可以應(yīng)用于全壽命設(shè)計(jì)的各個(gè)階段,從而極大地改善了目前二維模型信息溝通困難、執(zhí)行效率低、工作量大等問(wèn)題。BIM技術(shù)最初在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域大力發(fā)展,近年來(lái)開始廣泛應(yīng)用到橋梁工程、地下工程、水利工程等領(lǐng)域[1,2]。

        BIM技術(shù)可以應(yīng)用的范圍非常廣泛,包括最初的可視化設(shè)計(jì)、參數(shù)化建模、碰撞檢查、工程量統(tǒng)計(jì)和成本估算,發(fā)展到現(xiàn)在的安全分析、施工進(jìn)度設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)施工管理及運(yùn)維管養(yǎng)等,可以看到BIM技術(shù)發(fā)展得更加深入和廣泛[3]。橋梁結(jié)構(gòu)具有構(gòu)件類型多、施工環(huán)境復(fù)雜、設(shè)計(jì)施工及管養(yǎng)沒(méi)有高度協(xié)調(diào)的特點(diǎn),相關(guān)學(xué)者已經(jīng)引入BIM技術(shù)解決橋梁設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維的問(wèn)題,例如復(fù)雜橋梁可視化設(shè)計(jì)、橋梁施工全過(guò)程4D設(shè)計(jì)和基于BIM的運(yùn)營(yíng)橋梁病害分析等方面,但還未形成系統(tǒng)的基于BIM的橋梁設(shè)計(jì)方法。

        本文首先探討B(tài)IM技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用特點(diǎn),其次分析橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)以及BIM的應(yīng)用前景,最后詳細(xì)探討了基于BIM的橋梁設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用,以期推進(jìn)BIM技術(shù)在我國(guó)橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與實(shí)踐。

        1 BIM技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用特點(diǎn)

        BIM是在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上,利用數(shù)字化方法,對(duì)建筑工程項(xiàng)目全周期(設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng))中的信息進(jìn)行建模的過(guò)程。BIM建模的整體思路是:首先進(jìn)行信息識(shí)別,并把握住信息的質(zhì)量要求,然后進(jìn)行信息的采集、處理和利用,最后實(shí)現(xiàn)BIM模型的建立。BIM的實(shí)施,通過(guò)產(chǎn)生高質(zhì)量信息數(shù)據(jù),同時(shí)高效率地交流項(xiàng)目信息,必然提高建筑工程的工作質(zhì)量,提高項(xiàng)目參與者的效率,節(jié)約材料、人力和資金,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

        BIM模型中的信息必須滿足一定的質(zhì)量要求,這是整個(gè)BIM模型發(fā)揮價(jià)值的根本,也是BIM模型質(zhì)量要求的基礎(chǔ)。BIM的應(yīng)用價(jià)值體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)參數(shù)化。在BIM中,采用參數(shù)化建模,在各信息之間建立相關(guān)性,能夠做到一次創(chuàng)建、多次利用,一處修改、智能聯(lián)動(dòng)。(2)可視化。BIM中可以做到在橋梁全生命周期中的可視化,包括橋梁結(jié)構(gòu)的3D可視、施工設(shè)計(jì)方案可視、施工實(shí)際過(guò)程可視。(3)節(jié)約成本。利用BIM,可以實(shí)現(xiàn)各設(shè)計(jì)與施工方案之間的成本對(duì)比,進(jìn)行成本估算,合理分配資源。(4)加快進(jìn)度。利用BIM,可以實(shí)現(xiàn)各設(shè)計(jì)與施工方案之間的進(jìn)度對(duì)比,進(jìn)行項(xiàng)目進(jìn)度分析,合理調(diào)整進(jìn)度。(5)提高質(zhì)量。在工程項(xiàng)目中,BIM有著廣泛應(yīng)用,可以進(jìn)行碰撞檢測(cè)、安全性分析、綠色建筑分析等,從而有效提高工程的質(zhì)量。因此通過(guò)應(yīng)用BIM技術(shù)平臺(tái),可以極大優(yōu)化和改善現(xiàn)有的技術(shù)和方法。

        2 橋梁設(shè)計(jì)特點(diǎn)與BIM應(yīng)用分析

        2.1 橋梁設(shè)計(jì)特點(diǎn)

        橋梁是線形結(jié)構(gòu)體系,其設(shè)計(jì)涉及大量構(gòu)件,為了滿足橋梁的安全要求,往往對(duì)各類構(gòu)件及構(gòu)件之間的連接要求較高,這使得構(gòu)造更加復(fù)雜。在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求下,往往很容易出現(xiàn)沖突,例如配筋、連接、安裝等,這些沖突對(duì)于預(yù)制安裝的橋梁構(gòu)件更加顯著。

        隨著我國(guó)工業(yè)化建設(shè)的發(fā)展,越來(lái)越多的橋梁結(jié)構(gòu)開始將現(xiàn)場(chǎng)澆筑施工轉(zhuǎn)移到工廠預(yù)制和現(xiàn)場(chǎng)裝配,從而通過(guò)工廠高效率和高質(zhì)量的流水線式制造技術(shù),保證橋梁構(gòu)件的施工質(zhì)量,同時(shí)極大減少了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)帶來(lái)的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染問(wèn)題。工廠預(yù)制構(gòu)件在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行連接裝配,形成結(jié)構(gòu)體系。這就要求各種連接構(gòu)件在設(shè)計(jì)圖紙下能夠很好地進(jìn)行匹配連接,而一旦連接質(zhì)量不能達(dá)到要求,或者出現(xiàn)不能連接的問(wèn)題,則直接影響整個(gè)公路橋梁的建設(shè)質(zhì)量。

        然而,目前我國(guó)的橋梁工程設(shè)計(jì),仍然依賴傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)圖紙,通過(guò)合并不同構(gòu)造圖、詳圖和總圖等檢查可能的沖突及構(gòu)造不合理之處。這種設(shè)計(jì)理念對(duì)工業(yè)化建造體系下的裝配式橋梁施工配合效率低下,一旦在施工中發(fā)現(xiàn)構(gòu)造沖突和不合理,只能通過(guò)修改設(shè)計(jì)圖紙和現(xiàn)場(chǎng)施工調(diào)整的方式解決,造成工期拖延和不經(jīng)濟(jì)。綜合以上分析,根據(jù)BIM技術(shù)特點(diǎn),應(yīng)用BIM技術(shù)對(duì)于橋梁設(shè)計(jì)具有很大的改進(jìn)和促進(jìn)意義。

        2.2 BIM在橋梁設(shè)計(jì)中應(yīng)用分析

        綜合分析BIM技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),根據(jù)以上對(duì)橋梁設(shè)計(jì)特點(diǎn)的分析,應(yīng)用BIM技術(shù)可以極大地改造和優(yōu)化橋梁設(shè)計(jì)。

        首先,橋梁BIM模型提供了橋梁全壽命過(guò)程的可視化信息模型,為全壽命分析與計(jì)算提供了基礎(chǔ),也為各種信息的溝通提供了直接載體,提高了管理效率。

        其次,橋梁BIM模型為設(shè)計(jì)的合理性提供了檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)BIM模型可以對(duì)設(shè)計(jì)構(gòu)造進(jìn)行直觀評(píng)判,有利于設(shè)計(jì)的優(yōu)化,同時(shí)有利于各種設(shè)計(jì)的檢錯(cuò)查重,提高了設(shè)計(jì)方案的實(shí)施性。

        再次,橋梁BIM模型為設(shè)計(jì)材料通算、結(jié)構(gòu)安全分析、施工方案擬定等都提供了基礎(chǔ)方法,具有深遠(yuǎn)的影響和意義。

        因而,需要充分利用BIM技術(shù)這一優(yōu)勢(shì),將其應(yīng)用于橋梁工程領(lǐng)域中,進(jìn)一步促進(jìn)該技術(shù)對(duì)橋梁設(shè)計(jì)與施工的改造,實(shí)現(xiàn)前沿發(fā)展。

        BIM技術(shù)改造升級(jí)現(xiàn)有的二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì),其基本流程如圖1所示。首先,通過(guò)對(duì)初始二維圖紙的收集工作,獲得橋梁結(jié)構(gòu)的基本信息,并以此構(gòu)件三維模型圖;其次,通過(guò)對(duì)三維模型圖的檢錯(cuò)分析和可視化分析,確定圖紙中可能存在的碰撞問(wèn)題和遺漏問(wèn)題,并以此進(jìn)行調(diào)整修改二維圖紙,這就融合了BIM技術(shù);最后,通過(guò)上述階段的反復(fù)調(diào)整和修改,直到不出現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題,完成橋梁的設(shè)計(jì)工作。

        圖1 基于BIM的橋梁設(shè)計(jì)優(yōu)化流程

        3 基于BIM的橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)用

        根據(jù)BIM技術(shù)特點(diǎn)和橋梁設(shè)計(jì)現(xiàn)狀,可以在橋梁設(shè)計(jì)的可行性階段和施工圖階段應(yīng)用該技術(shù),促進(jìn)橋梁設(shè)計(jì)可持續(xù)性和全壽命周期性。

        3.1 可行性階段的應(yīng)用

        橋梁可行性階段主要是方案的設(shè)計(jì),方案設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是確定橋式方案和總體的構(gòu)想,如橋梁平面、斷面、立面等。在可行性設(shè)計(jì)中涉及到多個(gè)方案的比選分析,往往需要較長(zhǎng)的時(shí)間,而方案的設(shè)計(jì)精髓需要非常準(zhǔn)確地傳遞給業(yè)主。這時(shí)候,BIM技術(shù)就體現(xiàn)了其三維可視化優(yōu)勢(shì),不同橋型方案的BIM模型直接提供了設(shè)計(jì)者的構(gòu)思方法,而且可以很方便地轉(zhuǎn)化為立面圖、平面圖和斷面圖。另外,BIM模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)所有構(gòu)件的精細(xì)化建模,不僅能呈現(xiàn)三維信息模型的各個(gè)細(xì)節(jié),還能實(shí)現(xiàn)材料的統(tǒng)計(jì),節(jié)約大量時(shí)間。

        圖2是某拱橋初步設(shè)計(jì)方案的BIM模型,通過(guò)該BIM模型可以直觀清楚地確定橋梁的空間形態(tài)和建成姿態(tài),也可以很清楚地分析其中的設(shè)計(jì)施工難點(diǎn),還可以明確橋上車輛的運(yùn)營(yíng)狀況,這為設(shè)計(jì)方案的選擇提供了很好基礎(chǔ)。

        圖2 某拱橋初步設(shè)計(jì)方案的BIM模型

        3.2 施工圖階段的應(yīng)用

        橋梁施工圖階段就是確定了初始方案后對(duì)方案進(jìn)行全面完善的階段,這個(gè)過(guò)程中需要明確橋梁的設(shè)計(jì)功能、運(yùn)營(yíng)要求、施工方法等,因此需要為橋梁的建設(shè)和后期管理養(yǎng)護(hù)提供直接的圖紙參考,需要做到圖紙盡可能詳細(xì)準(zhǔn)確。綜合而言,施工圖階段的BIM技術(shù)應(yīng)用應(yīng)該體現(xiàn)在設(shè)計(jì)優(yōu)化、施工方案擬定與優(yōu)化、管理優(yōu)化三個(gè)方面。

        (1)設(shè)計(jì)優(yōu)化

        橋梁施工圖設(shè)計(jì)不僅需要對(duì)主要承載力構(gòu)件的尺寸、連接、截面構(gòu)造等進(jìn)行詳細(xì)勾畫,還需要對(duì)附屬結(jié)構(gòu)的位置、連接方法、局部構(gòu)造等進(jìn)行明確。這就是大量的構(gòu)件放樣問(wèn)題。此外,橋梁結(jié)構(gòu)除了作為車行系統(tǒng)之外,很可能布設(shè)有管道等,則需要將管道與橋梁空間位置確定,使得不出現(xiàn)構(gòu)件的重合和重疊,降低施工操作的難度。因此,在橋梁的設(shè)計(jì)階段,需要利用BIM模型進(jìn)行檢錯(cuò)撿漏,核查所有的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),確保連續(xù)性,保證各種構(gòu)件的設(shè)計(jì)位置匹配,不出現(xiàn)沖突問(wèn)題。

        由于施工圖設(shè)計(jì)階段涉及到很多構(gòu)件,一旦發(fā)生設(shè)計(jì)問(wèn)題,如果采用傳統(tǒng)的二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì),則需要進(jìn)行大量的修改工作,且往往顧此失彼。采用BIM模型后,相關(guān)更改直接在BIM模型中進(jìn)行修改,對(duì)應(yīng)的橋梁立面、斷面、平面、局部構(gòu)造等圖紙直接進(jìn)行更改,且材料用量等也隨著自適應(yīng)更改,極大地提高了設(shè)計(jì)效率。這一技術(shù)在建筑領(lǐng)域有非常顯著的效益,據(jù)統(tǒng)計(jì),77%的企業(yè)遭遇因圖紙不清或混亂而造成項(xiàng)目的投資損失,其中有10%的企業(yè)認(rèn)為該損失可達(dá)項(xiàng)目建造投資的10%以上,43%的施工企業(yè)遭遇過(guò)招標(biāo)圖紙中存在重大錯(cuò)誤,改正成本超過(guò)100萬(wàn)元。因此可以預(yù)見,利用BIM技術(shù)進(jìn)行橋梁施工圖深化核對(duì),可以減少因?yàn)閳D紙信息不明確造成的施工錯(cuò)誤。

        (2)施工方案擬定與優(yōu)化

        BIM模型提供全三維的橋梁信息模型,由于橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)與施工方法直接對(duì)應(yīng),不同施工工法所形成的橋梁狀態(tài)和結(jié)構(gòu)構(gòu)造、配筋等均不相同,因此橋梁施工過(guò)程非常重要。依據(jù)BIM模型,可以很方便地模擬橋梁的施工過(guò)程,這種施工過(guò)程也是非常直觀的。如果把這種施工過(guò)程直接傳遞到有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性分析,則可以非常簡(jiǎn)便地比較不同施工工法下的橋梁狀態(tài)差異性和施工組織復(fù)雜性,這就為橋梁施工方案的擬定提供了直接基礎(chǔ),還可以基于現(xiàn)有的施工方案進(jìn)行優(yōu)化,提高工作效率和質(zhì)量。

        (3)管理優(yōu)化

        橋梁BIM技術(shù)的核心是提供了橋梁全壽命決策的基礎(chǔ)模型,因此在設(shè)計(jì)階段就提供了施工和運(yùn)營(yíng)階段的所有信息,為管理提供了優(yōu)化基礎(chǔ)。首先,提供了施工組織方法。BIM技術(shù)使得各種橋梁信息都能夠動(dòng)態(tài)地呈現(xiàn),因此可以通過(guò)建模模擬,確定合理的工種作業(yè)區(qū)間劃分,從而確定最適宜的人、機(jī)、料分配,優(yōu)化施工組織過(guò)程,形成資源的優(yōu)化分配,提高施工效率。其次,提供了成本、進(jìn)度和質(zhì)量管理方法。橋梁施工中所涉及到的原材料、施工機(jī)械設(shè)備使用費(fèi)、工人工資和施工管理發(fā)生的費(fèi)用等通過(guò)BIM模型可以實(shí)現(xiàn)精確計(jì)算,相應(yīng)的施工工期也能很方便確定。最后,提供了管理和養(yǎng)護(hù)的優(yōu)化方法,基于BIM技術(shù)可以確定管理養(yǎng)護(hù)周期,每次養(yǎng)護(hù)重點(diǎn),實(shí)現(xiàn)全方位覆蓋。

        4 結(jié)語(yǔ)

        BIM技術(shù)是目前土木工程領(lǐng)域的革新技術(shù),有望改善橋梁設(shè)計(jì)效率和全壽命管理方法。論文探討了BIM技術(shù)特征和應(yīng)用特點(diǎn),并分析了橋梁設(shè)計(jì)特點(diǎn),從而明確了BIM在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前景和方向,從可行性和施工圖階段詳細(xì)總結(jié)了BIM技術(shù)的應(yīng)用方法,以期促進(jìn)BIM在橋梁領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。

        [1]隋振國(guó),馬錦明,陳東,等.BIM技術(shù)在土木工程施工領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展[J].施工技術(shù),2013,42(S2):161-165.

        [2]李紅學(xué),郭紅領(lǐng),高巖,等.基于 BIM的橋梁工程設(shè)計(jì)與施工優(yōu)化研究[J].工程管理學(xué)報(bào),2012(6):48-52.

        [3]鄭國(guó)勤,邱奎寧.BIM國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)綜述 [J].土木建筑工程信息技術(shù),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,湖南邵陽(yáng)人,工程師,從事市政路橋設(shè)計(jì)工作。

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