曾瓊瑤, 鄭凱鋒, 潘 偉

(西南交通大學(xué)，四川成都 610036)

傳統(tǒng)建筑行業(yè)由于低效率的管理和各種形式的浪費(fèi)產(chǎn)生了巨大的損失，據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2008年總投資418萬(wàn)億美元，其中約30 %的資金被浪費(fèi)[1]。因此，若能提高建設(shè)項(xiàng)目的管理水平，從而節(jié)約能源和提高生產(chǎn)效率，建筑業(yè)必然會(huì)得到較大的經(jīng)濟(jì)效益。

BIM(BuildingInformationModeling)即建筑信息模型，基于三維模型實(shí)現(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目物理特性、功能特性和管理要素的描述。BIM作為重要的信息化技術(shù)手段，將建筑設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)和拆除全周期中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)集于一體，有效避免了各方信息不通的現(xiàn)象。通過(guò)搭建的數(shù)據(jù)平臺(tái)，項(xiàng)目各方參與者可在任何階段進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和實(shí)時(shí)交流，促進(jìn)項(xiàng)目參與者之間的協(xié)調(diào)與協(xié)作，從生命周期的角度提高項(xiàng)目的互操作性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)的一體化，提高生產(chǎn)效率和工程質(zhì)量[2][7]。

橋梁工程是一種特殊的建筑結(jié)構(gòu)，具有構(gòu)件多、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、施工環(huán)境復(fù)雜多變和施工難度大等特點(diǎn)[8]，若能將BIM技術(shù)引入橋梁工程，則必然會(huì)加快橋梁的工業(yè)化和信息化進(jìn)程。目前，BIM在工民建、鐵路和隧道領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展較快，且技術(shù)已相對(duì)成熟，而B(niǎo)IM在橋梁中的應(yīng)用還處于探索階段[9]。

1 BIM的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外BIM的發(fā)展歷程

20世紀(jì)70年代，美國(guó)學(xué)者ChuckEastman博士提出“建筑描述系統(tǒng)”，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑工程的模擬，因此被視為BIM的原型。1986年，美國(guó)學(xué)者RobertAish首次提出“BuildingModeling”的概念。1999年，“BuildingInformationModeling”的概念被Tolman教授正式提出[10]。2000年以后，國(guó)外各大著名軟件公司，例如Autodesk、Bentley等陸續(xù)開(kāi)發(fā)BIM相關(guān)軟件。與此同時(shí)，美國(guó)總務(wù)局率先推出“3D-4D-BIM”計(jì)劃，發(fā)布BIM應(yīng)用指南和準(zhǔn)則。美國(guó)聯(lián)邦機(jī)構(gòu)美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)推出2006～2020年期間BIM發(fā)展計(jì)劃。隨后，相關(guān)部門(mén)發(fā)布IFC(IndustryFoundationClasses)標(biāo)準(zhǔn)和NBIMS(NationalBuildingInformationModelStandard)等一系列BIM應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)[11]。除此之外，日本、英國(guó)、韓國(guó)、新加坡等國(guó)家也逐漸開(kāi)始重視BIM在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用，政府制定了一系列政策和標(biāo)準(zhǔn)以推動(dòng)BIM的發(fā)展。

1.2 我國(guó)BIM的發(fā)展歷程

我國(guó)對(duì)BIM技術(shù)的研究起步較晚，2002年引入BIM概念，直到2006年才開(kāi)始真正重視BIM。我國(guó)從政策角度大力支持和推廣BIM的應(yīng)用，住建部先后頒布《2011～2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》、《關(guān)于推進(jìn)建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見(jiàn)》和《2016-2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》，全面提高建筑業(yè)信息化水平，加強(qiáng)BIM的應(yīng)用[12]。與此同時(shí)，住建部陸續(xù)出臺(tái)BIM國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，以推進(jìn)BIM的普及應(yīng)用。2016年12月，住建部發(fā)布公告，批準(zhǔn)GB/T51212-2016《建筑信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》為國(guó)標(biāo)，該標(biāo)準(zhǔn)為我國(guó)第一部BIM應(yīng)用的工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，為后續(xù)BIM的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)；2017年5月，住建部發(fā)布公告，批準(zhǔn)GB/T51235-2017《建筑信息模型施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》為國(guó)標(biāo)，該規(guī)范主要引導(dǎo)施工階段的建筑信息模型的應(yīng)用，對(duì)施工階段的建筑信息模型的創(chuàng)建、使用和管理提出各項(xiàng)要求；2017年11月，第三部國(guó)家BIM標(biāo)準(zhǔn)GB/T51269-2017《建筑信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》正式發(fā)布，該標(biāo)準(zhǔn)作為建筑工程信息交換與共享平臺(tái)的基礎(chǔ)，規(guī)范了建筑信息模型中信息的分類與編碼。與此同時(shí)，各行業(yè)積極推進(jìn)BIM在相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的研究和應(yīng)用，例如中國(guó)鐵路總公司將BIM作為鐵路工程信息化建設(shè)的主要發(fā)展方向，并依托科研項(xiàng)目開(kāi)展了多個(gè)專業(yè)BIM標(biāo)準(zhǔn)研究，初步搭建了鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)體系框架[13]。

2 BIM在橋梁工程設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)部分橋梁工程師已在設(shè)計(jì)階段引入BIM。齊成龍[14]通過(guò)達(dá)索和Tekla建立東平水道特大橋精細(xì)化BIM模型，完成了BIM協(xié)同設(shè)計(jì)、骨架設(shè)計(jì)、鋼箱梁設(shè)計(jì)、鋼束B(niǎo)IM設(shè)計(jì)、鋼筋BIM協(xié)同設(shè)計(jì)。苗永杭[15]結(jié)合BIM和C語(yǔ)言開(kāi)展連續(xù)梁零號(hào)節(jié)段深化設(shè)計(jì)工作，并且基于深化完成的BIM模型直接生成二維圖紙和統(tǒng)計(jì)工程數(shù)量。宋福春[16]利用Revit建立大跨度斜拉橋信息化模型，提高了設(shè)計(jì)效率并且減少了材料浪費(fèi)現(xiàn)象。

2.1 設(shè)計(jì)階段的兩種應(yīng)用模式及其特點(diǎn)

目前，在BIM設(shè)計(jì)中主要有兩種應(yīng)用模式，分別為“反向BIM設(shè)計(jì)”和“BIM正向設(shè)計(jì)”。“反向BIM設(shè)計(jì)”模式在橋梁工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用較為廣泛，設(shè)計(jì)人員依托二維圖紙建立三維可視化模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行校核檢查，最后根據(jù)修改意見(jiàn)對(duì)設(shè)計(jì)方案和模型進(jìn)行修改，直至設(shè)計(jì)完成。在該模式中，BIM僅僅是作為確定設(shè)計(jì)方案的輔助工具[17]。在“BIM正向設(shè)計(jì)”模式中，設(shè)計(jì)人員在無(wú)交付圖紙的情況下，直接在三維環(huán)境中設(shè)計(jì)，并且通過(guò)一系列搭建的平臺(tái)和接口實(shí)現(xiàn)各專業(yè)的協(xié)作，最后通過(guò)三維模型直接生成二維圖紙。與反向BIM設(shè)計(jì)不同的是，BIM在正向模式中不僅僅是設(shè)計(jì)階段的工具，更是建設(shè)項(xiàng)目全生命周期的工具[18]。由于橋梁工程涉及的專業(yè)廣而復(fù)雜，很難完全實(shí)現(xiàn)各專業(yè)的準(zhǔn)確對(duì)接，因此相較于“反向BIM設(shè)計(jì)”模式，“BIM正向設(shè)計(jì)”目前在橋梁工程中的運(yùn)用較少。

2.2 BIM在設(shè)計(jì)階段應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

BIM在橋梁設(shè)計(jì)階段具有極大的優(yōu)勢(shì)，主要有以下幾點(diǎn)：

(1) 可以更加直觀、高效、精細(xì)和智能地進(jìn)行設(shè)計(jì)表達(dá)；

(2) 三維可視化模型可清晰地呈現(xiàn)出構(gòu)件沖突或管道碰撞等問(wèn)題，便于設(shè)計(jì)人員及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)和修改施工圖紙，顯著降低了施工中出錯(cuò)的可能性；

(3) 不同部位很可能由不同的人設(shè)計(jì)，BIM提供平臺(tái)將各方設(shè)計(jì)人員的成果整合在一起，大大提高了設(shè)計(jì)效率，并且能有效減少設(shè)計(jì)中的漏洞，從根本上提高工程建設(shè)設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量；

(4) 基于精細(xì)化BIM模型，設(shè)計(jì)人員可準(zhǔn)確迅速地計(jì)算和提取工程量，大大提高設(shè)計(jì)精度和計(jì)算效率[19][21]。

3 BIM在橋梁工程施工階段的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

施工是橋梁建設(shè)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，而橋梁具有施工難度大、工作量大和施工周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，因此如何在保證施工質(zhì)量的前提下加快施工進(jìn)度和有效控制施工成本成為橋梁工程師攻克的重難點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)部分學(xué)者開(kāi)展了BIM在橋梁工程施工階段的應(yīng)用研究，部分施工單位也將BIM運(yùn)用到實(shí)際工程項(xiàng)目中。姜早龍[22]將BIM應(yīng)用到跨磁懸浮軌道橋梁中，基于BIM可視化模型和信息交換平臺(tái)深化設(shè)計(jì)、模擬施工過(guò)程和建立合理的工程管理體系。蔣平江[23]以金沙江雙線特大橋?yàn)楸尘埃谶_(dá)索平臺(tái)，利用Catia建立地質(zhì)和全橋的BIM模型，通過(guò)Delmia模擬施工過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了大橋安全、有效、智能施工。智鵬[24]通過(guò)Tekla模擬了泰和贛江特大橋各種復(fù)雜的施工工藝和施工過(guò)程，實(shí)現(xiàn)三維可視化交底和施工過(guò)程的精細(xì)化管控。

3.1 BIM在施工階段中的主要應(yīng)用

在施工準(zhǔn)備階段，施工人員和BIM技術(shù)人員根據(jù)設(shè)計(jì)方交付的施工圖并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境和施工資源，完成施工模型。現(xiàn)場(chǎng)人員根據(jù)施工模型進(jìn)行沖突檢查、設(shè)計(jì)校核和施工圖優(yōu)化，隨后根據(jù)施工方案模擬施工過(guò)程并對(duì)施工方案進(jìn)行優(yōu)化[25]。在施工實(shí)施階段，BIM主要起協(xié)調(diào)各方有效地、有序地完成進(jìn)度管理、工程計(jì)量、成本管理、質(zhì)量管理和安全控制的作用，施工人員對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和動(dòng)態(tài)管理。施工過(guò)程中產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)信息是后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段信息化管理的基礎(chǔ)，因此施工單位在施工完成后還需整理留存相關(guān)數(shù)據(jù)信息，在項(xiàng)目竣工驗(yàn)收后將數(shù)據(jù)信息交付運(yùn)營(yíng)維護(hù)單位。

3.2 BIM在施工階段應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

BIM在橋梁施工中能發(fā)揮明顯優(yōu)勢(shì)，主要有以下幾點(diǎn)：

(1) 施工人員對(duì)施工過(guò)程實(shí)行全程實(shí)時(shí)監(jiān)控，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工中存在的問(wèn)題并提出解決措施；

(2)施工人員能科學(xué)安排和調(diào)控施工進(jìn)度，從而有效控制施工周期；

(3) 基于實(shí)時(shí)和動(dòng)態(tài)的管理，施工人員可在合理范圍內(nèi)控制成本；

(4) 基于合理、有序、有效的信息化管理，施工質(zhì)量能得到提高。

4 BIM在橋梁工程運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段是橋梁工程全生命周期中持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)、信息收集量和信息管理量最大的階段，因此需建立一個(gè)完整的、高效的運(yùn)維體系來(lái)保證橋梁的安全運(yùn)營(yíng)[26]。劉天成[27]以平塘特大橋?yàn)楸尘?，基于BIM進(jìn)行建養(yǎng)一體化設(shè)計(jì)和平臺(tái)搭建，研發(fā)了BIM信息管理系統(tǒng)。耿方方[28]對(duì)基于BIM的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)展開(kāi)研究，建立了橋梁安全運(yùn)維的多用戶協(xié)同管理和監(jiān)測(cè)養(yǎng)護(hù)一體化管理平臺(tái)?？偟膩?lái)看，BIM在運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的應(yīng)用主要涉及到安全管理體系和安全評(píng)估體系。

4.1 基于BIM的安全管理體系

橋梁在運(yùn)營(yíng)前已累積了設(shè)計(jì)、施工等階段的大量數(shù)據(jù)，后期會(huì)繼續(xù)輸入運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的數(shù)據(jù)信息，傳統(tǒng)管理模式難以高效地處理如此龐大的數(shù)據(jù)，因此管理效率較低。將具有信息化功能和可視化功能的BIM運(yùn)用到橋梁運(yùn)營(yíng)階段，可以實(shí)現(xiàn)橋梁設(shè)計(jì)、施工信息、運(yùn)營(yíng)階段常規(guī)信息和結(jié)構(gòu)安全信息的統(tǒng)一管理。管理人員通過(guò)三維立體的形式隨時(shí)查看橋梁狀態(tài)，并可細(xì)化到每一構(gòu)件，根據(jù)其編碼追溯到構(gòu)件所有基本信息[29]?；贐IM的信息管理系統(tǒng)能實(shí)時(shí)對(duì)信息進(jìn)行分類、整理、存儲(chǔ)、更新、提取和可視化輸出，給維護(hù)人員提供動(dòng)態(tài)有效的信息。除此之外，各方通過(guò)基于BIM搭建的協(xié)同工作平臺(tái)進(jìn)行信息資源共享，隨時(shí)在線交流，及時(shí)共同制定相關(guān)決策，為橋梁的安全運(yùn)營(yíng)提供便利[30-31]。

4.2 基于BIM的橋梁安全評(píng)估體系

BIM平臺(tái)通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)和遠(yuǎn)程高效傳輸技術(shù)獲得實(shí)時(shí)環(huán)境、荷載和橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)[27]。然而，由于獲取的數(shù)據(jù)量多、復(fù)雜和具有隨機(jī)性，如果不對(duì)數(shù)據(jù)加以處理，可能會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的失真[28]。因此，BIM平臺(tái)還需對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別和挖掘，以提取有效信息。最后，BIM平臺(tái)中的綜合評(píng)估模塊基于有效的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和其他管養(yǎng)信息對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)的安全評(píng)估、智能預(yù)警和決策。

4.3 BIM在運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

BIM在運(yùn)維階段主要能發(fā)揮以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

(1)基于BIM搭建的管理系統(tǒng)集成了設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維的信息，為管理人員提供了一個(gè)便捷有效的平臺(tái)，相較于傳統(tǒng)管理模式，提高了管理的效率并有效減小錯(cuò)誤率，降低了管養(yǎng)成本；

(2)管理人員對(duì)橋梁運(yùn)營(yíng)實(shí)行實(shí)時(shí)可視化監(jiān)測(cè)與檢測(cè)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁的薄弱環(huán)節(jié)，以便立即采取相應(yīng)措施；

(3)基于協(xié)同工作平臺(tái)，各部門(mén)能及時(shí)共享資源信息，提高了工作效率。

5 展望

近年來(lái)，我國(guó)部分重大橋梁項(xiàng)目應(yīng)用了BIM技術(shù)。渝黔鐵路新白沙沱長(zhǎng)江特主橋是世界上首座雙層橋面布置的鐵路斜拉橋，也是我國(guó)高速鐵路建設(shè)進(jìn)程中首批將BIM應(yīng)用到設(shè)計(jì)和施工階段的重點(diǎn)項(xiàng)目之一。該項(xiàng)目綜合應(yīng)用4D-CAD和BIM等最新技術(shù)，在設(shè)計(jì)和施工階段實(shí)現(xiàn)信息傳遞和共享的目標(biāo)[32]。福廈鐵路泉州灣特大橋跨越多條市區(qū)道路和航道，為滿足通航要求，全橋需設(shè)計(jì)多種大跨結(jié)構(gòu)和特殊結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)人員通過(guò)Catia平臺(tái)建立全橋BIM模型(圖1)，并實(shí)現(xiàn)了基于Catia平臺(tái)的各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，大大推進(jìn)了BIM在鐵路橋梁設(shè)計(jì)的應(yīng)用[33]。永定河特大橋主體結(jié)構(gòu)形式新穎，主塔采用空間三維曲面布置，傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)難以完成設(shè)計(jì)任務(wù)。設(shè)計(jì)人員引用BIM，有效解決了鋼塔扭曲面的設(shè)計(jì)和優(yōu)化等技術(shù)難題，引入了通用性的模版資源(圖2)，并為后期施工和運(yùn)維提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)模型[34]。

圖1 福廈鐵路泉州灣特大橋BIM模型[33]

圖2 錨固螺栓UDF實(shí)例化[34]

本文通過(guò)對(duì)BIM在橋梁設(shè)計(jì)階段、施工階段和運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行研究，能看到將BIM應(yīng)用到橋梁工程中會(huì)帶來(lái)巨大的價(jià)值效益。然而，由于交通基礎(chǔ)設(shè)施具有不同階段技術(shù)的復(fù)雜性和參與角色的多樣性等特點(diǎn)，相較于工民建領(lǐng)域，BIM在橋梁中的發(fā)展較為緩慢。目前，BIM在我國(guó)橋梁上的應(yīng)用大多還停留在設(shè)計(jì)階段和施工階段，在運(yùn)營(yíng)階段的應(yīng)用和研究相對(duì)較少。在橋梁領(lǐng)域，我國(guó)現(xiàn)階段缺乏BIM相關(guān)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、橋梁專業(yè)對(duì)口軟件和統(tǒng)一的協(xié)同工作平臺(tái)，建設(shè)各階段和各部門(mén)都各自為戰(zhàn)，信息不能進(jìn)行有效傳遞，BIM的應(yīng)用無(wú)法貫穿設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維階段。隨著應(yīng)用研究的不斷深入，上述問(wèn)題會(huì)被逐一解決，未來(lái)BIM在橋梁領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)更廣泛和深入，應(yīng)用貫穿橋梁全壽命周期，給社會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。