劉文 LIU Wen

（湖南省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司，長沙 410200）

0 引言

BIM 技術作為一種新型設計手段，在公路、鐵路等交通基礎設施領域逐漸普及，橋梁工程作為交通基礎設施重要組成，近年來在BIM 技術應用方面取得了一定的進展。然而結(jié)合實踐情況分析，不少橋梁工程依舊停留在BIM翻模設計層面，究其原因在于橋梁設計階段設計方式、設計成果交付方式均未實現(xiàn)信息化，各階段信息未準確有效傳遞。由此，BIM 正向設計概念被提出，希望使BIM 應用從設計階段向下兼容，實現(xiàn)信息自上而下的流通，最終達到成果信息化、標準化交付的目標，本文主要從BIM 正向設計的角度出發(fā)展開詳細分析。

1 橋梁工程設計概述

橋梁作為公路交通領域不可或缺的一部分，承擔著重要的交通作用。近年來我國公路橋梁數(shù)量和里程逐年增長，根據(jù)交通運輸部數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2020 年中國公路橋梁數(shù)量達到91.28 萬座，較2019 年增加3.45 萬座，數(shù)據(jù)表明未來我國橋梁建設依然有巨大的發(fā)展空間。隨著經(jīng)濟發(fā)展以及技術水平的提高，人們對橋梁建設的質(zhì)量、壽命都有了更高要求。然而橋梁工程存在設計效率低下、施工管理難度大等問題，設計作為整個項目的初始階段，通常要經(jīng)過概念設計、方案設計、設計前期、初步設計和施工圖設計等環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)橋梁設計以CAD 圖形為基礎，不利于自動化設計、數(shù)據(jù)化分析和信息化管理，對于精細化的設計質(zhì)量難以把控，重復化的工作難以簡化，進而設計質(zhì)量有缺陷，生產(chǎn)效率不高。因此對于我國橋梁工程建設，為朝向信息化、數(shù)字化的目標發(fā)展，為解決傳統(tǒng)橋梁設計流程中存在的問題，優(yōu)化和改善橋梁設計流程，運用BIM 技術實現(xiàn)數(shù)字化、信息化的設計體系，從而提升設計產(chǎn)品的質(zhì)量，減少設計出錯，提高生產(chǎn)效率，縮小設計誤差。

BIM 技術代表了更加智能化、信息化的一種生產(chǎn)方式，在橋梁工程中的應用價值值得深入探討。與房屋建筑相比，橋梁異形構(gòu)件更多，即使是簡支梁橋、空心板梁橋此類簡單橋型，依舊存在道路線型、橫縱坡設置等變化，因此在實現(xiàn)批量式生產(chǎn)、裝配式建造時面對更多的問題。此外，目前國內(nèi)缺少專業(yè)的三維設計軟件，橋梁異形構(gòu)件多，軟件內(nèi)無法包含主梁梁體、橋墩等全部構(gòu)件庫，且橋梁工程多屬于道路工程、鐵路工程中的一項，整個項目里程長、體量大，建立BIM 模型的軟件無法同時保證建模精度與體量。2021 年，交通部推出了最新的交通行業(yè)BIM 標準，如：《公路工程信息模型應用統(tǒng)一標準》（JTG/T2420-2021）、《公路工程設計信息模型應用標準》（JTG/T2421-2021）、《公路工程施工信息模型應用標準》（JTG/T2422-2021）等，為橋梁信息模型實現(xiàn)數(shù)字化交付提供了參考。BIM 的應用在橋梁工程中的應用逐漸從施工階段延伸至上游設計階段，并隨著對設計效率要求的提高，BIM 參數(shù)化建模也逐漸發(fā)展，目前行業(yè)內(nèi)強調(diào)正向設計與BIM 結(jié)合，此種設計方式簡化了橋梁設計流程，直接提供指導施工的圖紙，且對全套橋梁圖紙輸出做出標準化示范，一定程度上提高了設計效率，本文著重圍繞此展開詳細分析。

2 BIM 技術在橋梁工程設計中的應用優(yōu)勢

BIM 技術應用于橋梁工程中優(yōu)勢在于改變了傳統(tǒng)設計模式下的成果交付，提高了設計效率，深化了設計質(zhì)量；同時應用BIM 技術改變了傳統(tǒng)設計模式的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，可達到更加有效的數(shù)據(jù)化和信息化管理，信息儲存更加安全長久，信息交互范圍更加廣泛，信息利用程度更加充分，BIM 技術在橋梁工程設計中的應用優(yōu)勢總結(jié)如下。

2.1 設計成果方面

BIM 技術應用于橋梁工程項目中設計成果包含三維可視化信息模型及由該模型衍生出的數(shù)據(jù)化成果如：三維可視化模擬動畫、三維仿真模型、二維工程圖紙、工程量數(shù)據(jù)等等。模型從概念設計階段到方案設計階段其精度不斷加深滿足不同需求，各設計成果之間數(shù)據(jù)信息聯(lián)系緊密，聯(lián)動變化及時。三維可視化成果的展示效果更加利于同非專業(yè)人士進行溝通和理解，提高決策的可靠性。

2.2 設計效率方面

BIM 技術設計模式采用模型參數(shù)化、模塊化設計，將具體的橋梁構(gòu)件按功能和屬性進行模塊劃分，同時對于同類構(gòu)件進行參數(shù)化設定，用戶后期可按參數(shù)改變尺寸適用于不同環(huán)境項目需要。BIM 設計模式將不局限于傳統(tǒng)二維設計中點、線的繪制，深化到對于適用性和適配度極高的模型設計中，模型適配度越高、模型庫越豐富，這將方便后期各類用戶直接使用，極大縮減了重復性繪圖工作，提高了生產(chǎn)效率。參數(shù)化設計便于設計人員綜合考慮力學需求、經(jīng)濟性需求、美學需求等等，不斷改變參數(shù)值以模擬得到最佳適配方案，同時不會加大設計人員制圖的工作量。三維可視化設計則利于對復雜三維空間結(jié)構(gòu)進行把握，對三維空間結(jié)構(gòu)可利用多角度視圖、剖面圖等視角進行詳細設計和理解，大大降低了空間想象的難度，也增加了對空間交叉關系的精確把握。協(xié)同設計也將便于同專業(yè)不同設計人員、不同專業(yè)的設計人員就同一項目設計模型進行交互，保障了數(shù)據(jù)傳遞的完整性、及時性、統(tǒng)一性。

2.3 設計質(zhì)量方面

BIM 技術設計模式將有助于提高結(jié)構(gòu)體設計質(zhì)量，結(jié)構(gòu)體在傳統(tǒng)二維設計模式中可能存在空間交叉關系的錯誤難以從二維圖紙中發(fā)現(xiàn)，而BIM 技術可直觀化發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體隱藏的幾何問題，利用碰撞檢查功能還可以發(fā)現(xiàn)特定的軟、硬碰撞問題，及時發(fā)現(xiàn)設計問題從而修改，在施工過程中避免了因設計缺陷造成的變更和返工，設計質(zhì)量得到有效保障。BIM 技術可直觀化表達結(jié)構(gòu)體復雜的空間幾何關系，信息化模型可提供設計人員以多種用途的分析，例如：仿真模擬分析其受力性能保障結(jié)構(gòu)體受力良好、施工模擬以提供施工單位以建設指導方案等等，基于信息化模型的分析皆具有詳細數(shù)據(jù)支持，提高了決策的科學性，提高設計質(zhì)量。

2.4 信息儲存方面

BIM 設計模式將數(shù)據(jù)以集成數(shù)據(jù)庫形式儲存，項目相關的所有信息皆儲存于模型之中，例如：橋梁構(gòu)件幾何信息、材料信息、力學信息等，信息的寫入和調(diào)用皆基于模型數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)完整且查找快捷，各數(shù)據(jù)信息之間存在邏輯和約束上的聯(lián)動變化，保證數(shù)據(jù)信息的可靠性。由BIM 模型為基礎可提供其他需求分析以輸出相關中間資料及設計成果，信息儲存在BIM 技術模式下將高度集成，統(tǒng)一管理和調(diào)用。

2.5 信息交互方面

基于BIM 技術模式進行計算機自動化交互，目前可通過IFC 標準或二次開發(fā)特定需求功能等實現(xiàn)，例如BIM模型導入仿真模擬軟件中進行仿真分析，免去重復建模過程，該模式下信息交互能有效降低出錯概率，減少工作量，提高工作效率。

2.6 信息利用方面

BIM 技術模式下信息集成化程度高，對于不同階段不同需求的信息利用皆有很好的支持，信息傳遞過程基本完整且高效。數(shù)據(jù)化和信息化是未來發(fā)展的方向，對于信息的利用將會在運營維護階段與健康監(jiān)測系統(tǒng)、風險評估系統(tǒng)等發(fā)揮更大作用，保障結(jié)構(gòu)體安全運營，為未來綠色可持續(xù)工程提供數(shù)據(jù)支持。

3 實例探析橋梁工程設計BIM 技術應用要點

3.1 工程概況

本項目為某市政工程，項目全長約8.95km，為城市快速路，設計速度80km/h，道路紅線寬28～80m，采用主輔路布置，主路雙向6 車道，輔路雙向4 車道。全線設立交3座，隧道3 座，橋梁5 座，總投資約42.5 億元。

3.2 BIM 設計方案與目標

3.2.1 BIM 設計方案

本項目是典型的復雜市政快速路項目，線路里程長，涵蓋專業(yè)多，周邊環(huán)境復雜，線路與多條主供水管、油氣能源管道、多檔高壓電線共走廊，且沿線密布基本農(nóng)田、村莊建筑、河流水系、墓地等，路線受限因素繁多，選線難度大。此外涉及與中石油、中石化、燃氣、供電、水務、高速、地鐵、交通等專項協(xié)調(diào)，專項數(shù)量多，協(xié)調(diào)難度大；工程實施面臨沿線重大管線保護、高壓鐵塔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、橋梁施工安全、施工期高速公路保通等諸多復雜問題，實施難度大。為切實保障路線總體方案的合理性，確保施工與運營期間結(jié)構(gòu)與交通安全，提升設計過程中的內(nèi)部協(xié)同與外部協(xié)調(diào)效率，提升設計成果質(zhì)量，項目從方案設計初期便開始使用BIM技術進行三維正向設計，并引入BIM+GIS 技術、虛擬建造技術、物聯(lián)網(wǎng)云交互技術等，以直觀高效地展示設計意圖，實現(xiàn)BIM 模型的賦能增值。

3.2.2 BIM 設計目標

結(jié)合本項目線路長、專業(yè)多、邊界條件復雜、協(xié)調(diào)溝通多的特點，確定了依托項目開展BIM 正向設計的目標，即在三維設計環(huán)境中開展設計工作，以三維BIM 模型為中心，開展方案研究、性能分析、碰撞檢查、工程量統(tǒng)計及圖紙輸出等，實現(xiàn)多專業(yè)三維協(xié)同設計。同時，為延伸拓展BIM 模型的價值，通過引入了BIM+GIS 技術、施工仿真技術、移動端交互技術，以有效提升設計溝通效率，促進科學決策，實現(xiàn)BIM 模型的附加值。

3.3 橋梁工程設計BIM 技術應用要點

3.3.1 正向設計流程

項目在傳統(tǒng)設計基本流程上，結(jié)合行業(yè)、地方、企業(yè)正向設計標準及設計協(xié)同機制，制定了以模型為中心的三維正向設計流程，如圖1 所示。

圖1 正向設計流程

3.3.2 軟件平臺及協(xié)同機制

項目針對道路、橋梁、隧道、管網(wǎng)等主體專業(yè)，確定了相應的三維設計協(xié)同機制及對應節(jié)點的軟件平臺。

3.3.3 BIM 正向設計

①環(huán)境模型構(gòu)建。項目利用無人機航拍技術采集沿線現(xiàn)場地形及影像數(shù)據(jù)，處理形成全線三維傾斜攝影模型。依托現(xiàn)場仿真模型，進行虛擬踏勘，以便高效、精確地掌控項目沿線邊界條件。提取與處理地質(zhì)鉆探數(shù)據(jù)，構(gòu)建地質(zhì)數(shù)字模型，為路基處理、結(jié)構(gòu)、橋梁下部、隧道精細化設計提供基礎條件。

②總體方案比選。結(jié)合項目沿線控制條件，初擬路線總體方案，快速建立各方案BIM 模型，基于模型開展總體路線方案及立交節(jié)點方案的綜合比選；采用BIM+GIS 技術整合BIM 模型與GIS 模型，進行方案的可視化評審。

③橋梁深化設計。橋梁采用R+GH+R 技術（三維造型軟件Rhinoceros（簡稱R）、參數(shù)化設計創(chuàng)新領域的設計插件Grasshopper（簡稱GH）、族庫存儲及信息化集成軟件Revit（簡稱R））開展參數(shù)化設計快速精確完成橋梁結(jié)構(gòu)模型；針對特殊節(jié)點或節(jié)段開展精細化設計、碰撞檢查；結(jié)構(gòu)計算方面，自主開發(fā)有限元分析軟件數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)BIM 模型與計算分析軟件間的無損數(shù)據(jù)傳遞及交互；通過定制開發(fā)參數(shù)模塊，一鍵式精確高效統(tǒng)計工程數(shù)量。

3.3.4 BIM 拓展應用

①景觀藝術審查。為形象清晰地表達景觀設計方案，采用BIM+GIS+景觀布置的方式進行景觀方案設計，并輸出游線動畫供景觀方案審查。②交通導改模擬?；谠O計模型，運用Fuzor 對疏解方案各階段施工內(nèi)容進行模擬，以確定最佳施工期間導改與建設方案。③移動端交互。項目在設計成果的表達上，利用“三維+二維”相結(jié)合的方式，使設計成果表達更加清晰直觀。通過掃碼直接在手機呈現(xiàn)構(gòu)件的BIM 模型，使參建各方能夠快速、準確地了解復雜構(gòu)造，如圖2 所示。

圖2 移動端圖模交付

3.4 BIM 技術應用效果

本項目橋梁工程設計中，采用了BIM+GIS 技術、虛擬施工技術、云物聯(lián)網(wǎng)技術等，形成了以模型為中心的正向設計技術路線，探索了多專業(yè)的三維協(xié)同設計，進一步外延了BIM 模型的附加價值，達成了項目的應用目標。

4 結(jié)語

綜上所述，與建筑工程項目相比，橋梁工程設計BIM 技術應用存在一定的滯后情況，這既有行業(yè)特點本身因素，又有傳統(tǒng)觀念束縛。隨著BIM 正向設計方法的推廣運用，可將BIM 技術的優(yōu)勢深入到設計階段的各部分實踐中，本工程實踐中通過BIM 正向設計有效攻克了工程中所遇到的復雜問題，并能輕松靈活地將二維設計成果無法詳細表達的內(nèi)容通過自身三維的優(yōu)勢清晰直觀地準確展示，全面提高了項目設計效率與質(zhì)量。本項目的成功實踐可為類似項目提供有益的參考，且隨著行業(yè)對BIM 理念理解的加深，BIM 技術進一步成熟，相信BIM 技術會給橋梁工程設計帶來更為深遠的價值和影響。