BIM在橋梁工程全生命周期中的實施路徑

全生命周期各階段BIM應用

設計階段應用

依照行業特點，鐵路橋梁的全生命周期 分設計、施工、運營維護３個階段。BIM在設計階段應用分為兩類：一是試點初期采用翻模方法建立BIM模型，即設計院交付施工圖，再以圖紙為依據建立BIM模型；二是應用BIM軟件進行正向設計，即在沒有圖紙的情況下由設計人員按照設計理念直接建立BIM模型，并由模型生成可以交付的施工圖。

翻模建立BIM模型

翻模方式（先有圖紙，后有BIM模型）是應用BIM技術初期必然經歷的階段。對于設計領域的思維、流程、業務等改變很小。因為一般是以小組的方式小范圍、試驗性地開展；主力設計人員的參與度不是太高；由于施工圖已經交付、設計的主要工作已經完成，該方式能夠產生的直接價值相對較小，更多的是附加的間接價值，且對工程建設僅是輔助性指導，無法滲透到項目深處。翻模方式應用點主要有：碰撞檢查、工程量統計、局部復雜部位的設計優化和出圖、與有限元軟件的結合等。

碰撞檢查是BIM模型的固有優勢，二維設計時未發現的空間幾何沖突在BIM模型中將逐一呈現。對于橋梁工程來說，此應用更加適用于鋼結構橋梁，鋼結構橋梁的設計精度高，設計時必須考慮空間上的沖突，如果在BIM模型中發現碰撞，則必須對設計圖紙進行修改。而對于混凝土橋梁，碰撞檢查的應用價值較低?；炷翗蛄涸O計時一般為整體上原則性、關鍵性考慮，施工的實際情況和設計總會有或大或小的差異，因此目前混凝土橋梁的設計方法與BIM技術的要求有較大差距。

工程量統計也是BIM模型的固有優勢，只要模型精度滿足要求，工程量即可快速便捷獲得，便捷性要遠高于傳統二維設計。以鋼結構橋梁為例，BIM模型的精度與施工圖的精度一致，在統計高強螺栓數量時，可以按照直徑、長度分類統計，其效率和精度要大大于傳統設計。

局部復雜結構深化設計是將復雜的空間特性顯著的部位進行BIM建模，利用幾何體的空間關系通過布爾運算完成真實的三維模型，由模型來繪制二維的圖紙。其降低了平面設計時對大腦的空間想象能力的要求和依賴，實現了所見即所得；提高了設計的準確性和精度，降低了出錯的概率；該部位的錯漏碰缺可以一次性徹底解決。

更深一級的BIM應用會涉及BIM模型與有限元計算的結合，即由BIM模型轉到有限元軟件或由有限元軟件轉到BIM模型。作為研究其技術路徑是暢通的，但是到具體應用環節還有較多問題需要系統性解決。如混凝土結構BIM模型可以轉為實體單元進行加載和計算，但如果混凝土箱梁結構轉化為梁單元進行成橋分析需一系列假定并補充分析需要的若干信息。對鋼結構而言，BIM模型轉化為實體、板殼、梁單元都需要對螺栓連接進行簡化處理，除非是專門研究螺栓的受力，通常情況下是需要將螺栓甚至全部連接細節忽略進行簡化處理。也就是說力學模型和BIM模型是兩個有一定交集但又各自獨立的子集。

保證工期、質量和成本有直接的影響。進度的安排需綜合考慮多種因素，將BIM技術應用到進度的實時展示，再進一步實現對進度的管理和控制，促進傳統管理的變革。BIM模型各構件與時間關聯，即可以展示進度計劃和實時進度，而對于進度進行管理和控制則需要成本等信息。

精細化工程量的統計也是施工階段的重要應用。隨著模型等級的提高，其精細度有了進一步提升，用模型統計出來的工程量將更為準確，可以按照不同分類標準進行分類，便于施工組織。以滬通長江大橋鋼桁梁為例，鋼板厚度8～50ｍｍ，型號多達幾10種，通過BIM模型就可以方便快捷地根據厚度和材質對鋼結構進行分類，方便鋼梁廠進行物料管理。

運維階段應用

相對建筑行業運營維護階段的應用有空間管理、設施管理、應急管理、節能管理等應用點，橋梁結構在運營階段管理的內容側重于保障橋梁功能的正常運行。因此，鑒于這些特點，橋梁運營維護期間，BIM模型會隨著時間的推移不斷添加日常維修養護信息及健康監測信息，從而形成具有運營階段信息的BIM模型，考慮到運營維護階段維持百年左右，運營維護階段的信息量將非常龐大，海量數據的處理將十分關鍵。

通過BIM技術的使用，設計、施工階段的有價值信息得以延續到運營維護階段，可為管理部門提供維修養護的支撐數據，如構件的尺寸、材質、母材的出廠信息、制造的參數、施工的記錄等。這些集中存放的信息將會為構件的保養、維修、更換提供支持。

健康監測系統近十年在大型和特大型橋梁上布置得比較多。測量加速度、位移、應變、溫度等的測點按照設定的采樣頻率源源不斷地向系統數據中心推送海量數據，通過對數據的過濾、處理、分析推斷結構的安全健康狀態。對于數據的挖掘做進一步深入研究，可使健康監測系統發揮更加重要的作用。將健康監測系統與BIM模型結合，將具有分類和編號的測點模型作為BIM模型的一類對象（構件），這些對象具有隨時間不斷增長的數據信息，根據單一測點隨時間變化的規律及不同測點數據之間相互關聯的變化甄別結構的狀態變化，智能及半智能判斷結構的損傷、劣化情況，形成數字化的管養基礎，是運營維護階段BIM應用的發展方向。

關鍵技術

目前橋梁工程中BIM技術應用還處于起步階段，仍然不成熟，需要攻克以下關鍵技術。

設計階段應用關鍵

目前BIM軟件以國外軟件為主流，且與鐵路行業各專業特性有一定距離。推廣BIM技術關鍵是各專業打造出符合設計流程、設計理念的本土化軟件。需要解決專業特點、協同設計、成圖、集成交付等方面的問題。

BIM軟件中體現專業特性

按照鐵路項目的工程實體，分層級進行構筑物建模。如鐵路線從線路中心線入手在中心線上附著路基、站場、橋梁、隧道等建筑物，線上建筑物與中心線有關聯，中心線發生變化其上建筑物也隨之按照專業規范變化。所有構筑物的劃分必須符合鐵路工程實體分解和編碼。

以橋梁專業為例，在設計時以線路總體為依據設計橋梁結構，這一點與現行的設計習慣是一致的，而目前的BIM建模還不能實現橋梁與線路中心線的聯動，在線路變化時需要人工干預將橋梁結構移動到變化后的線路中心線上。鐵路桁架梁是由若干桿件組成的桿件體系，首先設計的是桁架梁的系統線，即由桿件的中心線組成的空間網格，其次是設計各桿件的斷面，此時可以進行受力分析確定系統線和桿件斷面是否合理，之后再進行桿件間的連接設計，各桿件在交匯處做切割處理，用節點板和螺栓進行連接。即LOD200（初步設計精度）和LOD300（施工圖設計精度）的階段，目前一般是直接建LOD300的模型，未經過LOD200環節，因此設計的思路還沒有很好地體現。如要體現設計環節的應用并消除在設計推廣的障礙，設計本土化、專業化的BIM軟件是唯一出路，軟件至少要能夠符合鐵路BIM聯盟已經發布的IFD和IFC標準，最好能逐步納入相關專業的設計理念。

鋼結構橋梁設計的特殊性

鋼結構橋梁跨度大，在重力場作用下，梁會受彎下撓，為了保證線路的平順，設計時會設置預拱度。當消除重力場的作用時（結構的無應力狀態）結構是上拱的，上拱的量值因跨度、結構形式不同而不同，一般在幾十至幾百毫米的量級范圍。當實際架設時，結構在重力作用下預拱度會和撓度變形相抵消，保證了結構在實際運行時的平順性。即結構的無應力狀態（制造尺寸）與成橋狀態在外形和構件尺寸上是有差異的。如果要考慮設計模型向制造模型交付，在建立模型時需按照結構的無應力狀態來建立，按照無應力狀態建立的模型放置到整體模型中，幾何關系是不吻合的。如何克服這一問題，目前還未有很好的辦法，最為有效的方法還是寄希望于BIM軟件能夠顯示成橋重力場作用下的幾何外形和用于制造的BIM模型。

施工階段應用關鍵

• 設計階段模型應能直接用于制造，尺寸準確。如在鋼桁梁的設計中，為設置預拱度，其上弦桿的無應力尺寸要比成橋狀態長19ｍｍ，模型應按無應力尺寸建立，否則無法應用于鋼梁制造
• 鋼結構橋梁構件由鋼板組成。套料時各板件外形不是BIM模型中的外形尺寸，而需增加切割余量，此余量包含焊接收縮、切割邊打磨的量值。而切割余量的影響因素過多，目前尚需人工添加，無法實現智能化自動添加
• BIM模型中建立的焊縫在與焊接機器的信息傳遞方面尚有技術難題需要解決
• 制造完成的構件與設計理想狀態存在誤差?？赏ㄟ^三維攝影或激光掃描等技術手段建立由點云組成的構件三維模型，然后將此點云模型和制造BIM模型進行比較得出。在建立出廠構件的三維模型時，需要在精度和效率方面改進，并且還需要專用的虛擬拼裝分析軟件，因為虛擬拼裝是帶誤差的拼裝，不能嚴格地幾何對齊和保持嚴格的相對關系

施工階段BIM應用將施工過程中的信息隨著時間的推移對設計BIM模型進行不斷的補充，形成具有施工信息的LOD400（建造階段精度）級BIM模型。施工信息是施工建設業務信息化與BIM模型的結合，信息是伴隨施工工作推進自動形成的，而非為了BIM工作而單獨準備的數據。施工工作的信息化是完成BIM在施工階段實質應用的前提。比如施工中各工序卡控的

環節、施工日志的信息均可以作為BIM在施工階段的信息加以存儲，需要有共同認可的格式。以達索和BENTLY軟件的BIM實施路徑看，建模軟件是其中的一部分，更為重要的是協同設計的平臺軟件如ENOVIA和ProjectWise，可是這兩個能夠將數據融合的平臺在實際應用中還無法和工程實際相結合，其中主要原因是我國工程建設模式和管理方式和國外有較大差異。BIM技術在應用中還存在瓶頸，缺乏協同平臺。

運維階段應用關鍵

目前運營維護階段的BIM應用以健康監測系統為主，通過在結構上布設各類元件，如測加速度、撓度、應變、溫度等元件，將采集的各類測點的元件信號轉化為所表征的數據。通過對數據的處理、轉換、分析，分析結構狀態的變化、判斷結構安全狀況。健康監測所獲得有價值的數據作為BIM在運營維護階段的信息，不斷完善補充BIM模型信息。健康監測系統與運營維護的具體業務相結合，逐步向數字化管養發展。健康監測系統獲得的數據可以分析變化規律，揭示結構受力變化，較人為間斷觀測有明顯的優勢，更容易發現問題利于預防。

但是目前健康監測仍存在需要解決的難點：元件布置以反應結構的總體狀況為目標，監測結構局部發生的變化有難度。如構件上發生的裂紋，連接的損傷等，難以準確反應；元件工作受外部環境影響，穩定性、可靠性不足，導致數據不連續、不穩定；大數據分析手段尚未發揮作用，原始數據反映有價值的內容有限，需要進行數據處理，如小波變換等；健康監測的理論與實踐未成熟，因此需要一套堅實的理論去支撐，以此指導目前的元件布設原則，使系統的布置更合理，更有針對性。

貫通三階段BIM信息

BIM模型中信息貫穿生命周期各階段才能實現BIM價值的最大化。將設計、施工、運營維護三階段數據進行傳遞、延續和利用，是BIM的核心理念。

需要有各階段BIM模型和信息結構化及存放的標準，這樣各階段產生的信息，才能按照公共遵守的格式存儲，也只有這樣才能保證其他階段、其他軟件將數據準確方便識別并加以應用。通過基礎理論研究制定的相關標準是各階段模型、業務數據化的準則，是數據傳遞應用的基礎和前提。

需要支持所開展應用的基礎性數據平臺，將各階段所開展的業務形成數據化的信息存放于基礎性數據庫中，可以供后續階段其他應用來獲取必需的信息以便開展自身的業務。數據平臺的建設不是簡單地建立一個數據庫，而是與特定的軟件系統相關聯，各階段的業務通過平臺來進行，伴隨業務完成，生成的是基礎性數據庫，庫中的信息可以供其他平臺來調用。各種應用（平臺）構建在基礎性數據庫之上，數據是應用的支承。

需要各階段的平臺建設，設計階段根據不同的設計類型應用若干的平臺完成相關的設計，如鋼結構橋梁BIM設計軟件、混凝土結構BIM橋梁設計軟件、橋梁下部結構BIM設計軟件等。所有的設計最終成果是符合標準的數據庫。施工階段應用圍繞施工業務以設計階段形成的數據庫中的信息搭建，施工業務的開展豐富了設計BIM的信息，所增加的信息存放于標準格式的數據庫中。同樣運營維護階段的應用也是以設計和施工BIM信息（基礎數據庫）為支撐，開展運營維護階段的業務。運營階段的業務也存放于基礎性數據庫中。