橋梁工程全生命周期一體化研究

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摘要：BIM常應用于建筑結構的設計和施工階段，為促進BIM技術在橋梁工程全生命周期一體化的應用，本文提出基于BIM技術的橋梁工程全生命周期一體化的技術框架和一般性應用流程，并以某實際工程為例，分階段闡述并研究了具體的實施步驟和關鍵點。結果表明，基于BIM技術的橋梁全生命周期一體化應用，可提高工程效率，有效解決項目前期設計建造和后期運營維護中遇到的難點問題。本文豐富了橋梁全生命周期一體化應用方案，為同類課題的研究人員和相關工程技術人員提供參考。

關鍵詞：建筑信息模型；橋梁工程；全生命周期；一體化管理

橋梁作為主要的基礎設施之一，直接影響到沿線人民的出行，關乎國民經濟的發展，無論在前期設計建造還是后期運營維護均應給予足夠的重視。由于橋梁工程項目往往較為復雜，無論在設計規劃、施工作業還是后期的運營維護階段常需要多專業、多部門的協同工作，使得各部門間信息實時共享難度大，橋梁各階段的控制與管理均較困難［1］。近年，隨著計算機、通信和智能檢測等領域的不斷發展，為工程項目實時信息收集、共享與傳遞提供了必要條件，BIM技術也因此得到了越來越多的應用。BIM技術具有信息高度集成的特點，可以提供信息實時共享的數據平臺，應采用合適的技術路線與應用流程為項目設計、施工、運營維護等各階段提供較為全面的信息數據支持和方案可行性驗證，實現工程全生命周期的數據共享與傳遞，使各部門對工程項目情況的實時追蹤成為可能。

1BIM在橋梁工程中應用的技術框架

通過將地理環境、材料造價、設備清單等信息載入BIM技術平臺，利用Revit、Fuzor等軟件綜合處理，將BIM技術與橋梁生命周期的各個階段相結合，建立BIM技術的橋梁工程全生命周期一體化的技術路線和基本框架（如圖1所示）。圖1中展示了BIM技術在橋梁工程項目主要階段的應用示例，首先將地理信息載入BIM平臺，根據環境信息，進行橋梁選線，再根據設計信息，在Revit中進行三維模型設計，并載入Lumion中進行效果展示以便于方案比選。在確定橋梁方案后，再進行配筋等施工圖的設計；隨后，根據BIM虛擬施工平臺進行施工模擬，確保施工過程的安全合理；最后，將橋梁信息進行集成，實現對運維階段的管理。該基本框架通過傳統設計手段與BIM軟件的有機結合，有地的提升了工程效率和信息利用率。

2工程案例

2．1工程概況

1）橋梁方案。本橋梁項目，全長33．58m，橋梁按直線布設，墩臺平行布置，且橋臺處設有伸縮縫。橋梁上部結構采用3×10m變截面預制混凝土箱梁，如圖2所示；橋梁下部結構中，橋墩采用柱式墩，每個橋墩下連接2根鉆孔灌注樁；橋臺為柱式臺，臺下設置2根鉆孔灌注樁。橫坡為單向2％。橋梁模型如圖3所示。2）施工要點。有關施工工藝的標準，除了按照相關規范處理外，還應注意的是：施工前應進行坐標數據核算，在橋梁墩、臺處定位并對樁距進行校核，確定校核無誤后方可進行施工；施工過程中，應確保施工工藝流程準確與安全，規避潛在的風險；墩、臺、樁基礎施工時，如發生地質情況與設計采用的鉆孔資料有出入時，應及時進行反饋；最后由于橋梁施工環境復雜，應注意施工場地的布置，避免出現場地施工隱患。本工程作為BIM技術在橋梁全生命周期中的應用探索，將對其設計、施工、運維階段進行研究。

2．2規劃設計階段

BIM技術在橋梁設計階段的應用主要集中在設計方案的建模與信息反饋上。要想將BIM與橋梁設計有效的結合在一起，Revit建模是前提。建立“族”是Revit建模的核心思想，族庫的強大在于“參數化”，在族樣板中預先建立參數化模型，模型涵蓋了構件尺寸、材質、施工周期、廠家等信息。借助BIM技術平臺，采用Lumion程序實現全橋三維動畫，可實現造價、景觀等更為全面的橋式方案比選，以確定合適的橋梁方案。通過Revit三維模型與Midas、橋繪通等結構設計軟件相結合，確定材料強度、配筋數量等參數，并直接生成二維建筑圖紙與用量明細［2］，有效保證出圖的質量與效率。本文中橋梁項目模型的創建以變截面混凝土箱梁為例，首先應在輪廓族中建立箱梁輪廓并進行相應的參數化設置，進行尺寸約束和材質賦予；隨后將輪廓載入公制結構框架族樣板中，進行參數關聯并根據載入的輪廓進行放樣融合；最后進行變截面尺寸設定以建立箱梁模型，如圖3所示。箱梁創建完成后，在Revit族樣板中，依次對橋墩、橋臺、基礎等采用相同步驟進行創建并載入至項目中，并對蓋梁、樁基、附屬設施等進行配筋，如圖4～5所示，最后在項目中根據實際地形調整構件位置，得到完整的橋梁模型。在前期規劃設計完成后，利用BIM技術平臺的信息反饋優勢，較為便利地對設計方案進行不斷優化和設計校核，提高了設計人員的工作效率。

2．3施工階段

在橋梁工程中，對施工進行模擬與優化的目的在于針對施工環境的復雜性與預制構件的多樣性，確保其施工的可行性，同時實現降低施工風險、提升管理水平的目標，從而為施工提供參考。基于BIM技術的施工模擬與優化是將項目模型信息與施工信息相關聯，進而通過直觀的可視化模擬，分析進度安排是否合理、施工工序是否可行、資源管理是否協調、項目構件是否發生碰撞等，進而不斷優化施工方案［3］。施工階段的信息化模擬，具體包含以下內容。1）施工過程模擬。橋梁施工過程的模擬，主要通過將橋梁、附屬設施的三維信息模型與施工信息、場地信息相集成。一方面，以三維模型為基本，根據施工信息，進行直觀的過程模擬，分析各個施工階段的合理性；另一方面，可進行施工過程的場地協調性驗證，有針對性地進行場地空間共享、施工機械配置、材料運輸堆放等施工過程中場地的優化，如圖6所示。一旦發現施工過程中存在不合理情況，可及時進行方案修改并再次進行模擬，從而確保施工過程安全合理。2）進度模擬優化。基于BIM技術的施工模擬，可將模型信息與進度計劃相集成，建立基于時間維度的進度模擬。BIM平臺可以按照詳細的時間節點進行施工進度模擬，本文將其精度精確到“天”，并將模擬對象精細到分項工程，并根據施工現場的實際情況進行實時調整，這樣大大提高了進度管理的精細化程度［4］。此外，通過對施工計劃與實際進度的追蹤和對比，能夠得出最佳施工方案，以獲得合理的進度安排，實現資源優化的目的。3）碰撞檢測。橋梁碰撞檢測包括整體橋梁項目檢測和構件間的檢測。所謂整體檢測，是根據施工模擬，檢測在施工過程中運動的構件是否發生碰撞；構件間的碰撞檢測，是驗證構件內部是否發生碰撞，如圖7所示。在碰撞檢測完成后，軟件會高亮顯示有碰撞沖突的對象，同時生成碰撞沖突報告。設計人員可以根據高亮顯示的構件與沖突報告進行相應修改，以達到正確的設計，避免了施工問題的發生。

2．4運維階段

基于BIM的橋梁運維管理平臺是一個集成多專業、多維度的數據管理平臺，可實現數據共享與分析，從而建立完整的監測系統［5］。在橋梁運維階段，通過定期的檢測和布設的傳感器將橋梁各構件或測點的信息實時反饋到BIM平臺中，集成橋梁信息進行耐久監測和安全可靠度評價，依靠安全性分析結果，結合橋梁安全規范，統籌橋梁的整體與局部構造，評價橋梁安全性并進行安全預警。一旦發現橋梁問題，系統將發出警報，管理人員可對突發問題進行快速處理，實現橋梁安全運營。與此同時，在項目初期確定以全生命期成本最優化的設計準則，可以減少運維期間的成本、提高工程質量，從而實現低能耗的戰略目標。

3結論

1）本文提出基于BIM技術的橋梁工程全生命周期一體化的技術框架和各主要生命階段的BIM應用示例。以某實際工程為例給出了工程各個階段的BIM技術應用與需求，包括從設計階段建立信息模型，并將其交互于施工階段的施工過程模擬和分析管理，運維階段的耐久性監測和安全性評估以及成本分析與資源管理。2）Revit軟件建立的項目參數化信息模型，其中可涵蓋項目相關信息，并服務于設計、施工、運營等整個生命周期，為提高工作效率、保證工程質量、節約工程成本、縮短工期等發揮出巨大優勢。3）將設計階段建立的模型進行交互與擴展，并應用于施工階段的3D施工模擬與管理、運維階段的耐久性監測和安全性評估與預警，建立基于模型層面與數據層面的管理結構，進行實時的追蹤與管理，確保施工與運維階段的安全。

參考文獻：

［1］宋福春，謝利斌，李孟臣，等．基于BIM技術的復雜立交橋協同設計［J］．沈陽工業大學學報，2018，40（6）：92－96．

［2］劉智敏，王英，孫靜，等．BIM技術在橋梁工程設計階段的應用研究［J］．北京交通大學學報，2015，39（6）：80－84．

［3］王占飛，馮瑾，梁偉，等．BIM虛擬施工技術在裝配式鋼結構橋梁中的應用研究［J］．北方交通，2020，43（7）：9－13．

［4］龍騰．基于BIM的變截面橋體可視化施工技術應用研究［D］．武漢：武漢科技大學，2015．

［5］胡振中，彭陽，田佩龍．基于BIM的運維管理研究與應用綜述［J］．圖學學報，2015，36（5）：80－81．

作者：馮瑾 王繼野 顧威 王占飛 單位：沈陽建筑大學交通工程學院 中鐵十九局集團礦業投資有限公司 遼寧省交通高等專科學校