桥梁工程全生命周期一体化研究

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摘要：BIM常应用于建筑结构的设计和施工阶段，为促进BIM技术在桥梁工程全生命周期一体化的应用，本文提出基于BIM技术的桥梁工程全生命周期一体化的技术框架和一般性应用流程，并以某实际工程为例，分阶段阐述并研究了具体的实施步骤和关键点。结果表明，基于BIM技术的桥梁全生命周期一体化应用，可提高工程效率，有效解决项目前期设计建造和后期运营维护中遇到的难点问题。本文丰富了桥梁全生命周期一体化应用方案，为同类课题的研究人员和相关工程技术人员提供参考。

关键词：建筑信息模型；桥梁工程；全生命周期；一体化管理

桥梁作为主要的基础设施之一，直接影响到沿线人民的出行，关乎国民经济的发展，无论在前期设计建造还是后期运营维护均应给予足够的重视。由于桥梁工程项目往往较为复杂，无论在设计规划、施工作业还是后期的运营维护阶段常需要多专业、多部门的协同工作，使得各部门间信息实时共享难度大，桥梁各阶段的控制与管理均较困难［1］。近年，随着计算机、通信和智能检测等领域的不断发展，为工程项目实时信息收集、共享与传递提供了必要条件，BIM技术也因此得到了越来越多的应用。BIM技术具有信息高度集成的特点，可以提供信息实时共享的数据平台，应采用合适的技术路线与应用流程为项目设计、施工、运营维护等各阶段提供较为全面的信息数据支持和方案可行性验证，实现工程全生命周期的数据共享与传递，使各部门对工程项目情况的实时追踪成为可能。

1BIM在桥梁工程中应用的技术框架

通过将地理环境、材料造价、设备清单等信息载入BIM技术平台，利用Revit、Fuzor等软件综合处理，将BIM技术与桥梁生命周期的各个阶段相结合，建立BIM技术的桥梁工程全生命周期一体化的技术路线和基本框架（如图1所示）。图1中展示了BIM技术在桥梁工程项目主要阶段的应用示例，首先将地理信息载入BIM平台，根据环境信息，进行桥梁选线，再根据设计信息，在Revit中进行三维模型设计，并载入Lumion中进行效果展示以便于方案比选。在确定桥梁方案后，再进行配筋等施工图的设计；随后，根据BIM虚拟施工平台进行施工模拟，确保施工过程的安全合理；最后，将桥梁信息进行集成，实现对运维阶段的管理。该基本框架通过传统设计手段与BIM软件的有机结合，有地的提升了工程效率和信息利用率。

2工程案例

2．1工程概况

1）桥梁方案。本桥梁项目，全长33．58m，桥梁按直线布设，墩台平行布置，且桥台处设有伸缩缝。桥梁上部结构采用3×10m变截面预制混凝土箱梁，如图2所示；桥梁下部结构中，桥墩采用柱式墩，每个桥墩下连接2根钻孔灌注桩；桥台为柱式台，台下设置2根钻孔灌注桩。横坡为单向2％。桥梁模型如图3所示。2）施工要点。有关施工工艺的标准，除了按照相关规范处理外，还应注意的是：施工前应进行坐标数据核算，在桥梁墩、台处定位并对桩距进行校核，确定校核无误后方可进行施工；施工过程中，应确保施工工艺流程准确与安全，规避潜在的风险；墩、台、桩基础施工时，如发生地质情况与设计采用的钻孔资料有出入时，应及时进行反馈；最后由于桥梁施工环境复杂，应注意施工场地的布置，避免出现场地施工隐患。本工程作为BIM技术在桥梁全生命周期中的应用探索，将对其设计、施工、运维阶段进行研究。

2．2规划设计阶段

BIM技术在桥梁设计阶段的应用主要集中在设计方案的建模与信息反馈上。要想将BIM与桥梁设计有效的结合在一起，Revit建模是前提。建立“族”是Revit建模的核心思想，族库的强大在于“参数化”，在族样板中预先建立参数化模型，模型涵盖了构件尺寸、材质、施工周期、厂家等信息。借助BIM技术平台，采用Lumion程序实现全桥三维动画，可实现造价、景观等更为全面的桥式方案比选，以确定合适的桥梁方案。通过Revit三维模型与Midas、桥绘通等结构设计软件相结合，确定材料强度、配筋数量等参数，并直接生成二维建筑图纸与用量明细［2］，有效保证出图的质量与效率。本文中桥梁项目模型的创建以变截面混凝土箱梁为例，首先应在轮廓族中建立箱梁轮廓并进行相应的参数化设置，进行尺寸约束和材质赋予；随后将轮廓载入公制结构框架族样板中，进行参数关联并根据载入的轮廓进行放样融合；最后进行变截面尺寸设定以建立箱梁模型，如图3所示。箱梁创建完成后，在Revit族样板中，依次对桥墩、桥台、基础等采用相同步骤进行创建并载入至项目中，并对盖梁、桩基、附属设施等进行配筋，如图4～5所示，最后在项目中根据实际地形调整构件位置，得到完整的桥梁模型。在前期规划设计完成后，利用BIM技术平台的信息反馈优势，较为便利地对设计方案进行不断优化和设计校核，提高了设计人员的工作效率。

2．3施工阶段

在桥梁工程中，对施工进行模拟与优化的目的在于针对施工环境的复杂性与预制构件的多样性，确保其施工的可行性，同时实现降低施工风险、提升管理水平的目标，从而为施工提供参考。基于BIM技术的施工模拟与优化是将项目模型信息与施工信息相关联，进而通过直观的可视化模拟，分析进度安排是否合理、施工工序是否可行、资源管理是否协调、项目构件是否发生碰撞等，进而不断优化施工方案［3］。施工阶段的信息化模拟，具体包含以下内容。1）施工过程模拟。桥梁施工过程的模拟，主要通过将桥梁、附属设施的三维信息模型与施工信息、场地信息相集成。一方面，以三维模型为基本，根据施工信息，进行直观的过程模拟，分析各个施工阶段的合理性；另一方面，可进行施工过程的场地协调性验证，有针对性地进行场地空间共享、施工机械配置、材料运输堆放等施工过程中场地的优化，如图6所示。一旦发现施工过程中存在不合理情况，可及时进行方案修改并再次进行模拟，从而确保施工过程安全合理。2）进度模拟优化。基于BIM技术的施工模拟，可将模型信息与进度计划相集成，建立基于时间维度的进度模拟。BIM平台可以按照详细的时间节点进行施工进度模拟，本文将其精度精确到“天”，并将模拟对象精细到分项工程，并根据施工现场的实际情况进行实时调整，这样大大提高了进度管理的精细化程度［4］。此外，通过对施工计划与实际进度的追踪和对比，能够得出最佳施工方案，以获得合理的进度安排，实现资源优化的目的。3）碰撞检测。桥梁碰撞检测包括整体桥梁项目检测和构件间的检测。所谓整体检测，是根据施工模拟，检测在施工过程中运动的构件是否发生碰撞；构件间的碰撞检测，是验证构件内部是否发生碰撞，如图7所示。在碰撞检测完成后，软件会高亮显示有碰撞冲突的对象，同时生成碰撞冲突报告。设计人员可以根据高亮显示的构件与冲突报告进行相应修改，以达到正确的设计，避免了施工问题的发生。

2．4运维阶段

基于BIM的桥梁运维管理平台是一个集成多专业、多维度的数据管理平台，可实现数据共享与分析，从而建立完整的监测系统［5］。在桥梁运维阶段，通过定期的检测和布设的传感器将桥梁各构件或测点的信息实时反馈到BIM平台中，集成桥梁信息进行耐久监测和安全可靠度评价，依靠安全性分析结果，结合桥梁安全规范，统筹桥梁的整体与局部构造，评价桥梁安全性并进行安全预警。一旦发现桥梁问题，系统将发出警报，管理人员可对突发问题进行快速处理，实现桥梁安全运营。与此同时，在项目初期确定以全生命期成本最优化的设计准则，可以减少运维期间的成本、提高工程质量，从而实现低能耗的战略目标。

3结论

1）本文提出基于BIM技术的桥梁工程全生命周期一体化的技术框架和各主要生命阶段的BIM应用示例。以某实际工程为例给出了工程各个阶段的BIM技术应用与需求，包括从设计阶段建立信息模型，并将其交互于施工阶段的施工过程模拟和分析管理，运维阶段的耐久性监测和安全性评估以及成本分析与资源管理。2）Revit软件建立的项目参数化信息模型，其中可涵盖项目相关信息，并服务于设计、施工、运营等整个生命周期，为提高工作效率、保证工程质量、节约工程成本、缩短工期等发挥出巨大优势。3）将设计阶段建立的模型进行交互与扩展，并应用于施工阶段的3D施工模拟与管理、运维阶段的耐久性监测和安全性评估与预警，建立基于模型层面与数据层面的管理结构，进行实时的追踪与管理，确保施工与运维阶段的安全。

参考文献：

［1］宋福春，谢利斌，李孟臣，等．基于BIM技术的复杂立交桥协同设计［J］．沈阳工业大学学报，2018，40（6）：92－96．

［2］刘智敏，王英，孙静，等．BIM技术在桥梁工程设计阶段的应用研究［J］．北京交通大学学报，2015，39（6）：80－84．

［3］王占飞，冯瑾，梁伟，等．BIM虚拟施工技术在装配式钢结构桥梁中的应用研究［J］．北方交通，2020，43（7）：9－13．

［4］龙腾．基于BIM的变截面桥体可视化施工技术应用研究［D］．武汉：武汉科技大学，2015．

［5］胡振中，彭阳，田佩龙．基于BIM的运维管理研究与应用综述［J］．图学学报，2015，36（5）：80－81．

作者：冯瑾 王继野 顾威 王占飞 单位：沈阳建筑大学交通工程学院 中铁十九局集团矿业投资有限公司 辽宁省交通高等专科学校