橋梁BIM技術應用現狀分析與思考

潘永杰，趙欣欣，劉曉光，蔡德鉤

（中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081）

橋梁BIM技術應用現狀分析與思考

潘永杰，趙欣欣，劉曉光，蔡德鉤

（中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081）

為掌握BIM技術在橋梁工程的應用現狀，對20座不同結構形式橋梁的BIM技術應用進行調研。通過分析不同應用價值點，表明BIM技術已在橋梁工程上應用廣泛，現階段BIM技術的應用重點在于設計和施工，并逐步向全產業鏈協同、全生命周期實施邁進。針對一些價值點進行重新解析，并對BIM技術應用過程中的標準規范、BIM成熟度、BIM價值時效性、BIM應用需求導向、信息模型與數據模型5方面進行思考，指出BIM價值的充分發揮離不開專業本身、技術發展、行業發展、管理機制、人員構成等配套條件的成熟。

橋梁工程；BIM應用；價值點；BIM成熟度；數據模型

0 引言

隨著《中國制造2025》的強國綱領以及“互聯網+”行動計劃的提出，信息化存在巨大應用發展空間，以BIM技術為代表的新型信息技術價值凸顯，我國對BIM的推進發展給予很多政策支持，不同工程結構領域越來越多的業主、建設單位也提出明確的BIM要求，BIM逐漸成為一些項目準入的必邁門檻。

與此同時，經過多年理論研究與工程實踐，BIM正在快速而深遠地影響著橋梁工程建設的發展，已逐漸成為提高橋梁技術水平與管理效能的重要信息化手段。橋梁工程相關領域的BIM應用日漸增多：新白沙沱長江大橋、濟南黃河公鐵兩用橋[1]、港珠澳大橋、滬通長江大橋[2]、怒江長江大橋、鎮江長江大橋等都已或正在運用BIM技術服務于項目，許多橋梁工程BIM技術應用得到業內專家認同，獲得了國內多項BIM大賽獎項，BIM帶給設計、施工和運營單位的效益也逐步產生。

目前，橋梁工程BIM技術應用仍以單點為主，且各工程應用對象、實施主體、策略重點皆不完全一致。因此，為宏觀了解BIM技術在橋梁工程的應用現狀、價值點分布、存在的問題等，有必要對橋梁工程BIM應用情況進行調研和分析。

1 應用現狀

1.1 調研范圍

選取20座橋梁進行BIM技術應用調研（見表1），調研對象涉及不同結構形式和技術復雜度，從空心板梁、預應力混凝土連續梁到鋼桁梁橋、鋼桁拱橋、斜拉橋、懸索橋等，包括各種小、中、大跨度（15.2～1 092.0 m），功能涵蓋公路橋、市政橋、鐵路橋、公鐵兩用橋、景觀橋。

表1 橋梁BIM技術應用調研對象

1.2 應用現狀

1.2.1 建模軟件

Tekla、Bentley、Revit、CATIA等主流BIM建模軟件在20座橋梁中皆有應用，應用分布情況見圖1。

圖1 不同建模軟件應用分布情況

由圖1可知，橋梁結構BIM建模以Revit、CATIA和Tekla 3款軟件為主。若橋梁簡單按材質劃分，混凝土橋梁以Revit為主，Tekla專長于鋼橋，CATIA在鋼橋和混凝土橋梁中都有成熟應用，特別是異形或復雜構型的鋼結構。

1.2.2 設計階段

設計階段基于BIM軟件有很多價值點，調研主要探討參數化建模、族庫（模板）、設計復核（差錯漏碰）、工程量統計、正向設計、與有限元結合、二維出圖應用情況（見圖2）。

由圖2可知，設計階段應用重點在于二維出圖、設計復核、工程量統計。

圖2 設計階段BIM技術應用點分布情況

考慮二維出圖多基于BIM軟件本身自動生成，且BIM設計多數是基于二維的翻模，因此二維出圖僅僅是價值點的探索，對設計實際意義不大。工程量統計本身對應于精細化建模，模型精度若達不到相應的程度（施工圖設計LOD350），工程量統計結果也僅是參考。

實際應用中，設計復核價值點比較突出，若與其他專業協同后更是如此（僅有1座橋采用了協同設計平臺）；參數化建模與族庫搭建有利于設計BIM成果的積累；與有限元軟件結合將會避免重復建模，提高分析效率，也是設計階段未來探索的重點。

1.2.3 施工階段

施工階段的根本需求促使從基于BIM軟件功能級應用到項目級應用轉變。本階段應用點主要包括：可視化交底、4D虛擬施工、進度管理、信息管理、移動端、施工監控、安全質量及成本管理，其應用分布情況見圖3。

圖3 施工階段BIM技術應用點分布情況

由圖3可知，施工階段應用重點在于可視化交底（程度1、2）、4D虛擬施工、進度管理，部分橋梁（4座）應用重點在于設計，施工階段僅探索了可視化交底和4D虛擬施工。

施工階段若僅依靠BIM軟件，滿足不了現場管理需求。因此，不少橋梁（8座）結合實際需求，研發或采用商業BIM系統，實現數據收集和信息管理，不同系統的信息管理各有側重，有的側重施工工藝管理，有的側重過程管理，但涉及到成本、機械、勞務等方面的相對較少。

考慮BIM共享特征和信息的完整性，應用逐漸擴展到施工的上下游（物料追蹤、鋼結構制造、施工監控等），如9座鋼橋中有5座探索了鋼橋制造BIM技術應用。

1.2.4 運維階段

由于調研的橋梁多數處于建設期，因此運維階段BIM技術具體應用點還未涉及，但一些橋梁如滬通長江大橋、甌江北口大橋等在實施過程中也提出了建養一體化、橋梁BIM全生命周期應用的規劃，從理念上涵蓋了運維階段的應用，反映了BIM技術應用的連貫性和可持續性。

1.3 價值點再分析

1.3.1 精細化建模

無論設計階段還是施工階段，BIM應用必須有項目級的建模標準，否則精細化建模無從談起。同時，建模的精細度（涉及幾何信息和非幾何信息）應以后期應用為根本導向，兩者不可分割獨立，否則可能存在BIM模型無法滿足應用需求的風險。

1.3.2 可視化技術交底

可視化技術交底是一個較籠統的價值點，可根據深度的不同，分為2個等級。程度1是通常的三維視圖，所見即所得，通過軟件（如Autodesk InfraWorks）功能完成漫游展示；程度2類似3D作業指導書，對某個工序或施工工藝進行模擬，起到可視化培訓功能。因此，程度2在應用深度上更有價值。

1.3.3 4D虛擬施工

目前，4D虛擬施工主要是根據計劃時間節點，按照結構施工順序的模擬或再現樁基、墩臺、梁部及橋梁附屬等結構的生成（從隱藏到顯現），其發揮的作用有限，很難涉及到施工方案的優化。例如，連續剛構橋施工可以通過4D虛擬施工動畫模擬，但合龍順序是先邊跨后中跨合龍，還是先中跨后邊跨合龍，無法通過動畫進行優化，只能通過專業知識評估。

1.3.4 施工管理

雖然BIM在施工管理中發揮了很大價值，但離真正滿足施工單位實際需求還有很大差距。施工關注“人料機法環”，BIM應用重點在于“法”，對于專業技術人員，BIM現階段的價值點屬于錦上添花，而實際工程特別關注的勞務分包、物資管理、機械租賃、成本核算還幾乎未涉及。當然，這是一個長期的過程，不僅需要BIM技術的進一步成熟，同時還涉及到配套機制、管理方法等的升級。

1.4 應用特點

通過對20座橋梁BIM技術應用樣本分析，總結出以下特點：

（1）BIM技術應用范圍廣。不僅應用在結構復雜的特大型橋梁結構中，在常規的中小跨度橋梁也有所普及。應用階段以設計建造為主，運維階段應用相對較少，但部分橋梁也提到和正在踐行BIM全生命周期的應用。

（2）以BIM為代表的信息技術與橋梁工程應用逐步融合，構建了從物質實體世界向數字化架構發展的生態模式。

（3）少數橋梁采用BIM正向設計，其余大多是基于施工階段應用而反推設計BIM的三維翻模，一般沒有考慮與其他專業協同設計。

（4）建模軟件以Revit、CATIA、Tekla為主，總體上混凝土橋梁以Revit為主，鋼橋以CATIA和Tekla為主。單一BIM軟件解決不了所有問題，隨著應用深入，有向多個軟件共同應用發展的趨勢。

（5）BIM技術從單軟件的功能級應用，逐漸向多端系統平臺、集成管理等方面靠攏。

（6）隨著鋼結構的普及，鋼橋BIM技術應用逐步輻射到施工的上游即制造階段，鋼橋制造BIM技術應用成為研究熱點。

（7）基于BIM施工管理挖掘了多個功能價值點，但應用范圍主要集中在“法”，與施工本身需求還需進一步融合。

2 應用探討

2.1 標準規范

BIM技術在橋梁工程領域的應用，國際上沒有現成標準，主流軟件也鮮有成套功能，只有從底層標準抓起，才能逐步向標準化推進。因此，BIM實施要遵循頂層設計，如果僅孤立存在，對行業長遠發展益處不大。

在鐵路BIM聯盟領導下，研究形成了鐵路BIM標準體系框架，編制并發布了《鐵路工程數據結構分解》《鐵路BIM信息分類和編碼標準》《鐵路工程信息模型數據存儲標準》《鐵路工程信息模型交付精度標準》等基礎標準，為BIM技術應用提供了可供參考的標準規范。

由于標準規范是從設計源頭出發，許多分類和編碼未必涵蓋或不適用于施工、運維階段，同時主流軟件的支持還需要一定時間。因此，應以已有的標準規范為基礎，結合發展定位或工程應用的實際情況，逐步補充和優化，摸索適合自身的編碼體系或實施行為準則。

2.2 BIM成熟度

BIM實施過程中有一個BIM成熟度模型（稱為Bew-Richards BIM成熟度模型[19]），分為0級、1級、2級和3級，級別越高，表明BIM應用越成熟。如果將BIM技術應用成熟度與鐵路工程結構設計方法進行對比，兩者有相似之處（見表2）。

目前我國鐵路橋梁設計方法以容許應力法（0級）為主，考慮與國內外主流設計方法的接軌，經過多年努力，編制完成《鐵路橋涵極限狀態法設計暫行規范》，但配套的計算軟件、設計理念仍是基于容許應力法。通過梳理橋涵極限狀態法試設計成果，中國鐵路總公司已啟動推進《鐵路橋涵設計規范》（概率極限狀態法）的編制工作，預計不久即將進入容許應力法與概率極限狀態法并行期（1級），再經過不斷的應用積累和實踐檢驗，最終會全面實施概率極限狀態法（2級）。

與設計方法類似，我國鐵路工程結構BIM設計以二維圖為基礎（0級），少數結構進行了三維BIM設計，目前全路選定17個BIM試點項目，以BIM設計協同為主線，驗證標準，探索BIM成果的驗收、審核、轉發、歸檔等管理模式，表明正邁向二維與三維過渡期（1級），發展目標是實現不同專業的協同（2級）。

未來基于協同的BIM設計不可避免，考慮到BIM應用配套條件與工程師應用習慣，二維與三維過渡期將在一定時間內存在。另外，從性價比方面考慮，二維與三維并存也有其合理性，如鋼筋布置圖，二維圖紙表現鋼筋的布置非常簡潔、易于工程師認知，針對偶爾不可避免的碰撞，只要按照主次的原則，適當調整普通鋼筋的位置，對結構整體受力性能影響不大，但可避免繁瑣的鋼筋建模。

2.3 BIM價值的即時反饋與量變到質變

BIM技術被譽為工程領域的第二次革命，對行業的影響是顛覆性的。鐵路建設項目標準化管理中強調工廠化、機械化、專業化、信息化，BIM技術能夠很好地將各個環節串聯出來，是形成標準化的重要途徑和切入點。

表2 BIM成熟度與鐵路工程結構設計方法類比

基于簡單、即時反饋的實用主義角度出發，BIM價值和意義主要體現在可視化、綜合管線碰撞等功能級應用，而其他深層次價值（如流程再造、管理升級等）由于需要量變積累，配套條件或機制不成熟，導致使用者不愿、不敢或者不能在這方面進行深入探索。

因此，BIM價值的真正落地需要時間和條件，不僅應從上到下加以政策引導，更重要的是從下到上自覺發揮主觀能動性，最終實現從量變到質變的轉變。

2.4 專業為主，需求為王

目前BIM從業人員多以建模人員為主，涉及到專業技術人員的較少，考慮到知識的傳遞和積累過程，可以認為這是BIM技術發展的必經階段。

隨著BIM與專業的深度融合，BIM技術作為手段和工具的特點凸顯，若仍采用原有組織模式，極有可能出現研發方向與實際功能需求脫節、研發成果與真實需要兩張皮的現象。因此，在BIM技術應用實施過程中，應以專業為主，以解決專業實際問題為研發導向。

2.5 信息模型與數據模型

BIM是橋梁工程全生命周期管理的信息載體，每個階段都由相應的建筑模型、過程模型和決策模型構成（見圖4），但不同階段模型精度的深度和廣度相差較大。

BIM是面向對象的，應用對象不同，幾何精度和信息深度等級不同，導致不同階段BIM模型也不同，運維階段信息模型最豐富。因此，基于BIM全生命周期實現的是數據模型的無損傳遞，數據積累的越多，通過與專業的融合，就越有可能得到有價值的信息，轉化為知識直至智慧的依據就越充分，BIM的深度應用即是DIKW（數據、信息、知識、智慧）模型的流程化實現。

3 結束語

（1）BIM技術在不同橋梁工程中得到廣泛應用，取得了很多有價值的應用點，BIM和信息化技術是未來發展趨勢已在業內形成共識。

（2）現階段BIM的應用重點在于設計和施工，并逐步向全產業鏈協同、全生命周期的實施邁進。設計階段大都基于二維的翻模，重點在于二維出圖、設計復核、工程量統計；施工階段多數是可視化的技術應用，涉及技術交底、虛擬建造和進度管理等。

（3）BIM和信息化技術是輔助橋梁管理的有效手段和工具。認為僅通過一項BIM新技術就能改變整個橋梁行業，而忽略專業本身、技術成熟度、行業發展水平、管理機制、人員構成等方面因素影響，在目前階段是不合適的。

（4）BIM技術與橋梁專業應用的深度融合有待進一步探索和提高。

圖4 BIM構成與全生命周期的信息模型

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Analysis of the Application Status of BIM Technology on Bridge Engineering

PAN Yongjie，ZHAO Xinxin，LIU Xiaoguang，CAI Degou
（Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

The investigation and survey was carried out on 20 bridges with different structure types to find out the status of the application of BIM technology on bridge engineering. Analysis of the value points of each application shows that BIM technology has been widely applied to bridge engineering, where the focus of application at this moment is at the design and construction phase, which gradually shifts to the industry chain coordination and whole life cycle implementation. Some of the value points were re-analyzed from the following 5 aspects: standards and speci fi cations, BIM readiness, BIM value timeliness, BIM application demand orientation, information and data model. It points out that, to maximize the value of BIM, the supporting conditions such as the field itself, technology progress, industry development, management mechanism and personnel structure must be ready.

bridge engineering；BIM application；value point；BIM readiness；data model

U442；TP319

A

1001-683X（2017）12-0072-06

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.12.072

中國鐵路總公司科技研究開發計劃項目（2016X002）；中國鐵道科學研究院科技研究開發計劃項目（2016YJ036、2016YJ044）

潘永杰（1983—），男，副研究員。E-mail：18810622516@163.com

責任編輯 苑曉蒙

2017-09-23