基于BIM技術(shù)的橋梁工程設(shè)計(jì)與施工優(yōu)化分析

劉京宇

摘要：在建筑領(lǐng)域的發(fā)展過程中，橋梁工程由于其自身的特殊性質(zhì)，占據(jù)了重要的地位，因此，建筑施工企業(yè)均應(yīng)給予高度重視。不論是施工管理、施工進(jìn)度、施工設(shè)計(jì)還是其他具體環(huán)節(jié)，利用BIM技術(shù)可以有效提高施工質(zhì)量與施工效率。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù);橋梁工程設(shè)計(jì);施工優(yōu)化

引言

將BIM技術(shù)與設(shè)計(jì)分析計(jì)算、施工控制、運(yùn)營安全分析評估預(yù)警等需要大量分析計(jì)算能力的工作進(jìn)行有效融合，是現(xiàn)階段的主要發(fā)展方向。基于BIM技術(shù)向數(shù)字孿生、智能建造逐步發(fā)展，是行業(yè)未來的主要研究方向。筆者團(tuán)隊(duì)目前開發(fā)的橋梁建養(yǎng)一體化平臺(tái)，功能還不完善，如施工控制、智能評估預(yù)警、應(yīng)急處置等功能尚有待改進(jìn)，相信通過下一步持續(xù)不斷的研究加以針對性改善，將最終形成企業(yè)的核心競爭力，并進(jìn)一步推動(dòng)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。

一、BIM技術(shù)簡述

BIM技術(shù)又稱建筑信息建模技術(shù)，主要是通過建筑學(xué)、工程學(xué)、土木工程以及計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)等多學(xué)科知識(shí)和部分高新科技糅合而成，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)等高新科技，實(shí)現(xiàn)了對虛擬現(xiàn)實(shí)情境的建設(shè)，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，建立起貼近真實(shí)的建筑模型，避免了人工設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)的技術(shù)失誤，有效降低了建筑施工設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤率，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率。

二、BIM技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢

2.1模型關(guān)聯(lián)性的重要意義

根據(jù)BIM技術(shù)在橋梁施工項(xiàng)目中的具體應(yīng)用，通過這些技術(shù)方法，獲得了理想的相關(guān)特性，通過這種結(jié)構(gòu)的信息模型結(jié)構(gòu)及其作用機(jī)理，可以全面、詳細(xì)地展示相關(guān)信息，保證相關(guān)人員可以依靠這種相關(guān)效果展示進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和施工，保證最終的施工效果。

2.2提高協(xié)同水平，確保工程質(zhì)量

BIM技術(shù)在深化設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用可顯著減少專業(yè)沖突，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，大幅減少施工階段因設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致的變更與返工。深化設(shè)計(jì)階段，BIM可以對復(fù)雜構(gòu)件進(jìn)行三維空間變化的表達(dá)，利于拆分設(shè)計(jì);市政管線綜合可通過管線自動(dòng)碰撞檢測提前解決管線碰撞問題，同時(shí)對市政管線的安裝有指導(dǎo)意義，使后期施工可以更有序地順利推進(jìn)。

2.3優(yōu)化施工方案，提高工程品質(zhì)

橋梁施工項(xiàng)目中BIM技術(shù)的正確使用，可以反映出預(yù)期的視覺效果，使橋梁設(shè)計(jì)人員和施工人員能夠更好地理解具體結(jié)構(gòu)，避免后續(xù)施工中的人為錯(cuò)誤和其他一些問題，最大限度地提高施工效率。

三、基于BIM的工程設(shè)計(jì)與施工優(yōu)化

3.1 BIM與初步設(shè)計(jì)

橋梁設(shè)計(jì)的第一步是方案設(shè)計(jì)，重點(diǎn)確定橋型選擇、跨徑布置、主要結(jié)構(gòu)方案及尺寸、施工方案、工程經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等。這一階段對BIM的研究和應(yīng)用，重點(diǎn)在地形模型、地質(zhì)模型、橋梁方案的結(jié)構(gòu)模型等方面。對此，長大橋國家中心和公規(guī)院開展了智能設(shè)計(jì)研究，不同于傳統(tǒng)橋梁設(shè)計(jì)軟件以力學(xué)計(jì)算分析為中心，智能設(shè)計(jì)以機(jī)器學(xué)習(xí)為核心，針對橋梁的安全、經(jīng)濟(jì)性、工期等多目標(biāo)開展優(yōu)化研究，并有針對性地設(shè)定評價(jià)指標(biāo)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)既有成功設(shè)計(jì)案例的特征點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)由計(jì)算機(jī)提出針對目標(biāo)建設(shè)條件的合理橋梁方案。

3.2 BIM與施工設(shè)計(jì)

正式動(dòng)工之后，各施工環(huán)節(jié)的具體操作均需按照施工方案的要求進(jìn)行，同時(shí)，加強(qiáng)施工人員對施工工藝的理解與運(yùn)用。絕大多數(shù)的技術(shù)設(shè)計(jì)均以初步設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，也可理解為對所用設(shè)計(jì)方案的進(jìn)一步加工。技術(shù)設(shè)計(jì)與施工設(shè)計(jì)是對橋梁建筑結(jié)構(gòu)更深入的探究，并結(jié)合研究成果完成施工圖的設(shè)計(jì)。

3.3BIM技術(shù)在橋梁施工中的綜合優(yōu)化內(nèi)容

橋梁建設(shè)項(xiàng)目有許多復(fù)雜的結(jié)構(gòu)要素，因此對于工程材料成本以及相關(guān)管理人員來說，需要?jiǎng)討B(tài)管理。通過將BIM技術(shù)集成到橋梁施工中，可以在每個(gè)施工階段建立單獨(dú)的管理模型，包括信息檢索和4D材料管理，以顯示實(shí)際材料數(shù)量和每個(gè)施工環(huán)節(jié)的成本。通過4D進(jìn)度控制，可以實(shí)現(xiàn)微控制施工橋梁施工規(guī)劃的優(yōu)化。例如，對于提前或延遲施工的情況，可以使用不同亮度的彩色屏幕作為警告。大多數(shù)施工環(huán)境位于相對偏遠(yuǎn)的地區(qū)或山區(qū)，BIM技術(shù)可以模擬橋梁施工區(qū)域的地形和地質(zhì)特征，科學(xué)合理地選擇現(xiàn)場以及吊裝設(shè)備。在施工過程中，BIM可以傳遞橋梁的具體尺寸，將原二維施工圖的施工過程轉(zhuǎn)換為三維模型，并以數(shù)字形式表示橋梁部件。在施工過程中，可以方便地實(shí)時(shí)獲取實(shí)際工程數(shù)據(jù)和模型信息，并準(zhǔn)確控制施工現(xiàn)場使用的材料成本。

3.4結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

從BIM模型中獲得信息用于結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析，復(fù)雜結(jié)構(gòu)一般采用成熟的分析軟件，如邁達(dá)斯、ABAQUS等，簡單的結(jié)構(gòu)可采用自編工具軟件進(jìn)行分析。從BIM模型轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)分析模型要用到幾何、材料、約束、荷載、規(guī)范等信息，這要求BIM模型帶有這些信息，由于實(shí)際結(jié)構(gòu)和計(jì)算模型之間的差異，幾何模型的創(chuàng)建存在提取加工的過程，而屬性信息直接進(jìn)行轉(zhuǎn)換即可。針對模型的轉(zhuǎn)換需要專門開發(fā)模型轉(zhuǎn)換接口，以協(xié)助完成信息提取，計(jì)算模型的創(chuàng)建和分析結(jié)果的反饋等工作。目前BIM模型與成熟的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件接口還不完善，需要進(jìn)一步完善。

3.5精準(zhǔn)模擬施工現(xiàn)場環(huán)境

在橋梁工程施工中應(yīng)用BIM技術(shù)時(shí)，還可對施工現(xiàn)場的具體環(huán)境加以模擬，以此為參建主體的協(xié)調(diào)工作起到一定的促進(jìn)作用，避免出現(xiàn)承包方、施工方溝通不到位后果，降低工程項(xiàng)目的可控度。

3.6施工協(xié)同管理平臺(tái)

BIM技術(shù)在施工階段應(yīng)用的關(guān)鍵是展示完整施工過程的BIM模型和相應(yīng)的施工管理平臺(tái)，提供虛擬施工建模、圖紙和模型管理、材料管理、施工進(jìn)度管理、施工質(zhì)量管理、數(shù)字雙子等。通過虛擬施工仿真，可以了解整個(gè)工程在實(shí)際施工前的過程、結(jié)果和相應(yīng)的施工量，為工程施工提供實(shí)時(shí)的經(jīng)驗(yàn)和最佳可行方案。將BIM模型附加到施工進(jìn)度計(jì)劃屬性參數(shù)中，形成4D模型，可以直觀地顯示計(jì)劃的施工過程，并通過手機(jī)、iPad等終端與施工人員、監(jiān)理人員和管理人員溝通，分析他們與進(jìn)度的偏差，合理地修正和調(diào)整進(jìn)度計(jì)劃，使管理人員對工作范圍和進(jìn)度一目了然。

3.7BIM施工進(jìn)度模擬

通過BIM技術(shù)，模擬施工項(xiàng)目的施工過程，建立4D信息模型的施工沖突分析和管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)控制施工人員、材料、機(jī)械等資源的進(jìn)場時(shí)間，避免返工、進(jìn)度延誤現(xiàn)象。通過施工模型直觀顯示施工項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃，并與實(shí)際完成情況進(jìn)行對比，了解實(shí)際施工與進(jìn)度計(jì)劃的偏差，合理修正和調(diào)整進(jìn)度計(jì)劃。BIM4D模型讓經(jīng)理對變更方案帶來的工程量和進(jìn)度有一目了然的影響，是調(diào)整進(jìn)度的有力工具。

3.8BIM技術(shù)對于橋梁施工安全管理

BIM技術(shù)通過模擬橋梁施工中關(guān)鍵而苛刻的施工過程，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。例如，碼頭和泊位吊裝作業(yè)時(shí)，在高海拔安全危險(xiǎn)區(qū)域作業(yè)時(shí)，模板有一定的自由擺動(dòng)幅度，BIM工藝模擬可以確定一定范圍的危險(xiǎn)區(qū)域，然后調(diào)整原設(shè)計(jì)，重新調(diào)整三腳架的平臺(tái)寬度，確保施工人員的安全。大型鋼管混凝土拱橋施工期間，通過仿真建立了剛性框架模型方案，模擬了空間關(guān)系復(fù)雜、三維圖形復(fù)雜的連桿數(shù)量，并對鋼筋位置進(jìn)行了預(yù)覽。從表面上看，安裝效果明顯，但很容易發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的位置沖突，必須及時(shí)調(diào)整和修改設(shè)計(jì)計(jì)劃，并進(jìn)行多次模擬，直至結(jié)果合理可行。

結(jié)束語

綜上所述，在建筑領(lǐng)域的發(fā)展過程中，橋梁工程由于其自身的特殊性質(zhì)，占據(jù)了重要的地位，因此，建筑施工企業(yè)均應(yīng)給予高度重視。不論是施工管理、施工進(jìn)度、施工設(shè)計(jì)還是其他具體環(huán)節(jié)，利用BIM技術(shù)可以有效提高施工質(zhì)量與施工效率。

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