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摘要：橋梁工程具有線性、帶狀、體量大、專業交叉多、空間性強等特點，BIM技術應用要求高、難度大。本文首先針對橋梁工程設計進行了簡要分析，明確了傳統設計方法的不足，提出bim技術的應用，并強調正向設計與BIM結合，有效提高設計質量與效率；其后分別從設計成果、設計效率、設計質量、信息儲存、信息交互以及信息利用等角度出發，詳細探討了BIM技術在橋梁工程設計中的應用優勢，并圍繞工程案例加以論述，以期可為類似工程提供有價值的參考。
關鍵詞：橋梁工程設計；BIM技術；應用優勢；工程案例
0引言
BIM技術作為一種新型設計手段，在公路、鐵路等交通基礎設施領域逐漸普及，橋梁工程作為交通基礎設施重要組成，近年來在BIM技術應用方面取得了一定的進展。然而結合實踐情況分析，不少橋梁工程依舊停留在BIM翻模設計層面，究其原因在于橋梁設計階段設計方式、設計成果交付方式均未實現信息化，各階段信息未準確有效傳遞。由此，BIM正向設計概念被提出，希望使BIM應用從設計階段向下兼容，實現信息自上而下的流通，最終達到成果信息化、標準化交付的目標，本文主要從BIM正向設計的角度出發展開詳細分析。
1橋梁工程設計概述
橋梁作為公路交通領域不可或缺的一部分，承擔著重要的交通作用。近年來我國公路橋梁數量和里程逐年增長，根據交通運輸部數據統計，2020年中國公路橋梁數量達到91.28萬座，較2019年增加3.45萬座，數據表明未來我國橋梁建設依然有巨大的發展空間。隨著經濟發展以及技術水平的提高，人們對橋梁建設的質量、壽命都有了更高要求。然而橋梁工程存在設計效率低下、施工管理難度大等問題，設計作為整個項目的初始階段，通常要經過概念設計、方案設計、設計前期、初步設計和施工圖設計等環節，傳統橋梁設計以CAD圖形為基礎，不利于自動化設計、數據化分析和信息化管理，對于精細化的設計質量難以把控，重復化的工作難以簡化，進而設計質量有缺陷，生產效率不高。因此對于我國橋梁工程建設，為朝向信息化、數字化的目標發展，為解決傳統橋梁設計流程中存在的問題，優化和改善橋梁設計流程，運用BIM技術實現數字化、信息化的設計體系，從而提升設計產品的質量，減少設計出錯，提高生產效率，縮小設計誤差。BIM技術代表了更加智能化、信息化的一種生產方式，在橋梁工程中的應用價值值得深入探討。與房屋建筑相比，橋梁異形構件更多，即使是簡支梁橋、空心板梁橋此類簡單橋型，依舊存在道路線型、橫縱坡設置等變化，因此在實現批量式生產、裝配式建造時面對更多的問題。此外，目前國內缺少專業的三維設計軟件，橋梁異形構件多，軟件內無法包含主梁梁體、橋墩等全部構件庫，且橋梁工程多屬于道路工程、鐵路工程中的一項，整個項目里程長、體量大，建立BIM模型的軟件無法同時保證建模精度與體量。2021年，交通部推出了最新的交通行業BIM標準，如：《公路工程信息模型應用統一標準》（JTG/T2420-2021）、《公路工程設計信息模型應用標準》（JTG/T2421-2021）、《公路工程施工信息模型應用標準》（JTG/T2422-2021）等，為橋梁信息模型實現數字化交付提供了參考。BIM的應用在橋梁工程中的應用逐漸從施工階段延伸至上游設計階段，并隨著對設計效率要求的提高，BIM參數化建模也逐漸發展，目前行業內強調正向設計與BIM結合，此種設計方式簡化了橋梁設計流程，直接提供指導施工的圖紙，且對全套橋梁圖紙輸出做出標準化示范，一定程度上提高了設計效率，本文著重圍繞此展開詳細分析。
2BIM技術在橋梁工程設計中的應用優勢
BIM技術應用于橋梁工程中優勢在于改變了傳統設計模式下的成果交付，提高了設計效率，深化了設計質量；同時應用BIM技術改變了傳統設計模式的產業結構，可達到更加有效的數據化和信息化管理，信息儲存更加安全長久，信息交互范圍更加廣泛，信息利用程度更加充分，BIM技術在橋梁工程設計中的應用優勢總結如下。
2.1設計成果方面
BIM技術應用于橋梁工程項目中設計成果包含三維可視化信息模型及由該模型衍生出的數據化成果如：三維可視化模擬動畫、三維仿真模型、二維工程圖紙、工程量數據等等。模型從概念設計階段到方案設計階段其精度不斷加深滿足不同需求，各設計成果之間數據信息聯系緊密，聯動變化及時。三維可視化成果的展示效果更加利于同非專業人士進行溝通和理解，提高決策的可靠性。
2.2設計效率方面
BIM技術設計模式采用模型參數化、模塊化設計，將具體的橋梁構件按功能和屬性進行模塊劃分，同時對于同類構件進行參數化設定，用戶后期可按參數改變尺寸適用于不同環境項目需要。BIM設計模式將不局限于傳統二維設計中點、線的繪制，深化到對于適用性和適配度極高的模型設計中，模型適配度越高、模型庫越豐富，這將方便后期各類用戶直接使用，極大縮減了重復性繪圖工作，提高了生產效率。參數化設計便于設計人員綜合考慮力學需求、經濟性需求、美學需求等等，不斷改變參數值以模擬得到最佳適配方案，同時不會加大設計人員制圖的工作量。三維可視化設計則利于對復雜三維空間結構進行把握，對三維空間結構可利用多角度視圖、剖面圖等視角進行詳細設計和理解，大大降低了空間想象的難度，也增加了對空間交叉關系的精確把握。協同設計也將便于同專業不同設計人員、不同專業的設計人員就同一項目設計模型進行交互，保障了數據傳遞的完整性、及時性、統一性。
2.3設計質量方面
BIM技術設計模式將有助于提高結構體設計質量，結構體在傳統二維設計模式中可能存在空間交叉關系的錯誤難以從二維圖紙中發現，而BIM技術可直觀化發現結構體隱藏的幾何問題，利用碰撞檢查功能還可以發現特定的軟、硬碰撞問題，及時發現設計問題從而修改，在施工過程中避免了因設計缺陷造成的變更和返工，設計質量得到有效保障。BIM技術可直觀化表達結構體復雜的空間幾何關系，信息化模型可提供設計人員以多種用途的分析，例如：仿真模擬分析其受力性能保障結構體受力良好、施工模擬以提供施工單位以建設指導方案等等，基于信息化模型的分析皆具有詳細數據支持，提高了決策的科學性，提高設計質量。
2.4信息儲存方面
BIM設計模式將數據以集成數據庫形式儲存，項目相關的所有信息皆儲存于模型之中，例如：橋梁構件幾何信息、材料信息、力學信息等，信息的寫入和調用皆基于模型數據庫，數據完整且查找快捷，各數據信息之間存在邏輯和約束上的聯動變化，保證數據信息的可靠性。由BIM模型為基礎可提供其他需求分析以輸出相關中間資料及設計成果，信息儲存在BIM技術模式下將高度集成，統一管理和調用。
2.5信息交互方面
基于BIM技術模式進行計算機自動化交互，目前可通過IFC標準或二次開發特定需求功能等實現，例如BIM模型導入仿真模擬軟件中進行仿真分析，免去重復建模過程，該模式下信息交互能有效降低出錯概率，減少工作量，提高工作效率。
2.6信息利用方面
BIM技術模式下信息集成化程度高，對于不同階段不同需求的信息利用皆有很好的支持，信息傳遞過程基本完整且高效。數據化和信息化是未來發展的方向，對于信息的利用將會在運營維護階段與健康監測系統、風險評估系統等發揮更大作用，保障結構體安全運營，為未來綠色可持續工程提供數據支持。
3實例探析橋梁工程設計BIM技術應用要點
3.1工程概況
本項目為某市政工程，項目全長約8.95km，為城市快速路，設計速度80km/h，道路紅線寬28～80m，采用主輔路布置，主路雙向6車道，輔路雙向4車道。全線設立交3座，隧道3座，橋梁5座，總投資約42.5億元。
3.2BIM設計方案與目標
3.2.1BIM設計方案
本項目是典型的復雜市政快速路項目，線路里程長，涵蓋專業多，周邊環境復雜，線路與多條主供水管、油氣能源管道、多檔高壓電線共走廊，且沿線密布基本農田、村莊建筑、河流水系、墓地等，路線受限因素繁多，選線難度大。此外涉及與中石油、中石化、燃氣、供電、水務、高速、地鐵、交通等專項協調，專項數量多，協調難度大；工程實施面臨沿線重大管線保護、高壓鐵塔結構穩定、橋梁施工安全、施工期高速公路保通等諸多復雜問題，實施難度大。為切實保障路線總體方案的合理性，確保施工與運營期間結構與交通安全，提升設計過程中的內部協同與外部協調效率，提升設計成果質量，項目從方案設計初期便開始使用BIM技術進行三維正向設計，并引入BIM+GIS技術、虛擬建造技術、物聯網云交互技術等，以直觀高效地展示設計意圖，實現BIM模型的賦能增值。
3.2.2BIM設計目標
結合本項目線路長、專業多、邊界條件復雜、協調溝通多的特點，確定了依托項目開展BIM正向設計的目標，即在三維設計環境中開展設計工作，以三維BIM模型為中心，開展方案研究、性能分析、碰撞檢查、工程量統計及圖紙輸出等，實現多專業三維協同設計。同時，為延伸拓展BIM模型的價值，通過引入了BIM+GIS技術、施工仿真技術、移動端交互技術，以有效提升設計溝通效率，促進科學決策，實現BIM模型的附加值。
3.3橋梁工程設計BIM技術應用要點
3.3.1正向設計流程
項目在傳統設計基本流程上，結合行業、地方、企業正向設計標準及設計協同機制，制定了以模型為中心的三維正向設計流程，如圖1所示。
3.3.2軟件平臺及協同機制
項目針對道路、橋梁、隧道、管網等主體專業，確定了相應的三維設計協同機制及對應節點的軟件平臺。
3.3.3BIM正向設計
①環境模型構建。項目利用無人機航拍技術采集沿線現場地形及影像數據，處理形成全線三維傾斜攝影模型。依托現場仿真模型，進行虛擬踏勘，以便高效、精確地掌控項目沿線邊界條件。提取與處理地質鉆探數據，構建地質數字模型，為路基處理、結構、橋梁下部、隧道精細化設計提供基礎條件。
②總體方案比選。結合項目沿線控制條件，初擬路線總體方案，快速建立各方案BIM模型，基于模型開展總體路線方案及立交節點方案的綜合比選；采用BIM+GIS技術整合BIM模型與GIS模型，進行方案的可視化評審。
③橋梁深化設計。橋梁采用R+GH+R技術（三維造型軟件Rhinoceros（簡稱R）、參數化設計創新領域的設計插件Grasshopper（簡稱GH）、族庫存儲及信息化集成軟件Revit（簡稱R））開展參數化設計快速精確完成橋梁結構模型；針對特殊節點或節段開展精細化設計、碰撞檢查；結構計算方面，自主開發有限元分析軟件數據接口，實現BIM模型與計算分析軟件間的無損數據傳遞及交互；通過定制開發參數模塊，一鍵式精確高效統計工程數量。
3.3.4BIM拓展應用
①景觀藝術審查。為形象清晰地表達景觀設計方案，采用BIM+GIS+景觀布置的方式進行景觀方案設計，并輸出游線動畫供景觀方案審查。②交通導改模擬?；谠O計模型，運用Fuzor對疏解方案各階段施工內容進行模擬，以確定最佳施工期間導改與建設方案。③移動端交互。項目在設計成果的表達上，利用“三維+二維”相結合的方式，使設計成果表達更加清晰直觀。通過掃碼直接在手機呈現構件的BIM模型，使參建各方能夠快速、準確地了解復雜構造，如圖2所示。
3.4BIM技術應用效
果本項目橋梁工程設計中，采用了BIM+GIS技術、虛擬施工技術、云物聯網技術等，形成了以模型為中心的正向設計技術路線，探索了多專業的三維協同設計，進一步外延了BIM模型的附加價值，達成了項目的應用目標。
4結語
綜上所述，與建筑工程項目相比，橋梁工程設計BIM技術應用存在一定的滯后情況，這既有行業特點本身因素，又有傳統觀念束縛。隨著BIM正向設計方法的推廣運用，可將BIM技術的優勢深入到設計階段的各部分實踐中，本工程實踐中通過BIM正向設計有效攻克了工程中所遇到的復雜問題，并能輕松靈活地將二維設計成果無法詳細表達的內容通過自身三維的優勢清晰直觀地準確展示，全面提高了項目設計效率與質量。本項目的成功實踐可為類似項目提供有益的參考，且隨著行業對BIM理念理解的加深，BIM技術進一步成熟，相信BIM技術會給橋梁工程設計帶來更為深遠的價值和影響。
作者：劉文 單位：湖南省交通規劃勘察設計院有限公司
