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中国的桥梁BIM技术都用在了哪里?

作者: 艾三维 来源: 艾三维软件 发布日期: 2018.12.12

随着《中国制造2025》的强国纲领及“互联网+”的提出,信息化迎来巨大的应用发展空间,以BIM技术为代表的新型信息技术价值凸显,BIM逐渐成为许多工程项目的准入门槛。与此同时,经过多年理论研究与工程实践,BIM正在快速而深远地影响着桥梁工程建设,已逐渐成为提高桥梁技术水平与管理效能的重要信息化手段。

目前,桥梁工程BIM技术应用仍以单点为主,且各工程应用对象、实施主体、策略重点皆不完全一致。因此,为宏观了解BIM技术在桥梁工程的应用现状、价值点分布、存在的问题等,有必要对桥梁工程BIM应用情况进行调研和分析。

桥梁应用调研

本文选取20座桥梁进行BIM技术应用调研,调研对象涉及不同结构形式和技术复杂度,从空心板梁、预应力混凝土连续梁,到钢桁梁桥、钢桁拱桥、斜拉桥、悬索桥等,包括各种小、中、大跨度(15.2m~1 092.0m),功能涵盖公路桥、市政桥、铁路桥、公铁两用桥、景观桥。根据调研数据,分析桥梁BIM的应用软件及各阶段BIM应用点。

软件:适用领域各有侧重

Tekla、Bentley、Revit、CATIA等主流BIM建模软件在20座桥梁中皆有应用。

桥梁结构BIM建模以Revit、CATIA和Tekla 3款软件为主。若桥梁简单按材质划分,混凝土桥梁以Revit为主,Tekla专长于钢桥,CATIA在钢桥和混凝土桥梁中都有成熟应用,特别是异形或复杂构型的钢结构。

中国的桥梁BIM技术都用在了哪里?

① 不同建模软件应用分布情况

(注:1.Autodesk Inventor Professional划归于Revit统一考虑;2.新白沙沱大桥采用CATIA和Tekla 2种软件,按2座桥梁计)

设计:应用重点有待改变

设计阶段基于BIM软件有很多价值点,调研主要探讨参数化建模、族库(模板)、设计复核(差错漏碰)、工程量统计、正向设计、与有限元结合、二维出图应用情况。

设计阶段应用重点在于二维出图、设计复核、工程量统计。考虑二维出图多基于BIM软件本身自动生成,且BIM设计多数是基于二维的翻模,因此二维出图仅仅是价值点的探索,对设计实际意义不大。工程量统计本身对应于精细化建模,模型精度若达不到相应的程度(施工图设计LOD350),工程量统计结果也仅是参考。

中国的桥梁BIM技术都用在了哪里?

② 设计阶段BIM技术应用点分布情况

实际应用中,设计复核价值点比较突出,若与其他专业协同后更是如此(仅有1座桥采用了协同设计平台);参数化建模与族库搭建有利于设计BIM成果的积累;与有限元软件结合将会避免重复建模,提高分析效率,也是设计阶段未来探索的重点。

中国的桥梁BIM技术都用在了哪里?

施工:应用与需求不匹配

施工阶段的根本需求促使从基于BIM软件功能级应用到项目级应用转变。本阶段应用点主要包括:可视化交底、4D虚拟施工、进度管理、信息管理、移动端、施工监控、安全质量及成本管理。

施工阶段应用重点在于可视化交底(程度1、2)、4D虚拟施工、进度管理,部分桥梁(4座)应用重点在于设计,施工阶段仅探索了可视化交底和4D虚拟施工。

中国的桥梁BIM技术都用在了哪里?

③ 施工阶段BIM技术应用点分布情况

施工阶段若仅依靠BIM软件,满足不了现场管理需求。因此,不少桥梁(8座)结合实际需求,研发或采用商业BIM系统,实现数据收集和信息管理。不同系统的信息管理各有侧重,有的侧重施工工艺管理,有的侧重过程管理,但涉及到成本、机械、劳务等方面的相对较少。

考虑BIM共享特征和信息的完整性,应用逐渐扩展到施工的上下游(物料追踪、钢结构制造、施工监控等),如9座钢桥中有5座探索了钢桥制造BIM技术应用。

运维:实际应用还未涉及

由于调研的桥梁多数处于建设期,因此运维阶段BIM技术具体应用点还未涉及,但一些桥梁如沪通长江大桥、瓯江北口大桥等,在实施过程中也提出了建养一体化、桥梁BIM全生命周期应用的规划,从理念上涵盖了运维阶段的应用,反映了BIM技术应用的连贯性和可持续性。

价值点再分析

精细化建模

无论设计阶段还是施工阶段,BIM应用必须有项目级的建模标准,否则精细化建模无从谈起。同时,建模的精细度(涉及几何信息和非几何信息)应以后期应用为根本导向,两者不可分割独立,否则可能存在BIM模型无法满足应用需求的风险。

可视化技术交底

可视化技术交底是一个较笼统的价值点,可根据深度的不同,分为2个等级。程度1是通常的三维视图,所见即所得,通过软件(如Autodesk InfraWorks)功能完成漫游展示;程度2类似3D作业指导书,对某个工序或施工工艺进行模拟,起到可视化培训功能。因此,程度2在应用深度上更有价值。

4D虚拟施工

目前,4D虚拟施工主要是根据计划时间节点,按照结构施工顺序的模拟或再现桩基、墩台、梁部及桥梁附属等结构的生成(从隐藏到显现),其发挥的作用有限,很难涉及施工方案的优化。例如,连续刚构桥施工可以通过4D虚拟施工动画模拟,但合龙顺序是先边跨后中跨合龙,还是先中跨后边跨合龙,无法通过动画进行优化,只能通过专业知识评估。

施工管理

虽然BIM在施工管理中发挥了很大价值,但离真正满足施工单位实际需求还有很大差距。施工关注“人料机法环”,BIM应用重点在于“法”,对于专业技术人员,BIM现阶段的价值点属于锦上添花,而实际工程特别关注的劳务分包、物资管理、机械租赁、成本核算还几乎未涉及。当然,这是一个长期的过程,不仅需要BIM技术的进一步成熟,同时还涉及配套机制、管理方法等的升级。

通过对20座桥梁BIM技术应用样本分析,总结出以下特点:

1.BIM技术应用范围广。不仅应用在结构复杂的特大型桥梁结构中,在常规的中小跨度桥梁也有所普及。应用阶段以设计建造为主,运维阶段应用相对较少,但部分桥梁也提到和正在践行BIM全生命周期的应用。

2.以BIM为代表的信息技术与桥梁工程应用逐步融合,构建了从物质实体世界,向数字化架构发展的生态模式。

3.少数桥梁采用BIM正向设计,其余大多是基于施工阶段应用而反推设计BIM的三维翻模,一般没有考虑与其他专业协同设计。

4.建模软件以Revit、CATIA、Tekla为主,总体上混凝土桥梁以Revit为主,钢桥以CATIA和Tekla为主。单一BIM软件解决不了所有问题,随着应用深入,有向多个软件共同应用发展的趋势。

5.BIM技术从单软件的功能级应用,逐渐向多端系统平台、集成管理等方面靠拢。

6.随着钢结构的普及,钢桥BIM技术应用逐步辐射到施工的上游即制造阶段,钢桥制造BIM技术应用成为研究热点。

7.基于BIM施工管理挖掘了多个功能价值点,但应用范围主要集中在“法”,与施工本身需求还需进一步融合。

应用探讨

标准规范的研究

BIM技术在桥梁工程领域的应用,国际上没有现成标准,主流软件也鲜有成套功能,只有从底层标准抓起,才能逐步向标准化推进。因此,BIM实施要遵循顶层设计,如果仅孤立存在,对行业长远发展益处不大。

目前,铁路BIM标准体系框架初步形成,编制并发布了《铁路工程数据结构分解》《铁路BIM信息分类和编码标准》《铁路工程信息模型数据存储标准》《铁路工程信息模型交付精度标准》等基础标准,为BIM技术应用提供了可供参考的标准规范。

由于标准规范是从设计源头出发,许多分类和编码未必涵盖或不适用于施工、运维阶段,同时主流软件的支持还需要一定时间。因此,应以已有的标准规范为基础,结合发展定位或工程应用的实际情况,逐步补充和优化,摸索适合自身的编码体系或实施行为准则。

中国的桥梁BIM技术都用在了哪里?

BIM成熟度

BIM实施过程中有一个BIM成熟度模型(称为Bew-Richards BIM成熟度模型),分为0级、1级、2级和3级,级别越高,表明BIM应用越成熟。如果将BIM技术应用成熟度与铁路工程结构设计方法进行对比,两者有相似之处。

目前我国铁路桥梁设计方法以容许应力法(0级)为主,考虑与国内外主流设计方法的接轨,经过多年努力,编制完成《铁路桥涵极限状态法设计暂行规范》,但配套的计算软件、设计理念仍是基于容许应力法。通过梳理桥涵极限状态法试设计成果,中国铁路总公司已启动推进《铁路桥涵设计规范》(概率极限状态法)的编制工作,预计不久即将进入容许应力法与概率极限状态法并行期(1级),再经过不断的应用积累和实践检验,最终会全面实施概率极限状态法(2级)。

与设计方法类似,我国铁路工程结构BIM设计以二维图为基础(0级),少数结构进行了三维BIM设计。目前全路选定17个BIM试点项目,以BIM设计协同为主线,验证标准,探索BIM成果的验收、审核、转发、归档等管理模式,近期正迈向二维与三维过渡期(1级),发展目标是实现不同专业的协同(2级)。

未来,基于协同的BIM设计不可避免,考虑到BIM应用配套条件与工程师应用习惯,二维与三维过渡期将在一定时间内存在。另外,从性价比方面考虑,二维与三维并存也有其合理性,如钢筋布置图,二维图纸表现钢筋的布置非常简洁,易于工程师认知。针对偶尔不可避免的碰撞,只要按照主次的原则,适当调整普通钢筋的位置,对结构整体受力性能影响不大,但可避免繁琐的钢筋建模。

中国的桥梁BIM技术都用在了哪里?

BIM价值从量变到质变

BIM技术被誉为工程领域的第二次革命,对行业的影响是颠覆性的。铁路建设项目标准化管理中强调工厂化、机械化、专业化、信息化,BIM技术能够很好地将各个环节串联起来,是形成标准化的重要途径和切入点。

基于简单、即时反馈的实用主义角度出发,BIM价值和意义主要体现在可视化、综合管线碰撞等功能级应用,而其他深层次价值(如流程再造、管理升级等)由于需要量变积累,配套条件或机制不成熟,导致使用者不愿、不敢或者不能在这方面进行深入探索。

因此,BIM价值的真正落地需要时间和条件,不仅应从上到下加以政策引导,更重要的是从下到上自觉发挥主观能动性,最终实现从量变到质变的转变。

专业为主 需求为王

目前BIM从业人员多以建模人员为主,涉及专业技术人员的较少,考虑到知识的传递和积累过程,可以认为这是BIM技术发展的必经阶段。

随着BIM与专业的深度融合,BIM技术作为手段和工具的特点凸显,若仍采用原有组织模式,极有可能出现研发方向与实际功能需求脱节、研发成果与真实需要两张皮的现象。因此,在BIM技术应用实施过程中,应以专业为主,以解决专业实际问题为研发导向。

中国的桥梁BIM技术都用在了哪里?

信息模型与数据模型

BIM是桥梁工程全生命周期管理的信息载体,每个阶段都由相应的建筑模型、过程模型和决策模型构成,但不同阶段模型的精度、深度和广度相差较大。

BIM是面向对象的,应用对象不同,几何精度和信息深度等级不同,导致不同阶段BIM模型也不同,运维阶段信息模型最丰富。因此,基于BIM全生命周期实现的是数据模型的无损传递,数据积累得越多,通过与专业的融合,就越有可能得到有价值的信息,转化为知识直至智慧的依据就越充分,BIM的深度应用即是DIKW(数据、信息、知识、智慧)模型的流程化实现。

桥梁BIM已取得很多有价值的应用点,BIM和信息化技术是未来发展趋势,现已在业内形成共识。目前,BIM的应用重点在于设计和施工,并逐步向全产业链协同、全生命周期的实施迈进。通过对桥梁BIM应用中的标准规范、BIM成熟度、BIM价值时效性、BIM应用需求导向、信息模型与数据模型的思考,我们确信,BIM价值的充分发挥更离不开专业本身、技术发展、行业发展、管理机制、人员构成等配套条件的成熟。

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