桥梁BIM技术分析及展望

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 摘要

    建筑信息模型 (BIM) 是工程建设领域的第二次信息化技术革命。在过去一段时间, BIM主要用于房建和机械制造领域, 随着经济高速发展和交通量日益增加, 大跨径、高难度、多功能的特大型桥梁建设越来越多, 对桥梁设计及施工的要求也越来越高。针对桥梁, 常规的设计、施工、管理及存储方式已无法满足桥梁全生命周期内各个阶段的协作性要求。因此, 将BIM技术应用于桥梁全生命周期, 实现多维化操控管理, 显得极为重要。现通过对BIM的概念理解, 总结国内外BIM发展状况, 基于建筑全生命周期内各阶段所采用的BIM软件, 对桥梁BIM设计做了简述及分析。

1 BIM概念

BIM (Building Information Modeling) -建筑信息模型, 是以建筑工程项目的各项相关数据信息作为基础, 将建筑系统内所有的现实、虚拟、可视化及非可视化信息融入三维建筑模型, 实现工程项目的多维度集中化管理。

BIM并不是一款软件, 而是一系列软件集多种信息协同工作的方式及平台。它是工程建设领域继“手工绘图转变为二维计算机绘图”之后的又一次信息技术革命, 已经成为工程建设领域的热点 (见图1) 。

桥梁BIM技术分析及展望

图1 工程建设领域的信息技术革命图示

2 国外BIM发展

BIM (建筑信息模型) 源自于西方发达国家。他们在BIM技术领域的研究与实践起步较早, 很多建设工程项目已采用BIM技术。不少地区在政策和经济方面给予支持, 制定了相关的BIM标准, 不断推动BIM技术的应用和发展。

2.1 欧美国家

美国对BIM的研究与应用最为领先, 并且在政府层面给予大量的引导与推动。例如, 美国总务署GSA (负责美国联邦设施建造和运营) 鼓励其管辖范围内的项目均采用BIM技术, 并根据承包商所采用的BIM程序, 给予不同程度的资金支持。美国陆军工程兵团USACE, 也发布了为期15 a的BIM发展规划, 承诺未来所有军事建筑工程项目均采用BIM技术。

在BIM标准方面, 美国building SMART alliance开发并维护了IFC标准和open BIM标准。此外, 该联盟还发布了NBIMS-US标准。

英国内阁办公室部长发布的“政府建设战略”文件中提到“将实施一个为期四年的BIM推动计划, 以开启一个全新的高效的协同工作模式。通过对BIM技术的推广使用, 使英国成为数字化建设领域的领导者”。

在BIM标准方面, 英国于2009年11月发布了AEC (UK) BIM标准。在此基础上, 又发布了适用于不同BIM软件 (如Autodesk Revit) 的相关标准。

2.2 亚太地区

日本是亚太地区较早使用BIM的国家之一, 并且在政府层面做了很多的探索和研究。2014年3月, 日本国土交通省 (MLIT, Minisrty of Land, Infrastructure, Transport and Tourism) 发布了BIM应用方针和标准, 明确了BIM建模和应用的相关事项和内容, 制定模型的精度标准。

2012年6月, 澳大利亚的Buliding SMART组织发布了一份《国家BIM行动方案》 (National Building Information Modelling Intiative) 。该方案建议:从2016年7月1日起, 所有澳大利亚政府的建筑采购应使用基于开放标准的全三维协同BIM进行信息交换。

2012年5月, 新加坡国家发展部署下建设局 (BCA, Building&Consrtuction Authority) 发布了新加坡BIM应用指南 (Singapore BIM Guide) 。逐步要求以BIM提交蓝图方案, 到2014年, 所有5 000平方公尺以上项目的建筑及工程蓝图都必须以BIM提交。

2006年, 中国香港房屋委员会 (房委会) 在公屋发展项目中率先试用BIM。至2015年, 已有超过19个公屋发展项目在设计和施工的不同阶段应用了BIM。同时为推动与规范BIM的应用, 房委会也制定了相应的技术标准, 包括应用指南、组件库设计指南和参考资料。

bim SCORE组织统计的2012年BIM应用数据表明, 欧美国家在BIM成熟度方面处于绝对领先位置, 而亚太国家在BIM应用上还有不小的差距 (见图2) 。

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图2 国外BIM应用发展趋势柱状图

(来自Mc Graw Hill Construction统计数据)

3 国内BIM发展

得益于中国巨大的建筑开发市场, 近几年来BIM发展突飞猛进, 形成了一股BIM热潮, 同样也得到了政府层面的大力扶持。

2011年5月, 住建部颁布的《2011-2015年建筑业信息化发展纲要》中明确提出要“加快建筑信息化模型 (BIM) 基于网络的协同工作等新技术在工程中的应用, 推动信息化标准建设”。这是中国最早在国家政策层面, 对BIM的最明确支持。

2012年, BIM相关技术标准的制定工作开始有序推进, 先后启动了《建筑工程信息模型应用统一标准》, 《建筑工程设计信息模型交付标准》、《建筑工程设计信息模型分类和编码标准》等一系列国家级的BIM标准。

2014年7月, 住建部再次发文《关于推进建筑业发展和改革的若干意见》, 明确指出“推荐建筑信息模型 (BIM) 等信息技术在工程设计、施工和运行维护全过程的应用, 提高综合效益。”

各省市地区也相继制定了BIM应用指导意见, 如广东省住房和城乡建设厅于2014年9月发布的《关于开展建筑信息模型BIM技术推广应用工作的通知》。

2014年10月, 上海市人民政府办公厅印发了《关于在本市推进建筑信息模型技术应用指导意见》, 选择部分项目试用BIM技术, 且在特定区域内的工程全面采用BIM技术。

2014年9月, 北京市率先发布了中国大陆的第一部BIM技术标准, 《北京市地方标准—民用建筑信息模型 (BIM) 设计基础标准》。而上海、四川、重庆、辽宁等地, 也都在积极推进BIM标准的制定工作。

目前, BIM技术已不断深入到应用阶段, 《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》的出台, 对整个建筑领域继续推进BIM技术的应用, 起到了积极的指导和促进作用。

同时也相信, 作为国家一项重大的历史性工程-河北雄安新区的建设, 也必将通过BIM技术融合更多的创新理念来构建真正意义上的“智能交通”、“智能建筑”和“智慧城市”。

综上所述, 虽然国内BIM应用起步相对较晚, 但发展迅速, 正在逐步缩小与国外的差距, 大有迎头赶上之势。

4 桥梁BIM技术分析

4.1 桥梁BIM发展

桥梁最初是为跨越障碍物或河流河谷所设, 满足行人的基本通行。现代特大型桥梁一般是由道路 (如高速公路) 线位决定, 服务于现代交通需求, 当路线所经地区为江河或被交道路等障碍物时, 桥梁建设便应运而生。公路桥梁结构的设计基准期为100 a, 一座桥梁从建设初期的场地选择, 经过方案比选及技术难题攻克, 直到设计施工完成后的后期运营, 无论从时间角度还是从空间角度看, 整个过程繁琐而又衔接紧密。于是, 桥梁BIM技术的应用亟不可待。

近些年来, 国内外桥梁建设中相继出现了BIM技术的案例, 具体如表1、表2所列。

表1 国内桥梁BIM应用案例一览表

桥梁BIM技术分析及展望

表2 国外桥梁BIM应用案例一览表
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4.2 BIM分析软件

类似于BIM技术的研究起始于20世纪70年代。类似于BIM技术的应用起始于20世纪90年代, 即1994年6月12日第1架波音777飞机的设计, 整个设计过程采用三维计算机辅助设计软件CATIA来实现。此软件来自达索系统公司 (Dassault Systemes) 。2002年12月16日, 行业分析家Jerry Laiserin发表了一篇文章“Comparing Pommes and Naranjas”, 从此, BIM开始成为一个专门术语, 被工程建设行业广泛使用。

BIM的核心, 是通过在计算机中建立虚拟的建筑工程三维模型, 同时利用数字化技术, 为建筑全生命周期提供完整的建筑工程数据库。该数据库包含描述建筑物构件的几何信息, 也包括非几何信息。借助这个建筑工程信息的三维模型, 为建筑工程项目的各参与方提供一个工程信息交互与共享的平台。这个平台技术正在逐步向云平台靠拢, 其中代表软件为Autodesk BIM 360 Glue产品。

Revit原名为Revise immediately, 中文“所见即所得”, 其源自于1997年Revit Technology公司开发的一款三维建筑设计软件。2002年, Revit Technology公司被当时全球最大的二维、三维设计工程软件公司Autodesk收购, 成为其旗下产品, 并改名为Autodesk Revit。

Autodesk Revit作为欧特克软件有限公司针对BIM实施所推出的核心旗舰产品, 已经成为BIM实施过程中不可或缺的一个重要平台。其强大的功能可实现:协同工作、参数化设计、结构分析、工程量统计、施工图出版和三维构件的碰撞检查等。Revit结合其系列下的Revit Architecture、Revit Structure和Revit MEP三款软件, 为建筑业提供了完整的协作平台, 大大提高了设计的高效准确性, 为后期的项目施工和运营创造了有利条件。正是基于这种全面性、平台性和可扩展性, Autodesk Revit完美地实现了工程项目的可视化、信息化和协同化, 进而成为市场上占主导地位的BIM应用软件产品。

建筑工程的全生命周期设计主要流程为:可视化设计→初步设计与扩初设计→施工图设计→机电深化设计→绿色节能→运营。其中, 每个阶段都可实现对BIM的应用。为应对这些纷繁复杂的需求, 国内外各大软件公司开发了针对不同阶段的BIM应用软件, 具体见表3所列。

4.3 基于Autodesk BIM产品的桥梁设计

针对桥梁全生命周期的各个阶段, 现以国内建筑市场占有率最高、产品类型最丰富的Autodesk BIM产品软件为例, 描述桥梁设计流程。

4.3.1 场地设计-Auto CAD Civil3D

在设计开始阶段, 通过Civil3D与地理信息系统GIS的配合使用, 创建地形模型, 生成地形图, 提取路线设计参数, 进行路线总体设计。该总体设计为桥梁选址、桥跨布置及高程设计提供依据。

4.3.2 规划设计-Infraworks

此阶段, 设计人员利用Infraworks来模拟自然环境和人造环境, 利用二维数据创建三维设施模型生成三维场景 (见图3) 。结合Civil3D数据和桥梁模型, 制作桥址位置的仿真可视化作品, 在模拟环境中, 更准确地展示桥梁设计方案。将多个方案进行对比分析, 使项目预算更加合理, 以便进行详细设计。此外, 利用Autodesk Infrawors 360, 可让多个项目参与方在一个稳定安全的云环境中共享模型和实时查看多个方案, 加强各方参与, 及时收集反馈信息。

表3 建筑全生命周期中的BIM软件一览表
桥梁BIM技术分析及展望

桥梁BIM技术分析及展望

图3 Infraworks模型

4.3.3 初步设计、施工图设计-Revit

设计人员可利用Revit基于模型的方法, 将桥梁设计创意从最初的概念变为具体的构造。利用参数化族的功能, 创建桥梁各组成构件, 如桩基、承台、桥墩、箱梁、普通钢筋、预应力、护栏等。最终形成的三维模型包括所有的设计视图和施工图信息, 且所有的信息之间保持着相互关联, 实现了“一处修改、处处更新”。实时查询项目工程量等数据信息、通过格式设置, 快速生成施工图, 大大提高了设计效率。

图4为Revit拱桥模型。

桥梁BIM技术分析及展望

图4 Revit拱桥模型

4.3.4 结构分析-Robot

此阶段, 设计人员利用Robot Structure Analysis无缝导入已完成的revit结构模型, 对桥梁结构施加约束和荷载, 进行有限元计算分析, 保证结构受力满足要求。

4.3.5 结构深化设计-Auto CAD Structural Detailing

对于钢结构装配式桥梁, 利用Auto CAD Structural Detailing特定模块创建钢结构施工装配详图, 提供高精度的数量表和明细表。

4.3.6 施工模拟-Navisworks

桥梁结构不同, 其施工方法也相差很大。为避免桥梁施工期间各工序及组成构件的时间及空间冲突, 保证施工顺利进展, 设计人员可利用Navisworks将Auto CAD和Revit等软件创建的桥梁信息数据, 与来自其他设计程序的几何信息相结合, 形成整体系统的三维可视化环境, 进行实时审阅。利用Navisworks Manage将错误查找和构件冲突管理与动态的四维项目进度仿真功能相结合, 提高施工的准确性和一致协调性, 减少设计变更。利用Navisworks Simulate制定详细的四维施工进度表, 超前实现施工可视化。利用Navisworks Review的动态导航漫游功能加深对项目的理解。

4.3.7 机电深化设计-Inventor

对于特大型桥梁, 会配备相应的机电设备, 利用Inventor的仿真机械运动功能, 能节省花费在构建物理样机上的成本、时间和高额的咨询费用。通过对实际荷载和约束的模拟, 验证部件工作协调合理性。借助应力分析来优化零部件设计。

4.3.8 云计算BIM平台-Autodesk BIM 360 Glue

一个完美的桥梁设计, 离不开一个优良的设计团队。Autodesk BIM 360 Glue基于云计算平台, 为各参与设计人员提供模型的整合、展示、浏览、管理和更新等功能。利用此功能, 设计人员可在任何时间和地点实时接入模型进行协同工作和沟通, 确保桥梁设计顺利进展。

5 桥梁BIM展望

BIM在中国已经从初始的萌芽和测试阶段, 真正步入到发展普及的实施阶段。工程领域内各企业的工作重心, 已经从研究学习BIM转移到如何合理实施应用BIM, 并将其延续到整个项目的全生命周期中, 从而实现效益最大化。

由此可见, BIM技术将是今后工程领域的发展趋势。无论是对现有桥梁的运营管理, 还是对未来桥梁的规划、设计、施工, BIM技术都将贯穿于桥梁建设的整个生命周期, 其产生的经济效应与社会价值无可估量。

但由于国内BIM起步较晚, 缺乏相应的技术标准和成熟的技术团队, 造成了BIM在技术标准上缺乏规范性和统一性。而作为一个新的理念, BIM技术在桥梁领域的应用才刚刚起步, 针对桥梁工程的BIM软件功能也不够完善, 桥梁BIM技术的二次开发还有待发展。

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