滬通長江大橋位于長江江蘇南通和張家港段，是滬通鐵路全線的控制性工程，全長11072m，大橋采用主跨1092m的鋼桁梁斜拉橋結(jié)構(gòu)，為世界最大跨徑公鐵兩用斜拉橋，也是世界首座超過千米跨度公鐵兩用橋。大橋貫通后，南通到上海將實現(xiàn)1小時直達。

大橋于2015年1月開工，在設(shè)計、施工、運維階段進行BIM探索研究。本文根據(jù)滬通長江大橋主橋BIM實施經(jīng)驗，從設(shè)計、施工、運營維護等角度提出橋梁工程領(lǐng)域BIM技術(shù)實施路徑。

全生命周期各階段BIM應用

設(shè)計階段應用

依照行業(yè)特點，鐵路橋梁的全生命周期分設(shè)計、施工、運營維護３個階段。BIM在設(shè)計階段應用分為兩類：一是試點初期采用翻模方法建立BIM模型，即設(shè)計院交付施工圖，再以圖紙為依據(jù)建立BIM模型；二是應用BIM軟件進行正向設(shè)計，即在沒有圖紙的情況下由設(shè)計人員按照設(shè)計理念直接建立BIM模型，并由模型生成可以交付的施工圖。

翻模建立BIM模型

翻模方式（先有圖紙，后有BIM模型）是應用BIM技術(shù)初期必然經(jīng)歷的階段。對于設(shè)計領(lǐng)域的思維、流程、業(yè)務(wù)等改變很小。因為一般是以小組的方式小范圍、試驗性地開展；主力設(shè)計人員的參與度不是太高；由于施工圖已經(jīng)交付、設(shè)計的主要工作已經(jīng)完成，該方式能夠產(chǎn)生的直接價值相對較小，更多的是附加的間接價值，且對工程建設(shè)僅是輔助性指導，無法滲透到項目深處。翻模方式應用點主要有：碰撞檢查、工程量統(tǒng)計、局部復雜部位的設(shè)計優(yōu)化和出圖、與有限元軟件的結(jié)合等。

碰撞檢查是BIM模型的固有優(yōu)勢，二維設(shè)計時未發(fā)現(xiàn)的空間幾何沖突在BIM模型中將逐一呈現(xiàn)。對于橋梁工程來說，此應用更加適用于鋼結(jié)構(gòu)橋梁，鋼結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計精度高，設(shè)計時必須考慮空間上的沖突，如果在BIM模型中發(fā)現(xiàn)碰撞，則必須對設(shè)計圖紙進行修改。而對于混凝土橋梁，碰撞檢查的應用價值較低?；炷翗蛄涸O(shè)計時一般為整體上原則性、關(guān)鍵性考慮，施工的實際情況和設(shè)計總會有或大或小的差異，因此目前混凝土橋梁的設(shè)計方法與BIM技術(shù)的要求有較大差距。

工程量統(tǒng)計也是BIM模型的固有優(yōu)勢，只要模型精度滿足要求，工程量即可快速便捷獲得，便捷性要遠高于傳統(tǒng)二維設(shè)計。以鋼結(jié)構(gòu)橋梁為例，BIM模型的精度與施工圖的精度一致，在統(tǒng)計高強螺栓數(shù)量時，可以按照直徑、長度分類統(tǒng)計，其效率和精度要大大于傳統(tǒng)設(shè)計。

局部復雜結(jié)構(gòu)深化設(shè)計是將復雜的空間特性顯著的部位進行BIM建模，利用幾何體的空間關(guān)系通過布爾運算完成真實的三維模型，由模型來繪制二維的圖紙。其降低了平面設(shè)計時對大腦的空間想象能力的要求和依賴，實現(xiàn)了所見即所得；提高了設(shè)計的準確性和精度，降低了出錯的概率；該部位的錯漏碰缺可以一次性徹底解決。

更深一級的BIM應用會涉及BIM模型與有限元計算的結(jié)合，即由BIM模型轉(zhuǎn)到有限元軟件或由有限元軟件轉(zhuǎn)到BIM模型。作為研究其技術(shù)路徑是暢通的，但是到具體應用環(huán)節(jié)還有較多問題需要系統(tǒng)性解決。如混凝土結(jié)構(gòu)BIM模型可以轉(zhuǎn)為實體單元進行加載和計算，但如果混凝土箱梁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為梁單元進行成橋分析需一系列假定并補充分析需要的若干信息。對鋼結(jié)構(gòu)而言，BIM模型轉(zhuǎn)化為實體、板殼、梁單元都需要對螺栓連接進行簡化處理，除非是專門研究螺栓的受力，通常情況下是需要將螺栓甚至全部連接細節(jié)忽略進行簡化處理。也就是說力學模型和BIM模型是兩個有一定交集但又各自獨立的子集。

BIM正向設(shè)計

設(shè)計人員采用BIM技術(shù)進行正向設(shè)計（即設(shè)計人員直接建立BIM模型，后生成圖紙），更符合BIM理念，也是設(shè)計階段BIM應用努力的目標。但是目前尚不完全具備條件，其原因主要是缺乏與專業(yè)結(jié)合緊密的BIM建模軟件，就目前情況而言，業(yè)內(nèi)使用較多的軟件還需要一段時間與鐵路各專業(yè)融合。軟件不僅需要建立幾何外形一致的模型，還需要采用與各專業(yè)相一致的做法，需將專業(yè)的理念植入軟件。如線路專業(yè)需要從線路中心線的建立入手，中心線上的構(gòu)造物與線路中心線要有一定的關(guān)聯(lián)。如橋梁專業(yè)至少能夠快速建立BIM模型，解決建模效率的問題。

設(shè)計階段BIM技術(shù)應用是建立與設(shè)計階段相適應的不同精度等級的模型，從LOD100（概念設(shè)計精度）到LOD300（施工圖設(shè)計精度）的模型都應有。關(guān)注低等級的BIM模型的應用是實現(xiàn)BIM在設(shè)計階段應用的關(guān)鍵，在不同的設(shè)計階段采用不同的精度等級的BIM模型，而且高等級的BIM模型應由低等級的BIM模型繼承而來，不應是重新建模。從低等級模型到高等級模型，是設(shè)計工作不斷推進的過程，是設(shè)計信息逐步完善的過程，不只是單一的幾何屬性。

施工階段應用

施工階段的BIM應用歸納起來有可視化交底、實時進度展示管理和控制、工程量詳細統(tǒng)計等?；贐IM技術(shù)的可視化技術(shù)交底比傳統(tǒng)以二維圖紙為基礎(chǔ)的交底更加形象直觀，降低了由圖紙想象三維模型的難度。同時通過將BIM模型構(gòu)件與圖紙相匹配關(guān)聯(lián)，可以快速準確讀懂圖紙。對于工班組中的一線工人來說，顯得尤為適用。結(jié)合BIM模型可以將特定施工工藝制作成視頻，快速傳遞到一線操作人員，供反復觀看。可視化技術(shù)交底具有快速、準確、高效的優(yōu)點，是施工階段的重要應用點。

項目進度是建造期間的關(guān)鍵內(nèi)容，合理的施工進度對保證工期、質(zhì)量和成本有直接的影響。進度的安排需綜合考慮多種因素，將BIM技術(shù)應用到進度的實時展示，再進一步實現(xiàn)對進度的管理和控制，促進傳統(tǒng)管理的變革。BIM模型各構(gòu)件與時間關(guān)聯(lián)，即可以展示進度計劃和實時進度，而對于進度進行管理和控制則需要成本等信息。

精細化工程量的統(tǒng)計也是施工階段的重要應用。隨著模型等級的提高，其精細度有了進一步提升，用模型統(tǒng)計出來的工程量將更為準確，可以按照不同分類標準進行分類，便于施工組織。以滬通長江大橋鋼桁梁為例，鋼板厚度8～50ｍｍ，型號多達幾10種，通過BIM模型就可以方便快捷地根據(jù)厚度和材質(zhì)對鋼結(jié)構(gòu)進行分類，方便鋼梁廠進行物料管理。

運維階段應用

相對建筑行業(yè)運營維護階段的應用有空間管理、設(shè)施管理、應急管理、節(jié)能管理等應用點，橋梁結(jié)構(gòu)在運營階段管理的內(nèi)容側(cè)重于保障橋梁功能的正常運行。因此，鑒于這些特點，橋梁運營維護期間，BIM模型會隨著時間的推移不斷添加日常維修養(yǎng)護信息及健康監(jiān)測信息，從而形成具有運營階段信息的BIM模型，考慮到運營維護階段維持百年左右，運營維護階段的信息量將非常龐大，海量數(shù)據(jù)的處理將十分關(guān)鍵。

通過BIM技術(shù)的使用，設(shè)計、施工階段的有價值信息得以延續(xù)到運營維護階段，可為管理部門提供維修養(yǎng)護的支撐數(shù)據(jù)，如構(gòu)件的尺寸、材質(zhì)、母材的出廠信息、制造的參數(shù)、施工的記錄等。這些集中存放的信息將會為構(gòu)件的保養(yǎng)、維修、更換提供支持。

健康監(jiān)測系統(tǒng)近十年在大型和特大型橋梁上布置得比較多。測量加速度、位移、應變、溫度等的測點按照設(shè)定的采樣頻率源源不斷地向系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心推送海量數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的過濾、處理、分析推斷結(jié)構(gòu)的安全健康狀態(tài)。對于數(shù)據(jù)的挖掘做進一步深入研究，可使健康監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)揮更加重要的作用。將健康監(jiān)測系統(tǒng)與BIM模型結(jié)合，將具有分類和編號的測點模型作為BIM模型的一類對象（構(gòu)件），這些對象具有隨時間不斷增長的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)單一測點隨時間變化的規(guī)律及不同測點數(shù)據(jù)之間相互關(guān)聯(lián)的變化甄別結(jié)構(gòu)的狀態(tài)變化，智能及半智能判斷結(jié)構(gòu)的損傷、劣化情況，形成數(shù)字化的管養(yǎng)基礎(chǔ)，是運營維護階段BIM應用的發(fā)展方向。

關(guān)鍵技術(shù)

目前橋梁工程中BIM技術(shù) 應用還處于起步階段，仍然不成熟，需要攻克以下關(guān)鍵技術(shù)。

設(shè)計階段應用關(guān)鍵

目前BIM軟件 以國外軟件為主流，且與鐵路行業(yè)各專業(yè)特性有一定距離。推廣BIM技術(shù)關(guān)鍵是各專業(yè)打造出符合設(shè)計流程、設(shè)計理念的本土化軟件。需要解決專業(yè)特點、協(xié)同設(shè)計、成圖、集成交付等方面的問題。

BIM軟件中體現(xiàn)專業(yè)特性

按照鐵路項目的工程實體，分層級進行構(gòu)筑物建模。如鐵路線從線路中心線入手在中心線上附著路基、站場、橋梁、隧道等建筑物，線上建筑物與中心線有關(guān)聯(lián)，中心線發(fā)生變化其上建筑物也隨之按照專業(yè)規(guī)范變化。所有構(gòu)筑物的劃分必須符合鐵路工程實體分解和編碼。

以橋梁專業(yè)為例，在設(shè)計時以線路總體為依據(jù)設(shè)計橋梁結(jié)構(gòu)，這一點與現(xiàn)行的設(shè)計習慣是一致的，而目前的BIM建模還不能實現(xiàn)橋梁與線路中心線的聯(lián)動，在線路變化時需要人工干預將橋梁結(jié)構(gòu)移動到變化后的線路中心線上。鐵路桁架梁是由若干桿件組成的桿件體系，首先設(shè)計的是桁架梁的系統(tǒng)線，即由桿件的中心線組成的空間網(wǎng)格，其次是設(shè)計各桿件的斷面，此時可以進行受力分析確定系統(tǒng)線和桿件斷面是否合理，之后再進行桿件間的連接設(shè)計，各桿件在交匯處做切割處理，用節(jié)點板和螺栓進行連接。即LOD200（初步設(shè)計精度）和LOD300（施工圖設(shè)計精度）的階段，目前一般是直接建LOD300的模型，未經(jīng)過LOD200環(huán)節(jié)，因此設(shè)計的思路還沒有很好地體現(xiàn)。如要體現(xiàn)設(shè)計環(huán)節(jié)的應用并消除在設(shè)計推廣的障礙，設(shè)計本土化、專業(yè)化的BIM軟件是唯一出路，軟件至少要能夠符合鐵路BIM聯(lián)盟已經(jīng)發(fā)布的IFD和IFC標準，最好能逐步納入相關(guān)專業(yè)的設(shè)計理念。

鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計的特殊性

鋼結(jié)構(gòu)橋梁跨度大，在重力場作用下，梁會受彎下?lián)?，為了保證線路的平順，設(shè)計時會設(shè)置預拱度。當消除重力場的作用時（結(jié)構(gòu)的無應力狀態(tài)）結(jié)構(gòu)是上拱的，上拱的量值因跨度、結(jié)構(gòu)形式不同而不同，一般在幾十至幾百毫米的量級范圍。當實際架設(shè)時，結(jié)構(gòu)在重力作用下預拱度會和撓度變形相抵消，保證了結(jié)構(gòu)在實際運行時的平順性。即結(jié)構(gòu)的無應力狀態(tài)（制造尺寸）與成橋狀態(tài)在外形和構(gòu)件尺寸上是有差異的。如果要考慮設(shè)計模型向制造模型交付，在建立模型時需按照結(jié)構(gòu)的無應力狀態(tài)來建立，按照無應力狀態(tài)建立的模型放置到整體模型中，幾何關(guān)系是不吻合的。如何克服這一問題，目前還未有很好的辦法，最為有效的方法還是寄希望于BIM軟件能夠顯示成橋重力場作用下的幾何外形和用于制造的BIM模型。

施工階段應用關(guān)鍵

設(shè)計階段模型應能直接用于制造，尺寸準確。如在鋼桁梁的設(shè)計中，為設(shè)置預拱度，其上弦桿的無應力尺寸要比成橋狀態(tài)長19ｍｍ，模型應按無應力尺寸建立，否則無法應用于鋼梁制造

鋼結(jié)構(gòu)橋梁構(gòu)件由鋼板組成。套料時各板件外形不是BIM模型中的外形尺寸，而需增加切割余量，此余量包含焊接收縮、切割邊打磨的量值。而切割余量的影響因素過多，目前尚需人工添加，無法實現(xiàn)智能化自動添加

BIM模型中建立的焊縫在與焊接機器的信息傳遞方面尚有技術(shù)難題需要解決

制造完成的構(gòu)件與設(shè)計理想狀態(tài)存在誤差?？赏ㄟ^三維攝影或激光掃描等技術(shù)手段建立由點云組成的構(gòu)件三維模型，然后將此點云模型和制造BIM模型進行比較得出。在建立出廠構(gòu)件的三維模型時，需要在精度和效率方面改進，并且還需要專用的虛擬拼裝分析軟件，因為虛擬拼裝是帶誤差的拼裝，不能嚴格地幾何對齊和保持嚴格的相對關(guān)系

施工階段BIM應用將施工過程中的信息隨著時間的推移對設(shè)計BIM模型進行不斷的補充，形成具有施工信息的LOD400（建造階段精度）級BIM模型。施工信息是施工建設(shè)業(yè)務(wù)信息化與BIM模型的結(jié)合，信息是伴隨施工工作推進自動形成的，而非為了BIM工作而單獨準備的數(shù)據(jù)。施工工作的信息化是完成BIM在施工階段實質(zhì)應用的前提。比如施工中各工序卡控的

環(huán)節(jié)、施工日志的信息均可以作為BIM在施工階段的信息加以存儲，需要有共同認可的格式。以達索和BENTLY軟件的BIM實施路徑看，建模軟件是其中的一部分，更為重要的是協(xié)同設(shè)計的平臺軟件如ENOVIA和ProjectWise，可是這兩個能夠?qū)?shù)據(jù)融合的平臺在實際應用中還無法和工程實際相結(jié)合，其中主要原因是我國工程建設(shè)模式和管理方式和國外有較大差異。BIM技術(shù)在應用中還存在瓶頸，缺乏協(xié)同平臺。

運維階段應用關(guān)鍵

目前運營維護階段的BIM應用以健康監(jiān)測系統(tǒng)為主，通過在結(jié)構(gòu)上布設(shè)各類元件，如測加速度、撓度、應變、溫度等元件，將采集的各類測點的元件信號轉(zhuǎn)化為所表征的數(shù)據(jù)。通過對數(shù)據(jù)的處理、轉(zhuǎn)換、分析，分析結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化、判斷結(jié)構(gòu)安全狀況。健康監(jiān)測所獲得有價值的數(shù)據(jù)作為BIM在運營維護階段的信息，不斷完善補充BIM模型信息。健康監(jiān)測系統(tǒng)與運營維護的具體業(yè)務(wù)相結(jié)合，逐步向數(shù)字化管養(yǎng)發(fā)展。健康監(jiān)測系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)可以分析變化規(guī)律，揭示結(jié)構(gòu)受力變化，較人為間斷觀測有明顯的優(yōu)勢，更容易發(fā)現(xiàn)問題利于預防。

但是目前健康監(jiān)測仍存在需要解決的難點：元件布置以反應結(jié)構(gòu)的總體狀況為目標，監(jiān)測結(jié)構(gòu)局部發(fā)生的變化有難度。如構(gòu)件上發(fā)生的裂紋，連接的損傷等，難以準確反應；元件工作受外部環(huán)境影響，穩(wěn)定性、可靠性不足，導致數(shù)據(jù)不連續(xù)、不穩(wěn)定；大數(shù)據(jù)分析手段尚未發(fā)揮作用，原始數(shù)據(jù)反映有價值的內(nèi)容有限，需要進行數(shù)據(jù)處理，如小波變換等；健康監(jiān)測的理論與實踐未成熟，因此需要一套堅實的理論去支撐，以此指導目前的元件布設(shè)原則，使系統(tǒng)的布置更合理，更有針對性。

貫通三階段BIM信息

BIM模型中信息貫穿生命周期各階段才能實現(xiàn)BIM價值的最大化。將設(shè)計、施工、運營維護三階段數(shù)據(jù)進行傳遞、延續(xù)和利用，是BIM的核心理念。

需要有各階段BIM模型和信息結(jié)構(gòu)化及存放的標準，這樣各階段產(chǎn)生的信息，才能按照公共遵守的格式存儲，也只有這樣才能保證其他階段、其他軟件將數(shù)據(jù)準確方便識別并加以應用。通過基礎(chǔ)理論研究制定的相關(guān)標準是各階段模型、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)化的準則，是數(shù)據(jù)傳遞應用的基礎(chǔ)和前提。

需要支持所開展應用的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)平臺，將各階段所開展的業(yè)務(wù)形成數(shù)據(jù)化的信息存放于基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)庫中，可以供后續(xù)階段其他應用來獲取必需的信息以便開展自身的業(yè)務(wù)。數(shù)據(jù)平臺的建設(shè)不是簡單地建立一個數(shù)據(jù)庫，而是與特定的軟件系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，各階段的業(yè)務(wù)通過平臺來進行，伴隨業(yè)務(wù)完成，生成的是基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)庫，庫中的信息可以供其他平臺來調(diào)用。各種應用（平臺）構(gòu)建在基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)庫之上，數(shù)據(jù)是應用的支承。

需要各階段的平臺建設(shè)，設(shè)計階段根據(jù)不同的設(shè)計類型應用若干的平臺完成相關(guān)的設(shè)計，如鋼結(jié)構(gòu)橋梁BIM設(shè)計軟件、混凝土結(jié)構(gòu)BIM橋梁設(shè)計軟件、橋梁下部結(jié)構(gòu)BIM設(shè)計軟件等。所有的設(shè)計最終成果是符合標準的數(shù)據(jù)庫。施工階段應用圍繞施工業(yè)務(wù)以設(shè)計階段形成的數(shù)據(jù)庫中的信息搭建，施工業(yè)務(wù)的開展豐富了設(shè)計BIM的信息，所增加的信息存放于標準格式的數(shù)據(jù)庫中。同樣運營維護階段的應用也是以設(shè)計和施工BIM信息（基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫）為支撐，開展運營維護階段的業(yè)務(wù)。運營階段的業(yè)務(wù)也存放于基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)庫中。

 結(jié)語

BIM作為應用于橋梁工程領(lǐng)域的新技術(shù)，缺少成熟的經(jīng)驗和工具軟件直接使用。需結(jié)合各專業(yè)基礎(chǔ)理論和本土軟件的持續(xù)開發(fā)。橋梁工程領(lǐng)域BIM應用是系統(tǒng)性全局性工作，技術(shù)突破尚需在國家、行業(yè)層面從規(guī)章制度方面的大力引導，集合業(yè)內(nèi)各方力量共同努力。