Application of BIM Technology in Construction and Operation Maintenance of Steel Box
Composite Beam Cable-Stayed Bridge
俞升辉 YU Sheng-hui
（江苏东南工程咨询有限公司，南京 210018）
（Jiangsu Southeast Engineering Consulting Co.，Ltd.，Nanjing 210018，China）
摘要：BIM技术发明于2002年，经过十几年发展，已经广泛应用于建筑学、工程学等领域，成为工程建设中的重要建设和管理工具。桥梁建设在当前我国的基础建设中占有重要地位，将BIM技术应用于斜拉桥的建设中，可以提前分析和处理建设过程中可能出现的各种工程问题，并验证所提出的解决方案，最大程度地减少建设过程中可能发生的工程问题，从而提高工程施工建设效率。
Abstract: BIM technology was invented in 2002. After more than ten years of development, it has been widely used in architecture, engineering and other fields, and has become an important construction and management tool in engineering construction. Bridge construction plays an important role in China's current infrastructure construction. BIM technology is applied to the construction of cable-stayed bridges. It can analyze and deal with various engineering problems that may occur during the construction process in advance, and verify the proposed solutions, to reduce the engineering problems that may occur during the construction process, so as to improve the efficiency of construction and construction.
关键词：BIM；钢箱叠合梁；斜拉桥；施工与养护
Key words: BIM；steel box composite beam；cable-stayed bridge；construction and maintenance
中图分类号：TU71 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）22-0261-03
0 引言
在钢箱叠合梁斜拉桥的施工和维护中，需要解决大量技术性的难题，且实践中处理不当势必会引起一系列不良后果。将BIM技术应用于解决此类技术性难题，可以通过计算机软件事先进行模拟，找到解决方案中的不足之处以进行进一步的改进，提高技术性难题解决的成功率，避免问题进一步复杂化。该技术的运用，对于桥将建设施工和运营维护都有重要作用。
1 BIM技术
1.1 BIM技术概述
BIM（Building Information Modeling）技术起源于美国，即建筑信息模型，该技术是通过计算机进行模型的建立和模拟运行维护等工作，对建设过程中的可能出现的工程问题急性模拟，寻求和验证解决方案，被认为是建筑行业中实现信息化的重要工具，其特点包含三个方面：
1.1.1 可视性
首先是BIM技术的可视性，BIM技术所提供的是一种可以实现人机交互的可视性，能够通过建立信息模型，实现建设过程的可视化管理，并且能够自动生成项目的效果图以及相关报表。
1.1.2 协调性
建筑业中包括施工方、业主方等各方当事人都普遍要求协调这一内容，协调不仅是指工程建设施工的协调，也包括各方之间的协调性，在工程建设过程中，施工方、业主方、监理单位等始终都要处于高度协调、相互配合中，对于建设过程中产生的问题，各方都要参与协商和讨论，从而实现对工程问题的解决以及施工方案的变更。BIM技术的协调性服务可以在建筑物的建造前期对各方面的专业问题进行协调，提供自动生成的协调数据，优化设计施工方案，从而实现工程建设的协调性。
1.1.3 模拟性
BIM技术的模拟性不仅可以用于对和建筑物实际效果的模拟，还可以进行实践中无法进行的技术性问题解决的模拟，推导出最合理的施工方案，最大程度上降低施工建设过程中发生施工阻滞的可能性，有效降低施工建设成本，实现对成本的有效管控。此外还可以对建筑物建成后的运行进行模拟，针对建筑物建成后的防灾效果、管理问题分析等方面进行模拟，同样能够提升工程建设施工方案的合理性。
1.2 BIM技术在桥梁建设中的应用
当前我国“一带一路”建设都极大地加强了世界各国之间的交流，促进了多方之间的国际贸易，在“一带一路”建设中，交通运输是各国贸易的基础，而桥梁是交通运输系统的重点工程，尤其是在一些地理环境恶劣的区域内，桥梁的应用更为普遍。在斜拉桥施工控制中应用BIM技术，借助其高度的可视化和信息集成特性，能够大大提高施工质量和效率，节约施工成本，给施工安全提供强有力的保障[1]。桥梁建设在设计、施工等方面的要求都比较高，将BIM技术应用于桥梁建设，通过对建设过程中各个关键环节的模拟，以其可视性、模拟性等特点与桥梁建设相结合，有助于突破桥梁工程建设工作中原有的技术瓶颈，实现桥梁建设效率和质量的提升。
除了桥梁设计和建设方面的问题，随着跨径的不断增加以及越来越多的桥梁进入了运营养护阶段，对桥梁的管理也成为桥梁管理和使用者不得不面对的问题[2]。随着国内对BIM技术的研究进一步深入，桥隧领域内的学者进一步将BIM技术的应用从桥梁建设领域延伸到了桥梁的运营养护领域。在进行桥梁的运营养护过程中，以BIM技术建立的计算机信息模型为桥梁的养护提供了分析数据，为提升桥梁的养护效率和运营安全系数提供了保障。
2 钢箱叠合梁斜拉桥施工的BIM技术应用分析
BIM技术在钢箱叠合梁斜拉桥施工中的应用，既包括对斜拉桥的整体施工控制，也包括对斜拉桥施工中关键环节的精细化建模，即整体应用与局部应用同步进行，并存于钢箱叠合梁斜拉桥施工建设中，使之达到解决全局问题和局部问题的基本目的保障桥梁施工建设的高效和安全。
2.1 基于BIM技术的钢箱叠合梁斜拉桥施工控制
斜拉桥结构体系复杂，对施工过程中的主梁线形及内力要求严格，因此也对施工控制过程提出更严格的要求[3]。BIM技术在桥梁架设中的应用有助于提升风险的预告和处理能力，其施工控制思路为：信息获取—信息分析反馈—控制实现—信息管理。通过将施工现场收集的数据同设计建模数据进行对比分析，从而对接下来的建设提供安全评估，对于可能发生的问题做好应急预案，实现对工程的全面施工控制。
2.1.1 基于BIM技术的施工模拟
桥梁建设的BIM技术施工模拟可以分为两个部分，首先是施工有限元模拟，根据钢箱叠合梁斜拉桥的设计说明书所预设的成桥目标，进行施工状态的有限元模拟，从而获得施工过程的各项理想状态的施工参数，用以指导实际施工过程。其次是对施工的可视化模拟，这是基于BIM技术本身所具备的可视性实施的施工控制工作，通过BIM技术实现桥梁施工建设的动态过程和可视化，可以改善施工工序，提升施工效率，为工程实际中可能发生的问题进行模拟和预处理，优化施工方案。
2.1.2 桥将建设现场的施工监控与数据可视化分析
BIM技术在施工方面的应用目的在于提前发现施工问题和提出解决方案，在施工过程中，通过构建信息采集系统，对桥梁建设过程中的各项数据进行实时监控，结合GIS等其它相关的工程测量技术将数据收集并传输到BIM总控制台。通过总控台对数据进行分析处理，对于发现的潜在隐患及时进行讨论和处理，降低建设风险。基于 BIM 技术的四维设计可以利用软件制作建筑模型，并通过软件将真实的空间进行虚拟展示，设计人员可以直观地感受到模型所达到的效果，以修改或设计下一步[4]。
对于通过信息采集系统收集得到的数据通过将BIM信息采集系统与MATLAB连接，进行过数据分析，实时掌握现场施工情况，分析和观察应力变化曲线，实现对桥梁建设过程中的结构数据的分析和评价，并基于数据做出基本的评估。这种评估的作用主要是将评估所得的各项实际测量值与设计预想的理想值进行对比分析，作为决断下一步施工的指导，决定下一步施工应当注重的问题。
2.2 桥梁施工中斜拉索的BIM技术建模简析
斜拉索的施工钢箱叠合梁斜拉桥施工建设的主要步骤之一，在通常情况下，桥梁设计师会给出斜拉索的基本参数，斜拉索的材料、内部构造等数据是生产厂家根据桥梁建设项目的实际需要进行斜拉索生产制造的基本依据，而长度，张力锚固坐标等数据则是桥梁施工单位现场施工的依据。但是桥梁建设实践中会产生或大或小的各种问题，仅仅通过设计文件是无法完全预测的，此外，在梁段的安装和浇筑过程中，主梁斜拉索的张力以及索形会随其运动而不断发生变化，这一过程中也可能存在一定的建设问题，造成过着可能造成桥梁隐患，这些工程问题都可以通过BIM技术建模的方式解决。
如上文所述，BIM技术建模具有可视性、模拟性、协调性等优点，将桥梁建设项目中的斜拉索进行精细化建模，可以模拟出最接近实际状态的各个组成部件之间的空间位置关系，通过计算机模型来发现和解决诸如斜拉索与斜拉索套筒之间的碰撞等问题。斜拉索是整个钢箱叠合梁斜拉桥中为数不多的柔性构件，除了这些柔性构件外，其它桥梁构件均可以按照施工设计图建立精确的计算机模型，因此不需要进行太多的讨论。为了更好地解决斜拉索在桥梁建设中的具体问题，必须首先解决这种柔性构件的建模问题，就目前的建模技术而言，多数时候都会采用简化处理的方式，将斜拉索简化为直线处理，这种简化处理方式会使模型精度因此而下降，不能达到发现和解决问题的效果，因此，在斜拉索的精细化建模中，应当根据具体的数据变化，吸取其它已建成的桥梁项目的经验，总结归纳出适用于该桥梁工程的斜拉索索形变化规律，并以公式的方式呈现出来，在通过BIM技术建立高精度的计算机信息模型，完成对施工效果的模拟，达到预测和解决问题的目的。
3 钢箱叠合梁斜拉桥运营养护的BIM技术应用分析
3.1 桥梁运营养护中应用BIM技术的必要性
桥梁的运营养护是桥梁维持正常使用所必需的工作，我国现有斜拉桥建设的高峰期在上世纪后期，这些斜拉桥都已服役多年，而且主要是跨度较小、技术难度较低的斜拉桥，同时，我国在建或者即将批准建设的桥梁多数属于大跨度的大型斜拉桥，不管是新建桥梁还是已经到了运营维护期的桥梁，都要善于应用BIM技术辅助解决桥梁问题。
钢箱叠合梁斜拉桥的传统运营维护工作较为复杂，但是仍然具有能够与BIM技术契合的关键点。传统的斜拉桥建设和施工过程中都会产生的大量信息，这些信息中只有一部分会真正应用到桥梁的运营养护中来，其信息传递流程大概可以概括为：设计单位将相关图纸移交给施工单位，有施工单位按照图纸进行桥梁建设施工，在施工过程中会也会有信息产生，同时也会产生对施工方案的补充说明和改动，这些信息中只有部分会交付到业主手中，由业主根据具体的数据建立模型，以该模型为基础进行桥梁的运营养护工作。可见建立运营养护模型所用的数据并不完整，这会使运营养护成本上升，同时孤立存在于各方的数据也会造成信息资源的浪费，此外，传统的桥梁运营养护过程中还会产生大量零散的养护数据，没有及时进入到计算机信息模型中，导致计算机信息模型的进一步偏离养护实践，同时，这些数据通过人工也难以高速有效地进行处理。
3.2 BIM技术与传统桥梁运营养护系统的结合研究
BIM技术具有优秀的资源整合能力和表达能力，通过其可视化操作可以有效降低运营维护的成本，将数据输入到通过BIM技术建立的模型中，可以实现运营养护的高度自动化，BIM技术建立的模型能够通过分析数据的变化而自动做出判断，实现高效率的管理。传统的运营养护工作中，包括了人工巡检、电子巡检、安全管理等方面的内容，BIM技术与传统的运营养护工作结合的方式就是将工作中获取的数据直接传输或键入到BIM技术模型中，通过BIM技术模型自动实现对运营养护数据的分析处理。
4 结束语
钢箱叠合梁斜拉桥是当前应用最广泛的斜拉桥形式之一，在其施工建设以及运营养护之中，充分利用BIM技术进行施工建模和运营养护建模，能够有效提升施工和运营养护工作的效率，提升自动化程度，实现对潜在风险的规避，对于施工和运营养护过程中出现的问题可以进行模拟，选择最优方案进行解决。
参考文献：
[1]陈浩.基于BIM的斜拉桥施工控制与仿真分析[D].2017.
[2]胡旭.BIM技术在钢箱叠合梁斜拉桥施工和运营养护中的应用研究[D].华南理工大学，2018.
[3]王亮.基于BIM的斜拉桥设计应用与信息管理研究[D].西南交通大学，2016.
[4]上官丹丹，朱海波，孟元旭，等.大跨径斜拉桥BIM模型构建与应用研究[J].山西建筑，2018，44（22）：191-193. |
