全生命周期各階段BIM應(yīng)用

設(shè)計(jì)階段應(yīng)用

依照行業(yè)特點(diǎn)，鐵路橋梁的全生命周期 分設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營維護(hù)３個(gè)階段。BIM在設(shè)計(jì)階段應(yīng)用分為兩類：一是試點(diǎn)初期采用翻模方法建立BIM模型，即設(shè)計(jì)院交付施工圖，再以圖紙為依據(jù)建立BIM模型；二是應(yīng)用BIM軟件進(jìn)行正向設(shè)計(jì)，即在沒有圖紙的情況下由設(shè)計(jì)人員按照設(shè)計(jì)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(yīng)用BIM技術(shù)初期必然經(jīng)歷的階段。對于設(shè)計(jì)領(lǐng)域的思維、流程、業(yè)務(wù)等改變很小。因?yàn)橐话闶且孕〗M的方式小范圍、試驗(yàn)性地開展；主力設(shè)計(jì)人員的參與度不是太高；由于施工圖已經(jīng)交付、設(shè)計(jì)的主要工作已經(jīng)完成，該方式能夠產(chǎn)生的直接價(jià)值相對較小，更多的是附加的間接價(jià)值，且對工程建設(shè)僅是輔助性指導(dǎo)，無法滲透到項(xiàng)目深處。翻模方式應(yīng)用點(diǎn)主要有：碰撞檢查、工程量統(tǒng)計(jì)、局部復(fù)雜部位的設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)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(yīng)用更加適用于鋼結(jié)構(gòu)橋梁，鋼結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計(jì)精度高，設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)圖紙進(jìn)行修改。而對于混凝土橋梁，碰撞檢查的應(yīng)用價(jià)值較低?；炷翗蛄涸O(shè)計(jì)時(shí)一般為整體上原則性、關(guān)鍵性考慮，施工的實(shí)際情況和設(shè)計(jì)總會有或大或小的差異，因此目前混凝土橋梁的設(shè)計(jì)方法與BIM技術(shù)的要求有較大差距。

工程量統(tǒng)計(jì)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(yuǎn)高于傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)。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(jì)高強(qiáng)螺栓數(shù)量時(shí)，可以按照直徑、長度分類統(tǒng)計(jì)，其效率和精度要大大于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)。

局部復(fù)雜結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)是將復(fù)雜的空間特性顯著的部位進(jìn)行BIM建模，利用幾何體的空間關(guān)系通過布爾運(yùn)算完成真實(shí)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(jì)時(shí)對大腦的空間想象能力的要求和依賴，實(shí)現(xiàn)了所見即所得；提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和精度，降低了出錯(cuò)的概率；該部位的錯(cuò)漏碰缺可以一次性徹底解決。

更深一級的BIM應(yīng)用會涉及BIM模型與有限元計(jì)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(yīng)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(shí)體單元進(jìn)行加載和計(jì)算，但如果混凝土箱梁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為梁單元進(jìn)行成橋分析需一系列假定并補(bǔ)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(shí)體、板殼、梁單元都需要對螺栓連接進(jìn)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(xì)節(jié)忽略進(jìn)行簡化處理。也就是說力學(xué)模型和BIM模型是兩個(gè)有一定交集但又各自獨(dú)立的子集。

保證工期、質(zhì)量和成本有直接的影響。進(jìn)度的安排需綜合考慮多種因素，將BIM技術(shù)應(yīng)用到進(jìn)度的實(shí)時(shí)展示，再進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對進(jìn)度的管理和控制，促進(jìn)傳統(tǒng)管理的變革。BIM模型各構(gòu)件與時(shí)間關(guān)聯(lián)，即可以展示進(jìn)度計(jì)劃和實(shí)時(shí)進(jìn)度，而對于進(jìn)度進(jìn)行管理和控制則需要成本等信息。

精細(xì)化工程量的統(tǒng)計(jì)也是施工階段的重要應(yīng)用。隨著模型等級的提高，其精細(xì)度有了進(jìn)一步提升，用模型統(tǒng)計(jì)出來的工程量將更為準(zhǔn)確，可以按照不同分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(dá)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(jìn)行分類，方便鋼梁廠進(jìn)行物料管理。

運(yùn)維階段應(yīng)用

相對建筑行業(yè)運(yùn)營維護(hù)階段的應(yīng)用有空間管理、設(shè)施管理、應(yīng)急管理、節(jié)能管理等應(yīng)用點(diǎn)，橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)營階段管理的內(nèi)容側(cè)重于保障橋梁功能的正常運(yùn)行。因此，鑒于這些特點(diǎn)，橋梁運(yùn)營維護(hù)期間，BIM模型會隨著時(shí)間的推移不斷添加日常維修養(yǎng)護(hù)信息及健康監(jiān)測信息，從而形成具有運(yùn)營階段信息的BIM模型，考慮到運(yùn)營維護(hù)階段維持百年左右，運(yùn)營維護(hù)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(jì)、施工階段的有價(jià)值信息得以延續(xù)到運(yùn)營維護(hù)階段，可為管理部門提供維修養(yǎng)護(hù)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(yīng)變、溫度等的測點(diǎn)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(jìn)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(diǎn)模型作為BIM模型的一類對象（構(gòu)件），這些對象具有隨時(shí)間不斷增長的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)單一測點(diǎn)隨時(shí)間變化的規(guī)律及不同測點(diǎn)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(yùn)營維護(hù)階段BIM應(yīng)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(yīng)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(jì)階段應(yīng)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(jì)流程、設(shè)計(jì)理念的本土化軟件。需要解決專業(yè)特點(diǎn)、協(xié)同設(shè)計(jì)、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(xiàng)目的工程實(shí)體，分層級進(jìn)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(shí)體分解和編碼。

以橋梁專業(yè)為例，在設(shè)計(jì)時(shí)以線路總體為依據(jù)設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)，這一點(diǎn)與現(xiàn)行的設(shè)計(jì)習(xí)慣是一致的，而目前的BIM建模還不能實(shí)現(xiàn)橋梁與線路中心線的聯(lián)動(dòng)，在線路變化時(shí)需要人工干預(yù)將橋梁結(jié)構(gòu)移動(dòng)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(jì)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(jì)各桿件的斷面，此時(shí)可以進(jìn)行受力分析確定系統(tǒng)線和桿件斷面是否合理，之后再進(jìn)行桿件間的連接設(shè)計(jì)，各桿件在交匯處做切割處理，用節(jié)點(diǎn)板和螺栓進(jìn)行連接。即LOD200（初步設(shè)計(jì)精度）和LOD300（施工圖設(shè)計(jì)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(jì)的思路還沒有很好地體現(xiàn)。如要體現(xiàn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的應(yīng)用并消除在設(shè)計(jì)推廣的障礙，設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)，最好能逐步納入相關(guān)專業(yè)的設(shè)計(jì)理念。

鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)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)希瑸榱吮ＷC線路的平順，設(shè)計(jì)時(shí)會設(shè)置預(yù)拱度。當(dāng)消除重力場的作用時(shí)（結(jié)構(gòu)的無應(yīng)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(dāng)實(shí)際架設(shè)時(shí)，結(jié)構(gòu)在重力作用下預(yù)拱度會和撓度變形相抵消，保證了結(jié)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的平順性。即結(jié)構(gòu)的無應(yīng)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(jì)模型向制造模型交付，在建立模型時(shí)需按照結(jié)構(gòu)的無應(yīng)力狀態(tài)來建立，按照無應(yīng)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(yīng)用關(guān)鍵

• 設(shè)計(jì)階段模型應(yīng)能直接用于制造，尺寸準(zhǔn)確。如在鋼桁梁的設(shè)計(jì)中，為設(shè)置預(yù)拱度，其上弦桿的無應(yīng)力尺寸要比成橋狀態(tài)長19ｍｍ，模型應(yīng)按無應(yīng)力尺寸建立，否則無法應(yīng)用于鋼梁制造
• 鋼結(jié)構(gòu)橋梁構(gòu)件由鋼板組成。套料時(shí)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(shí)現(xiàn)智能化自動(dòng)添加
• BIM模型中建立的焊縫在與焊接機(jī)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(jì)理想狀態(tài)存在誤差。可通過三維攝影或激光掃描等技術(shù)手段建立由點(diǎn)云組成的構(gòu)件三維模型，然后將此點(diǎn)云模型和制造BIM模型進(jìn)行比較得出。在建立出廠構(gòu)件的三維模型時(shí)，需要在精度和效率方面改進(jìn)，并且還需要專用的虛擬拼裝分析軟件，因?yàn)樘摂M拼裝是帶誤差的拼裝，不能嚴(yán)格地幾何對齊和保持嚴(yán)格的相對關(guān)系

施工階段BIM應(yīng)用將施工過程中的信息隨著時(shí)間的推移對設(shè)計(jì)BIM模型進(jìn)行不斷的補(bǔ)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(jìn)自動(dòng)形成的，而非為了BIM工作而單獨(dú)準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)。施工工作的信息化是完成BIM在施工階段實(shí)質(zhì)應(yīng)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(rèn)可的格式。以達(dá)索和BENTLY軟件的BIM實(shí)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(jì)的平臺軟件如ENOVIA和ProjectWise，可是這兩個(gè)能夠?qū)?shù)據(jù)融合的平臺在實(shí)際應(yīng)用中還無法和工程實(shí)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(yīng)用中還存在瓶頸，缺乏協(xié)同平臺。

運(yùn)維階段應(yīng)用關(guān)鍵

目前運(yùn)營維護(hù)階段的BIM應(yīng)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(yīng)變、溫度等元件，將采集的各類測點(diǎn)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(jià)值的數(shù)據(jù)作為BIM在運(yùn)營維護(hù)階段的信息，不斷完善補(bǔ)充BIM模型信息。健康監(jiān)測系統(tǒng)與運(yùn)營維護(hù)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(yù)防。

但是目前健康監(jiān)測仍存在需要解決的難點(diǎn)：元件布置以反應(yīng)結(jié)構(gòu)的總體狀況為目標(biāo)，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(zhǔn)確反應(yīng)；元件工作受外部環(huán)境影響，穩(wěn)定性、可靠性不足，導(dǎo)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(jià)值的內(nèi)容有限，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如小波變換等；健康監(jiān)測的理論與實(shí)踐未成熟，因此需要一套堅(jiān)實(shí)的理論去支撐，以此指導(dǎo)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(shí)現(xiàn)BIM價(jià)值的最大化。將設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營維護(hù)三階段數(shù)據(jù)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，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(zhǔn)確方便識別并加以應(yīng)用。通過基礎(chǔ)理論研究制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是各階段模型、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)化的準(zhǔn)則，是數(shù)據(jù)傳遞應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提。

需要支持所開展應(yīng)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(yīng)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(gè)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(jìn)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(yīng)用（平臺）構(gòu)建在基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)庫之上，數(shù)據(jù)是應(yīng)用的支承。

需要各階段的平臺建設(shè)，設(shè)計(jì)階段根據(jù)不同的設(shè)計(jì)類型應(yīng)用若干的平臺完成相關(guān)的設(shè)計(jì)，如鋼結(jié)構(gòu)橋梁BIM設(shè)計(jì)軟件、混凝土結(jié)構(gòu)BIM橋梁設(shè)計(jì)軟件、橋梁下部結(jié)構(gòu)BIM設(shè)計(jì)軟件等。所有的設(shè)計(jì)最終成果是符合標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫。施工階段應(yīng)用圍繞施工業(yè)務(wù)以設(shè)計(jì)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(jì)BIM的信息，所增加的信息存放于標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)庫中。同樣運(yùn)營維護(hù)階段的應(yīng)用也是以設(shè)計(jì)和施工BIM信息（基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫）為支撐，開展運(yùn)營維護(hù)階段的業(yè)務(wù)。運(yùn)營階段的業(yè)務(wù)也存放于基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)庫中。