BIM 技术在桥梁工程中的应用综述

易家平，咸宁

（1.江苏省交通工程集团有限公司，江苏 镇江212100；2.江苏开通建设工程有限公司，江苏 淮安223001）

1 引言

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术是基于现代信息技术和计算机技术发展融合而成的建筑信息应用技术，利用数字技术存储和传递建筑结构和构造特征，并以3D 模式直观表述，实现工程设计、施工、养护、运营管理信息的传递、共享和协同工作，促进工程建设项目全程信息化[1]。

BIM 技术在建筑工程领域中的应用较为成熟，但在桥梁工程领域则处于发展阶段。2010 年，胡振中[2]提出了一个基于BIM 的桥梁工程全寿命期管理框架，详细讨论了BIM 技术在桥梁工程中快速建模、施工管理、耐久性监测和成本分析预测4 个方面的应用前景。朱江[3]提出参考BIM 技术在房建领域应用的成功经验，在铁路设计中分阶段、分步骤实现BIM 设计的构想。2014 年，龙腾等[4]结合武汉市二环高架工程，开展了三维模型构建、图纸输出、工程计量、构件安装与采购和4D 施工模拟等实践，探索了BIM 技术在桥梁施工领域的实施方案。张建平等[5]首次将BIM 和4D-CAD 技术应用于高速公路工程建设管理中，开发了“基于BIM 的邢汾高速公路4D 建设管理系统”。

本文以CNKI 数据库中桥梁工程BIM 技术应用相关文献作为数据来源，分析BIM 技术应用的发展趋势、研究热点、应用平台和核心软件，并对BIM 技术在桥梁工程勘察设计、建设施工及运营维护阶段的应用做重点分析，展示当前BIM 技术的应用成果，提出BIM 技术应用中存在的问题及今后的发展方向。

2 文献统计与分析

2.1 关键词共现

本文以CNKI 数据库2010—2020 年公路与水路运输学科桥梁领域BIM 技术研究的文献作为数据来源，选择主题为“BIM”和“桥”的检索方式，在文献总库里选择学术期刊，为了提高检索结果与主题的相关度，对文献进行筛选和整理，排除无效记录，最终确定265 篇参考文献。

为了分析BIM 技术在桥梁工程中应用的热点，采用VOSviewer 软件对参考文献中的关键词进行分析，依据阈值参数经验将关键词设置为3，关键词共现图谱见图1。

图1 关键词共现图谱

对关键词的细分领域进行整理，被引频次较高的前10 位关键词见表1，顺序分别为BIM 技术、桥梁工程、斜拉桥、建筑信息模型、施工、应用、桥梁、可视化和设计，以上为BIM 技术在桥梁工程中应用的热点。

表1 被引高频次关键词

2.2 BIM 软件平台

在参考文献中筛选出具有明确的桥型及BIM 应用方向的文献131 篇，对其使用的软件平台进行统计，其数据见表2。在各种桥型中，梁桥共研究了64 次，其中Autodesk 平台使用的频率最高为35 次；拱桥共研究16 次，其中Dassault 平台使用的频率最高为9 次；斜拉桥共研究39 次，其中Autodesk 平台和Dassault 平台使用的频率分别为18 次和16 次；悬索桥共研究12 次，其中Autodesk 平台使用频率最高为7 次。从平台使用的分布来看，Autodesk 平台在梁桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥中都被广泛使用，占总量的48.1%，其次为Dassault 平台，因为对曲线良好的适应性，所以在拱桥、梁桥和斜拉桥也有被大量使用，占总量的31.3%。

表2 各种桥型BIM 应用范围及使用的平台

桥梁工程BIM 技术应用方向中勘察设计56 次、建设施工68 次、运营维护7 次，表明现阶段BIM 技术主要应用在勘察设计和施工建设，在运营维护方面还较少。平台使用方面，Autodesk 平台主要应用在施工建设，其次为勘察设计，Dassault 平台在勘察设计方面使用比例最高，施工建设也有大量采用，Tekla 平台主要在勘察设计阶段被用作钢结构桥梁的深化设计，Bentley 平台主要在勘察设计阶段被用作实景建模、多平台协作，Rhinoceros 平台在勘察设计阶段被用作大跨径桥梁的建模、辅助设计。

3 BIM 技术在桥梁领域的应用

基于GIS 技术、BIM 技术、物联网、人工智能、5G 等技术，现阶段BIM 技术在桥梁工程中应用的系统架构见图2，主要包括设备层、数据层、平台层和应用层[6]。

图2 桥梁工程BIM 系统架构

1）设备层主要包括计算机、网络设备、储存设备、大屏系统、无人机、红外设备、摄像头、RFID、传感器和手机终端等。通过计算机及网络设备实现平台软件搭建和运行，通过传感器、红外设备、摄像头、无人机等采集数据，通过手机终端和大屏系统等开展可视化管理[7]。

2）数据层的主体是BIM 数据，桥梁工程全寿命期管理涉及的信息都通过BIM 数据库进行统一的存储和管理。GIS 数据用于获取三维地形环境，计算数据可与BIM 数据协同交互，视频、图片和文档数据用于输出，监测数据和应急数据进行控制。

3）平台层包括BIM 引擎、GIS 引擎、FEA 引擎、渲染引擎、数据检索引擎、二次开发接口和传感器接口等，通过GIS+BIM引擎完成模型的创建，通过FEA 引擎实现有限元计算及与BIM 模型的协同交互，通过渲染引擎和数据检索引擎等完成模型的管理，通过各种接口完成更丰富的定制功能。

4）应用层是各个阶段的应用需求，其内容包括在勘察设计阶段模型的创建、方案的比选、技术设计和施工图设计，在施工建设阶段的方案优化、进度控制、工程计量，在运营维护阶段的监测和预警等。

3.1 BIM 技术在勘察设计阶段的应用

BIM 技术在桥梁工程勘察设计阶段的应用见图3，包括初步设计、技术设计和施工图设计，通过BIM 技术的参数化、可视化和协同化等特点提高桥梁设计的效率。

1）在初步设计阶段通过无人机摄影测量、GPS 测量、卫星遥感测量等方式获取地形数据，利用BIM 软件生成三维的地形模型和路线，创建桥梁实体模型并对方案进行比选，这一阶段的核心在于实体模型的快速化建构，它能够最大限度地提高建模效率，降低各环节成本。张宜洛等[8]利用Autodesk 平台Civil 3D 创建三维地形模型和道路模型，确定桥墩平面位置、主梁坡度、控制点高程等平面及纵断面信息，生成三维路线并导入Revit，在Revit 中完成上部结构轮廓参数化设计后，利用Dynamo 放样完成主梁创建并进行方案比选；刘均利等[9]使用Bentley 平台Power Civil 创建三维地形模型，将无人机倾斜摄影技术数据导入Context Capture，建立工程周边三维实景模型，再将OpenBridge 创建的桥梁BIM 模型导入Context Capture 进行桥式方案比选。

2）在技术设计阶段，对于大跨径拱桥、斜拉桥和悬索桥，虽然各类软件都可以创建三维BIM 模型，但是无法进行有限元分析，这就需要在BIM 软件和有限元软件间搭建接口，通过接口将BIM 模型导入有限元软件进行协同设计，常用的有限元软件有Midas Civil、Midas FEA、ANSYS 和ABAQUS 等。李红豫等[10]基于Revit 创建三塔四跨矮塔斜拉桥BIM 模型，通过Revit 和Midas Civil 间的接口将BIM 模型换化为有限元模型，利用Midas Civil 分析桥梁的受力。宁晓旭等[11]利用Dassault 公司开发的AFC 模块将具有复杂曲线曲面的BIM模型转化为ABAQUS 模型，研究了具有拱形桥塔及曲线渐变主梁的双塔三跨斜拉桥的受力和变形。陈素华等[12]基于Rhinoceros 建立了独塔双索面斜拉桥BIM 模型，并将异形索塔模型导入Midas-FEA 采用四面体自由网格划分，研究索塔的受力性能。

3）在施工图设计阶段可以利用BIM 软件三维可视化功能和碰撞检查功能对结构进行深化设计，能够提前发现施工中可能出现的问题，为工程建设带来明显的质量和效率提升。苗永抗[13]通过Tekla API 接口技术，开发了铁路预应力混凝土连续梁0 号块建模程序，对0 号块预应力束和普通钢筋进行精确建模并实施碰撞检查，提升了设计质量。傅战工等[14]基于Inventor 建立斜拉桥钻石形主塔结构模型，通过Excel 接口对结构进行参数化调整，并对斜拉索导管进行碰撞检查，深化了结构设计。

在以上应用的基础上，为了实现更丰富的功能，可以在各种BIM 软件的接口上进行二次开发。崔振宇[15]在Bentley 平台的PowerCivil 软件PowerPlatform 库和CivilPlatform 库的基础上，采用C++、C#、CLR 多语言混编程序，开发了涵洞BIM设计辅助程序，实现快速创建涵洞构造模型、涵洞钢筋模型、生成涵洞剖面图等功能。齐成龙[16]使用Dassault 组件应用架构（CAA）语言，开发了一款嵌入Dassault 软件内部的桥梁缺口正向设计程序，使设计人员在三维环境下协同考虑地形、平立交、空间线位等因素完成全线所有桥梁缺口的一体化设计，提高了设计效率。

3.2 BIM 技术在施工建设阶段的应用

BIM 技术在桥梁施工阶段的应用见图4，包括对预制构件进行预拼装，对工程量进行精确计算，对施工方案进行优化等。对于工程中产生的变更，BIM 技术能够实时地进行修改和调整，通过BIM 技术的应用，可以有效地提高施工质量，降低成本，提高桥梁的施工效率。

图4 BIM 技术在施工建设阶段的应用

1）BIM 技术可用于预制构件的预拼装，通过BIM 模型对构件进行精细化建模，提前找出现场无法安装就位的问题，同时可以将BIM 技术与RFID 相结合，在构件中置入RFID 标签，通过标签对构件在生产、存储、运输和吊装的过程进行数字化管理。张细敏等[17]施工前采用Revit 创建斜拉桥钢-混结合段模型，模拟剪力键安装、预应力管道定位、钢筋安装、混凝土浇筑等施工工序。刘晓光等[18]利用CITIA 软件对主桁简支钢桁架进行参数化建模，采用虚拟预拼装技术与实际平面拼装进行对比。

2）BIM 技术可以精确地计算工程量，减少人工计算带来的统计错误，降低工程成本。景凤等[19]运用模块化理论建立了符合BIM 建模特点且满足总承包模式及全过程造价管理的三级高铁工程量清单EBSWBS。周应华等[20]通过CATIA 创建钢管混凝土拱桥，采用VB 进行二次开发，实现了钢结构桥梁工程量快速批量化提取和分类存储。

3）BIM 技术可以对施工方案进行优化，赵勇等[21]通过Revit创建挂篮模型并将初步设计导入Midas 中进行有限元分析，针对分析结果对设计方案进行优化。赵亚宁[22]等利用BIM 技术对高铁连续梁桥施工进行应力监控，通过Revit 建立三跨预应力混凝土连续梁桥模型，开发应力监测预警模块，实现了桥梁施工过程的应力数据实时读取与预警。张晖[23]通过Revit 建立悬索桥锚碇模型，将该模型导入Navisworks 中，通过Timeliner 将温控检测数据的进度控制信息添加到模型中，对施工方案进行模拟和优化。亢文波等[24]采用Revit 建立双壁钢围堰模型，对结构构件尺寸和构件位置优化，并进行模拟拼装，检验构件铺设位置，又结合Navisworks 进行施工模拟，优化双壁钢围堰的施工工序。

3.3 BIM 技术在运营维护阶段的应用

桥梁工程运营维护平台一般需根据桥梁结构的复杂程度和运维的需求在BIM 软件基础上通过接口二次开发。其基本流程是首先针对桥梁构件进行编码，然后将信息加载到BIM模型，对于新建桥梁，BIM 模型可按设计—施工—运营正向设计的流程由施工建设转向运营养护，模型中已包含桥梁设计和施工阶段的全部信息，对于已建桥梁，则需通过软件翻模或者实体扫描创建桥梁模型，最后开发运营养护监测、决策评价系统。

胡兴意等[25]设计了桥梁模型重构和病害检测与建库系统，通过高分辨率数码相机和激光扫描仪对梁体进行影像采集，处理后得到三维模型，然后依据桥梁运维BIM 模型分类与编码规则，对桥梁及构件病害进行编码，形成桥梁运维BIM 模型及数据库。马继骏[26]等采用ESB 编码对桥梁结构逐层分解编码，使桥梁构件能够被构建编码唯一标识，提高了桥梁信息检索及录入效率。颜鲁鹏等[27]提出了一种结合BIM 技术与现实捕捉技术的高速公路病害采集信息化流程。选取资眉高速公路12 km 路段作为研究对象，利用三维激光扫描和摄影测量技术对不同病害进行了数据采集与处理，建立了一套养护阶段高速公路BIM 模型的分类与编码标准并搭建了基于BIM 正向模型的病害数据库。

陈利民等[28]采用UWB 技术对南京长江大桥维修现场的工人、汽车等均装上定位标签，通过一个接口将UWB 系统收集位置数据和状态数据导入BIM 模型，并开发了预警程序，根据接受的数据实时分析及时预警，实现桥梁施工现场智能化风险管理。施晓强[29]采用C/S 架构，BIM 模型部署在客户端，利用UNITY 和C 语言进行编程，开发了南京三桥3D 可视化管养平台系统，通过该系统可以快速查看构件的病害信息，平台的Web 端还和手机App 有效联结，提高了管理的信息化水平。

4 结语

虽然BIM 技术在桥梁工程建设中已得到了较多的应用，但其在正向设计、全寿命期管理、5G 和人工智能等新技术的融合方面仍处于发展阶段，需进一步探索和完善，总结如下：

1）桥梁正向设计。由于BIM 软件的功能主要是建模和管理，而结构分析需要特定的有限元软件，所以桥梁正向设计需要解决BIM 软件和其他有限元软件的协同问题，虽然现阶段的应用已经取得了一定的成果，但是软件平台间开发的接口功能还相对较弱，数据的交互性较差，需要进一步开发和完善。

2）全寿命期管理。现阶段BIM 技术在勘察设计和建设施工阶段应用较多，而在运营维护阶段应用相对较少，且3 个阶段的应用相对独立。存在设计阶段未应用BIM 技术或者虽然应用但是BIM 模型并没有传递到施工阶段，导致施工阶段再次开展翻模，造成资源的浪费。另外，存在施工阶段BIM 技术应用不够深入，导致模型在运营养护阶段的数据不足。因此，桥梁BIM 技术在全寿命期管理应用需要加强顶层设计，协同好设计、施工和运营维护的各方，提高桥梁工程建设质量和效率。

3）新技术的融合。5G 技术、GIS 技术、物联网、无人机、人工智能等新技术的引入可以显著地提高桥梁建设的信息化和智能化，是今后桥梁工程智慧建造发展的重点方向，将以上技术与BIM 技术相融合，可以实现桥梁建设的信息化和智能化。