BIM技術在鋼結構橋梁中的應用研究
摘要：本文利用BIM技術解決這些問題，探索了基于BIM的鋼結構橋梁工程項目中的具體應用，為在鋼結構橋梁中BIM的應用提供了參考。本文分析了鋼結構橋梁工程項目管理的問題出發，發現鋼結構橋梁工程在深化設計、信息傳遞以及現場管理方面存在問題。
1鋼結構橋梁工程面臨的問題
（1）鋼結構橋梁工程的制造工藝和連接節點復雜，深化設計出現誤差概率大。鋼結構深化設計是指依據橋梁設計和結構設計施工圖繪制用于加工和安裝施工的圖紙資料，保證業主方、承包方、設計方以及分包商的設計思想的一致性，使得鋼結構構件的制造變得簡易和具操作性。深化設計人員需要把每個構件的詳細信息在圖紙上表達，包括材質、截面、數量、重量、形狀、主次零件相對位置、開孔位置以及焊縫位置等，以求圖紙簡單易懂。
深化設計的主要步驟是：根據結構設計施工圖進行放樣，以確定鋼構件之間是否有碰撞；若在放樣中發現碰撞、節點施工難以實現等問題，應與設計院及甲方溝通，對設計進行調整；確定結束后進行圖紙的繪制，一般順序是柱、梁、支撐、系桿、檁條、圍護以及其他鋼構件。
鋼結構深化設計中，放樣的工作量是巨大的。目前，許多使用AutoCAD進行放樣，工作效率低，勞動強度大。而且，對于比較復雜的空間曲線和曲面，使用Auto-CAD難以完成任務，必須借助于先進的三維軟件方可實施。而在深化設計的過程中或者完成后遇到設計變更時，深化設計人員需要校對大量的信息，以確定修改的部位，再進行重復的步驟，大大增加了工作量。除此以外，鋼結構的連接節點復雜，節點的零件較多，單憑二維AutoCAD軟件以及設計師的空間想象能力，容易導致深化設計的錯漏，也不利于材料清單等信息的傳遞。
（2）鋼結構橋梁工程的壽命周期較短，信息傳遞不夠及時。在安裝鋼結構構件前，項目場地的基礎工程必須先完成。鋼結構的制造工期與工地的項目進程緊密聯系。需要有足夠的時間讓其可以完成深化設計、制造以及包裝運輸等工作，否則項目工地上就會出現停工等延誤工期的情況。
通常鋼結構企業生產的旺季是5～12月份。鋼結構制造工廠的產能是固定的，車間的機械也需要定期維修以保證產能。一些工期較緊的項目完成的時間可能只有幾個月。由此可見，當市場需求量大于鋼結構企業的常規產能時，企業需要通過加班和減少機械的維修以滿足需求。這可能導致機械折舊的成本大大提高，而且會降低工人的情緒及工作熱情，導致工作效率下降。
因此，鋼結構橋梁工程工期和成本的控制與信息傳遞效率的高低有密切的聯系。然而，現今鋼結構橋梁工程的信息傳遞方式還是依賴于二維圖紙等文本資料。比如，深化設計的主要依據是設計院的結構施工圖紙;技術工人向一線工人進行技術交底時依賴加工圖紙。
這使得深化設計人員以及一線工人都需要在腦海里重構鋼結構工程的感官認識，同時也花費大量的時間才能開展工作。項目管理人員對材料、質量以及成本的管理依賴于設計階段和深化設計階段積累下來的圖紙以及報表，這些資料量大而且不容易處理，造成鋼結構企業不能及時準備好材料的購置，控制質量以及成本需要做大量重復的工作。在這種情況下，當鋼結構工程項目遇到設計變更的時候，項目管理人員需要更多的時間處理需要變更的構件，工作強度也會大幅增加。
（3）現場安裝管理不確定因素多，管理效率低，鋼結構橋梁工程的構件數量大。鋼結構企業根據承包方的工期計劃完成鋼結構構件的制造并運輸至現場進行安裝。這與項目的資源管理、技術管理、成本管理有關，同時也受氣候條件、施工環境等因素影響。然而這些因素都存在一定的不確定性，遇到特殊天氣必須停工或者設計變更時，承包方項目管理人員若不能第一時間掌握施工進度信息以及構件進場的信息，則不能作出及時的調整，最后會導致工程進度的失控。除此以外，為了節省鋼結構的運輸成本，鋼結構的構件每次的運輸數量是比較大的，而施工現場通常采用人工的方式采集數據效率低，出錯率高。
2鋼結構橋梁中實施BIM技術的必要性
BIM在橋梁工程中使用得越來越多，已經成為建筑業最關注的技術和概念之一，也是工程信息化的重要舉措。現階段一些企業正嘗試應用BIM，努力發掘BIM的價值。
但由于軟件功能還沒成熟等問題，建立BIM模型后還需要繪制或者導出CAD圖紙供實際工程項目的管理人員使用。這有悖于BIM的理念，也沒有起到提高效率的作用。鋼結構工程的深化設計、加工制造以及安裝等關鍵步驟之間的聯系密切，而且其軟件的功能比較成熟，可以作為BIM應用于工程項目生命周期的試點。
另一方面，從上述的研究可以看出，鋼結構工程管理的問題主要在工程各項信息的傳遞效率的問題。而利用BIM技術，復雜的建筑外觀以及節點都可以以三維的視覺呈現，深化設計以及制造過程中的巨量信息可以被自動地處理，也有助于解決現場管理的問題。而在鋼結構橋梁工程中，通常作為分包商的鋼結構企業承擔了鋼結構工程的深化設計以及構件制造工作，鋼結構企業有時也作為承包商承擔現場的安裝工作。深化設計和構件的制造對鋼結構工程來說是非常重要的。鋼結構企業要承接橋梁設計以及結構設計的信息以完成這兩項工作，而運輸和現場安裝的工作也要在這兩項工作的基礎下才能完成，鋼結構工程的整體質量和能否實現都依靠準確的深化設計以及高精度的加工制造。因此，鋼結構企業應用BIM是作為BIM應用于鋼結構工程中的重要驅動方式。
為了進一步落實BIM技術在鋼結構工程中的應用，以解決鋼結構工程中存在的問題，以下將探討BIM在鋼結構工程項目管理中的應用。
3BIM技術在鋼結構橋梁工程中的具體應用
（1）系統，所謂面向對象，即是將橋梁工程中常涉及到的結構部位提取出來，形成固定形式的構件對象。這個在Revit系列軟件里就是族的概念。就基于族的概念，下面展開參數化設計在橋梁設計階段的應用。Revit系列軟件里面族的概念既是參數化構件。Revit系列軟件由于主要針對建筑結構行業，所以軟件的設置跟內置族基本是建筑結構方面的構件。但是族是可以自己制作的，而且國際工程同行中有趨勢把族進行免費共享化。
其實在橋梁設計行業里面，早己有橋梁通、橋梁設計師這種參數化設計出圖軟件，但是可擴展性較差，而且軟件之間的互通性較差，只能實現本身軟件設置下的圖紙輸出。該類軟件在橋型較為復雜的工程中就無能為力了。在模型的建立時，實現可參數化驅動模型，對后期的方案修改、調整等工作極為有利。這類設計軟件在機械行業就有典型的代表，如Solidworks，Pro/Engineer等。
不同構件有各自的數據信息模型。這些構件數據模型通過輸入不同的參數，可快速建立這些構件的3D模型用于該橋梁工程。
同時，由于橋梁復雜異型構件多，通用性差，“族”構件缺少，要實現參數化往往需要自己具體構件進行參數化建模。
（2）模型計算。橋梁工程的計算主要包括兩大塊內容：整體模型計算和局部模型計算。得益于設計階段的數據模型的建立，做整體計算時可以從橋梁整體數據模型中提取很多有用的數據包括圖形等，當然由于橋梁計算的特殊性，整體模型計算時往往要把橋梁結構做一定的簡化，當然這個基于現階段計算理論及計算機能力的基礎上的，如果互聯性做的足夠好的話，模型信息數據傳遞成功率高，這樣也節省了計算模型建立的時間，大大提高效率。當然BIM技術發展最高境界就是一個數據模型里面解決所有計算問題。在Autodesk公司的RevitStructure軟件里己經集成計算模塊，當然這部分功能有待于完善與強化。局部計算時，則能充分的利用前期的建模成果，例如鄂東長江大橋中鋼箱梁的局部分析，此時信息模型的箱 梁構件可以直接輸出計算軟件的所能讀取的格式文件，轉換形式如圖1所示，這樣能省去在有限元計算軟件里面建模的時間。
圖1基于BIM的模型計算模式
在這一階段我們必須面對的是：當前在橋梁工程相關軟件沒有統一信息交互標準，導致信息傳遞交互性差，往往無法實現模型信息數據公用互導，導致計算模型需獨自建立。
（3）圖紙輸出。3D設計能夠精確表達復雜造型橋梁的幾何特征，相對于傳統的CAD平面繪圖，3D設計不存在幾何表達障礙，對任意復雜的造型均能準確表現。3D將成為高端設計領域的必由之路。
4結語
鋼結構作為一種新時代被廣泛應用的結構形式，其構件制造過程具有制造業的特點，同時具有效率好、強度高、對環境破壞少等特點，是建筑行業里的熱門領域之一。鋼結構橋梁工程制造工藝復雜，對信息管理的要求比較高。BIM技術適合在鋼結構橋梁項目中的應用，可以看出BIM技術對降低鋼結構工程項目的深化設計費用、縮短工期、準確預算工程量等方面有實質性的效果，而且在提高對項目的管控能力、改善安裝現場環境、減少項目信息的流失和錯誤方面有巨大的潛在效益。
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