基于BIM的桥梁工程设计与施工优化研究

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第26卷 第6期 工 程 管 理 学 报 Vol. 26 No. 6 2012年12月 Journal of Engineering Management Dec. 2012

基于BIM的桥梁工程设计与施工优化研究

李红学1，郭红领2，高 岩1，刘文平2，韦笑美1

（1. 中国建筑股份有限公司，北京 100125；2. 清华大学 建设管理系，北京 100084，E-mail：hlguo@tsinghua.edu.cn） 摘 要：为了提高桥梁工程的设计和施工效率，将建筑信息模型（BIM）引入到桥梁工程中来。通过分析桥梁工程设计和施工的特点及其存在问题，提出了基于BIM的桥梁工程设计和施工优化解决方案，包括初步设计优化、施工设计优化、施工工序优化、施工进度优化和施工管理优化等，并结合实际工程项目进行了适用性和成效分析。案例应用表明，BIM在桥梁工程项目中是适用的，可以为桥梁工程设计和施工提供有效的支持，进而减少返工、提高效率。该研究可为大型或复杂桥梁工程应用BIM提高设计与施工的效率和效益提供参考。 关键词：建筑信息模型；桥梁工程设计优化；桥梁工程施工

中图分类号：TU12 文献标识码：A 文章编号：1674-8859（2012）06-048-05 BIM-based Optimization of Design and Construction for Bridge Projects LI Hong-xue1，GUO Hong-ling2，GAO Yan1，LIU Wen-ping2，WEI Xiao-mei1 （1. China State Construction Engineering Corporation Limited，Beijing 100125，China；

2. Department of Construction Management，Tsinghua University，Beijing 100084，China，E-mail：hlguo@tsinghua.edu.cn）

Abstract：In order to improve the efficiency of design and construction for bridge works，BIM（Building Information Modeling）

is proposed for application. Through the analysis of the characteristics of bridge works and relevant problems，the BIM-based solutions for design optimization and construction optimization are developed，including conceptual design optimization，detailed design optimization，the optimization of construction sequences，construction scheduling，and construction management. A practical case is also presented to demonstrate the feasibility and validity of the solutions. It is shown that BIM has the potential to improve the design and construction of bridge works. The research will benefit mega-complex bridge projects which adopt BIM to aid in design and construction in the future. Keywords：BIM；bridge projects design optimization；bridge projects construction

近年来，应经济发展的需要，大型、特大型桥梁工程项目越来越多，如中国杭州湾大桥、港珠澳大桥等，这对桥梁设计与施工提出了更高的要求。桥梁工程项目的建设不仅涉及到复杂的地理环境，而且涉及多项复杂工程，其中最为典型的是钢结构桥梁。目前，大型桥梁工程项目的设计通常还是依靠传统的二维图纸，并通过合图来分析设计中存在的冲突；施工规划则主要依靠项目管理人员的经验来制定和实施，且同样是采用二维图纸来表现。然而，由于桥梁工程自身的特点，其设计复杂，构件

繁多，仅依靠传统的二维图纸很难提前检测或发现设计中存在的冲突问题；这些设计问题通常在施工阶段才能发现，从而影响了施工进度和成本，也将影响施工安全。与此同时，为了解决出现的工程设计与施工问题，不得不配置更多的人员，由此管理成本也大幅度增加。因此，保证桥梁工程设计的可建造性与施工方案的可行性对桥梁工程的高效实施是十分重要的。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）作为一种管理理念，产生于19世纪70年代，目前BIM在欧美等发达国家的建筑业已得到较好的推广与应用，近年来在我国也得到一定的应用，特别是在建筑工程项目中取得了一定的成效。一方

收稿日期：2012-09-02．

基金项目：国家自然科学基金项目（51208282）．

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面，为建设项目的设计与施工提供了有效的支持

[1~5]

如何正确安排大型构件的吊装工序，将直接影响到桥梁工程能否顺利完成并达到施工进度和质量的要求。三是桥梁工程中会大量使用到施工机械，如吊装工序中需要使用到的塔吊等，这些施工机械的需求有多少，强度是否满足施工要求，吊装重量是否合理等，都需要现场管理人员进行精确的计算和验证。然而，在以经验为基础的生产、运输与施工规划中，无法有效预测和提前解决这些问题，故只能等待问题的出现。

1.3 施工环境复杂多变

相对于一般的建筑工程项目，桥梁工程的施工环境比较复杂多变，如跨河、跨海、跨山谷、冻土地带等。不同的桥梁工程项目，可能面临着截然不同的施工环境。为了保证施工顺利进行及施工的安全性，必须针对不同的环境制定相应的施工方案。因此，桥梁工程对施工方法、施工管理等要求较高。然而，目前无论是施工方案的制订，还是施工管理的执行，无不依赖于项目经理或总工的经验。由于桥梁项目的单一性、复杂环境的单一性，故对于任何一个工程师而言，都是一个全新的项目、全新的施工环境。因此，面对一个新的、复杂的施工环境，即使经验丰富的工程师，也难于保证施工方案的可行性、有效性。这也是施工问题时常出现的主要原因，从而导致施工工期拖延、成本增加、安全问题频发等。

；另一方面，为项目的各个参与方提供了一个

，7]

有效的协同工作与交流平台[6

。从而减少了设计

与施工返工、提高了工程质量，并节约了建造成本与工期等[2~5]。本研究拟将BIM引入桥梁工程的设计与施工过程，进行分析与优化，以确保设计与施工方案的可行性，提高桥梁工程项目的生产效率。

1 桥梁工程设计与施工特点

桥梁工程往往以一些大型复杂工程居多，桥梁的类型也多种多样。这类工程项目的设计和施工都相对复杂，同时涉及到复杂的地理环境以及各种复杂工程。

1.1 构件多、结构设计复杂

在桥梁工程设计中涉及大量的构件，为了满足结构安全的要求，桥梁工程设计一般比较复杂，特别是在构件的连接处往往更为复杂，因此在结构设计上容易出现一些冲突问题，如配筋冲突、连接件冲突等。传统上，设计问题主要依靠设计者的经验在基于二维设计图纸进行检测。然而由于工程设计相对复杂，仅依靠二维的图纸难以有效检测出这些问题，直至施工中才发现问题，从而致使施工返工、工期延迟等。另外，即使检测出相关设计问题，由于基于二维图纸进行修改，也不能保证设计的统一性，且修改效率较低。结构设计的复杂性也导致了施工的复杂性，如复杂的施工工序、复杂的资源配置等。并且通常情况下，这些都基于项目经理或总工的经验来实施，因此难以保证施工整体方案的可行性。

1.2 预制构件多、体积宠大 无论是钢桥还是钢筋混凝土桥，都涉及大量的预制构件。这些构件或现场预制或工厂中生产，之后再运输到施工现场安装。这就对构件的尺寸设计与生产提出了较高要求，否则容易导致尺寸不匹配。现场一旦出现构件尺寸问题，或修改图纸、或改造构件，特别是对于混凝土构件，一般只能重新生产。这不仅导致施工停滞，而且大大增加了设计与建造成本。

预制构件体积和重量较大，且数量多，构件的生产、运输和吊装等也存在潜在的问题。一是这些构件如何在工厂中正确地生产并运输到施工现场。现场管理人员需要反复验证设备构件的进场时间、顺序及路线，以达到最优的施工现场管理。二是大型构件的吊装是桥梁工程中不可缺少的一道工序，

2 基于BIM的桥梁工程设计优化

桥梁工程设计包括初步设计、技术设计和施工设计。欲使BIM技术与桥梁设计有效地结合，三维（3D）建模是前提。由于三维建模技术在桥梁工程设计中还没有得到较好的应用，故需采用BIM技术将传统的二维图纸转换为三维模型，然后基于三维模型进行设计分析与优化。图1展示了基于BIM的桥梁工程设计优化流程。BIM在设计上的应用主要集中在设计方案的建模与分析和其中存在问题的检测和反馈上。项目人员一方面收集项目相关图纸之后进行建模，另一方面在模型建立的同时由BIM系统进行检测分析，并将出现的问题反馈到BIM团队和相应的决策人员手中，决定是否需要修改图纸。如果需要，则由项目的设计人员对图纸进行修改，并再次进行建模和检测分析，直到反馈信息显示已不再需要修改图纸为止。通过这种方法，设计人员期望在施工开始之前解决所有的设计问题，确保设计的可建造性，减少返工。需要说明的是，三

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维建模通常由专业建模工程师来完成。

收集二维图纸筋等，主要适用于大型、复杂、新型或重要桥梁工程。施工设计则对桥梁结构进行深入计算分析，并绘制施工图。针对技术、施工设计中的结构复杂性，BIM技术提供了较好的优化手段。基于确定后的桥式方案的BIM模型，结合详细设计图纸进行深化三维建模，即建立结构细化模型。仍以该桥梁为例，

BIM技术建立三维模型比较/检测分析问题？否 设计完成是 其细部构造模型如图3所示。然后，采用BIM软件

修改二维图纸进行设计冲突分析，并自动生成分析报告。一旦发现设计问题，则进行图纸修改、再建模、再检测，

直至全部解决设计问题。整个设计优化过程是一个循环过程：设计—建模—检测—修改（设计）。设计方案则在不断的检测与修改中逐步确定下来。BIM的出现使设计方案的修改变得更加容易。因为在BIM模型中，所有的构件都是基于一定的逻辑关系生成的，在某一个构件上进行的修改都将引起所有与其具有逻辑关系的信息的同步修改，这将大大减少设计人员的重复劳动和错误率。

图1 基于BIM的桥梁工程设计优化流程

2.1 BIM与初步设计

对桥梁工程而言，初步设计的主要任务是确定桥式方案和总体结构构想，如桥梁平面、立面、断面的布置，这关系到桥梁的位置、上下部结构等。在确定桥梁方案的过程中，通常涉及多个方案的比较与选择，这往往需要较长的时间，且难于与业主沟通。采用BIM技术，设计师可根据各种设计构想，进行数字化、参数化三维建模。图2展示了一桥梁工程设计方案的BIM模型。基于BIM模型，还可直接生成平面图、立面图和断面图，因而BIM模型的直观性、多样表达性更便于比较、分析各设计方案的优缺点。同时，参数化建模便于设计方案的调整与修改，且与平面图、立面图和断面图实时对应更新，这也为方案的比选提供了有效的支持。另外，通过建立类似的BIM模型，为业主等参与方提供了一个有效的沟通与协作平台，以便共同讨论这些设计构想的可行性。这不仅可以节约大量时间，还可以真正了解并满足业主的实际需求，保证项目的实用性。

图3 桥梁工程的细部构造模型

3 基于BIM的桥梁工程施工优化

桥梁工程施工优化的主要目的是针对桥梁工程设计的复杂性、预制构件多等特性，确保施工方案的可行性，并提高施工效率和管理水平。施工过程优化将依据上述建立的BIM模型以及施工规划信息等，通过可视化的过程模拟，分析施工工序、进度计划、资源配置等可行性，进而不断改善施工方案。基于BIM的桥梁工程施工优化流程，如图4所示。需要说明的是，施工过程分析通常由BIM技术和施工管理人员协作完成，确定是否需要对施工方案进行修改。

3.1 施工工序优化

项目人员利用BIM技术和模拟技术，将桥梁三维模型与施工方法有效集成在一起，进行桥梁施工工序的模拟。在这个过程中，通过生动、直观的过程模拟，施工人员可以有效分析复杂结构的施工工序是否合理、预制构件的吊装程序是否合理。一旦

图2 一桥梁工程的BIM模型

2.2 BIM与技术、施工设计

技术设计是初步设计的延续，即对确定好的桥梁方案进行整体和局部结构细化处理，如断面、配

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发现施工问题，及时进行施工方案修改与再模拟，直至在施工之前获得可行的、高效的施工方案，从而确保施工的顺利进行，保证工程质量。

BIM技术 模拟技术 桥梁/资源3D模型施工方案施工过程模拟大桥是一座典型的钢结构桥梁。整个项目采用EPC（Engineering Procurement and Construction）的发包模式，总承建商为中国建筑股份有限公司。由于该桥梁以预制构件为主，为保证施工的顺利进行，在设计与施工过程中，采用了BIM技术进行辅助管理，包括设计建模与检测、施工过程模拟与分析等。本研究将基于该桥梁工程项目，对BIM在桥梁设计与施工过程中的适用性和有效性进行分析。需要说明的是，本项目涉及到的建模、模拟与分析均有专施工过程分析施工方案可行？修改施工方案业BIM建模师来完成。 4.1 设计优化 BIM在本项目设计上的应用主要是设计碰撞检测，可分为两个步骤：三维模型建立和设计碰撞检测。首先，根据工程项目组提供的设计图纸，由BIM建模师进行三维建模工作。桥梁模型一方面用于设计优化，另一方面为施工模拟提供支持。图5展示了该桥梁的三维模型，由不同构件的模型组成；而图6则展示了一构件的细部构造。然后，基于建立的三维模型和项目的实际需要进行设计碰撞检测。碰撞检测包括整体桥梁的检测和部分构件间的检测。检测过程简单方便，即采用BIM相关软件可自动进行碰撞检查分析。在碰撞检查完成后，系统会自动显示有碰撞冲突的构件或者对象。同时，系统可以按照用户的需要，生成碰撞冲突报告，或者在信息模型中将有碰撞冲突的构件高亮出来。设计人员可以观察到这些需要进行修改的构件，以期达到正确的或者更优化的设计。通过检测，本项目共发现设计问题3项（全部为细部构造问题），通过项目组和设计方的沟通，最终解决了相关问题，避免了设计问题滞留到施工阶段。尽管本项目相对复杂程度不高，但设计问题依然存在，特别是细部构造问题，采用传统方式难以预测。因此，项目人员认为BIM为本桥梁工程设计分析提供了重要支持。

指导实际施工 图4 基于BIM的桥梁工程施工优化流程 3.2 施工进度优化 采用BIM技术和模拟技术，将桥梁三维模型和进度计划集成起来，实现基于时间维度的施工进度模拟。一方面，可以按照天、周、月等时间单位进行项目施工进度模拟，并根据现场情况进行实时调整，分析不同施工方案的优劣，从而得出最佳施工方案；另一方面，可以对项目的重点或难点部分进行细致的可视化模拟，进行诸如施工操作空间共享、施工机械配置规划、材料供应计划、构件安装工序、材料的运输堆放安排等施工方案的优化。同样，施工进度优化也是一个不断重复模拟与改进的过程，以获得有效的施工进度安排，达到资源优化配置的目的。 3.3 施工管理优化 通过上述施工方案的模拟与优化，将桥梁施工过程中可能出现的问题提前发现、提前解决，这就改变了传统的管理思想，即由等待问题发生的“被动管理”转变为主动发现问题的“主动管理”，从而减少施工问题的发生、简化施工现场管理活动。同时，由此获得的可视化施工过程，可用于实时指导真实的施工过程，特别是让工人能够更好地理解施工工艺、流程、协作方式、安全隐患等，这不仅可以减少施工问题的发生，还可以提高管理人员（如工程师）管理效率、减少管理活动。因此，BIM技术和模拟技术的集成应用，可为桥梁施工管理提供较好的支持，优化施工管理流程和活动，从而有效提高施工管理水平和安全水平。

4 案例分析

刚果（布）国家一号公路二期工程中的Loukouni

图5 Loukouni大桥整体三维模型

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提供有效支持。本研究期望可以为提高大型、复杂桥梁工程设计与施工的效率和效益提供参考，同时为BIM在土木工程领域的推广应用提供帮助。相信随着BIM理论和技术的不断推广，BIM在土木工程中的应用会越来越广泛，从而提高其工程质量、工作效率和管理水平。

图6 桥梁某构件的三维模型

参考文献：

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[7] Guo H L，Li H，Chan G，Skitmore M．Using game

technologies to improve the safety of construction plant operations[J]．Accident Analysis and Prevention，2012，48：204-213． 作者简介：

李红学（1966-），男，高级工程师，研究方向：土木工程；

郭红领（1978-），男，副教授，博士，研究方向：BIM，虚拟施工技术，建筑信息技术；

高 岩（1973-），男，工程师，研究方向：测量工程； 刘文平（1991-），男，硕士研究生，研究方向：BIM，建筑管理；

韦笑美（1968-），女，高级工程师，研究方向：土木工程。

4.2 施工优化

在本项目施工过程中，BIM主要用于施工进度计划模拟与分析。基于上述建立的BIM模型和项目进度计划信息，对施工过程进行了详细模拟。在这个过程中，由项目经理、项目工程师和BIM建模师共同发现问题、解决问题。首先进行了初步模拟，即根据初步的施工规划和初步建立的BIM模型进行施工过程模拟。在这个过程中，主要关注了施工工序、施工进度与设计进度是否一致等问题。然后，基于项目人员的建议进行了多次模拟，并获得了认可的施工工序。其次，在施工进度计划细化以后，基于更新的BIM模型进行了多次模拟，并获得了最终的构件安装方案。图7展示了该桥梁的施工过程模拟情况，清晰表达了进度、构件、完成情况等信息。项目人员认为，通过此模拟为本项目的施工进度规划提供了强有力的支持，并可用于工人施工操作、安全培训，这为施工顺利进行提供了保证。

图7 Loukouni大桥施工进度模拟

尽管BIM在该桥梁项目中的应用只限于设计问题的检测分析和施工进度计划模拟，但在某种程度上表明BIM在支持桥梁工程设计与施工优化方面存在较大潜力。

5 结语

本研究表明，BIM可以为桥梁工程设计和施工