白秀忠1 赵金鹏2
（1.山东省交通规划设计院高级工程师）
（2.济齐黄河公路大桥二标项目部总工）
Bridge information modeling (BIM) system
xiuzhong bai
Shandong Provincial Communications Planning and Design Institute
wuyingshan West Road, No. 576, Tianqiao district, Jinan City, Shandong province ，china 250031
【摘 要】作者针对桥梁设计、建造及运营管理中的问题，提出了从设计开始建立桥梁信息模型（BIM，Bridge，Information，Model）的概念、结合国内BIM研究水平，提出了BIM主要应用和实现BIM的技术路线，对BIM研发、应用具有借鉴参考价值。
【关键词】桥梁；设计；信息模型；
【Keywords】Bridge；Design；information modeling
一、BIM简介
目前，现阶段的桥梁工程设计到施工管理中，施工组织设计及项目管理大都是采用传统的文字、表格、图片、网络图等静态2D形式。并且，各个阶段没有联系，信息不能共享，上一阶段的错误不可避免地带入下道工序，无论变更、补救还是拆除重建，损失都是无法避免的，关键路径上的错误还会导致工期延误。这种分离的静态信息形式不够形象直观，需要具有一定的专业知识才能理解，差错不能直观发现，实施后也不能对施工信息进行实时掌握。
2D形式增加了信息有效交流与共享的难度，降低了施工管理的效率，无法事前模拟检查是造成无法挽回损失的根本原因。
BIM技术是一种应用于设计、建造、管理全过程的数字化方法，这种方法支持桥梁工程的集成管理环境，可以使桥梁工程在其整个进程中显著提高效率和可以完全避免大量差错风险，在建筑业中的应用日趋完善，但是对于桥梁工程应用程度远远不够，特别是设计阶段核心软件缺失，不能从源头预防杜绝差错，设计与施工脱节的问题也得不到解决。根据我们对BIM使用单位的调研，BIM应用于公路工程目前仅限于钢桥梁的制造企业，目前尚处于起步阶段，仅限于工程量计算精细化，信息化共享有很多困难，只能用多种软件分别处理，培训周期也非常长。对此需要将设计、施工、管理4D理论引入桥梁设计、施工全过程，以桥梁三维模型为载体，利用4D动态仿真模拟技术检查设计成果，验证施工工艺，同时3D打印技术实现设计方案的实体化；在进度管理中将BIM中项目管理相关内容进行整合，创立程序接口，使相关软件和三维模型间数据直接交换；施工过程对工程进度实行监控，并模拟仿真；建立服务器和客户端的数据链接，手机可以实现信息的录入和实时跟踪监控，实现移动办公。这是桥梁设计、施工、项目管理系统集成发展的一个新阶段。
二、国内外研究综述
美国乔治亚技术学院的 Chuck Eastman 博士首先提出建筑信息模型的构想，他认为此模型不仅应该包括几何、功能、构件性能等信息，还应包括建造过程、施工进度、维护管理等过程信息，建筑全生命周期内的信息都应该整合到建筑模型中。BIM 的定义和解释有多种版本，不断演化，并没有形成统一的理解。BIM是一个共享的知识资源，能够分享建设项目的信息，能够为项目全生命周期中的决策提供可靠依据的过程；在项目的不同阶段，项目的不同利益相关方可在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映各自职责范围内的协同作业。
BIM的作用是使建设项目信息在规划、设计、建造和运营维护全过程充分共享、无损传递，可以使建设项目的所有参与方在项目从概念产生到完全拆除的整个生命周期内都能够在模型中操作信息和在信息中操作模型，进行协同工作，从根本上改变过去依靠文字符号形式表达的蓝图进行项目建设和运营管理的工作方式。
通过兼容协议制定与3D模型整合，从而在功能上实现4D的建模，完成项目的集成化管理。实现模拟演示具体施工细节，可以形象地显示工程施工过程。目前还没有能够与进度模型进行充分交互的BIM系统，设计、施工阶段应用BIM系统目前还是空白，有些自动化设计软件实质上二维模型的数字化，并非真正意义上的BIM系统。
三、BIM的应用领域
3.1 以BIM技术作为技术支撑，建立4D的桥梁施工模型，对施工进度进行模拟仿真，添加局域网络，客户端与终端的信息共享，形成BIM—4D桥梁设计、施工—网络服务—终端和手机客户端的系统流程。
4D模型基础构件的构成如图1所示：
图1 4D信息模型的构成模式
当前桥梁工程的设计阶段的整体模型计算软件还是多采用MIDAS/civl、桥梁博士等,计算跟出图往往是用各自的软件平台进行工作,各专业信息交换不及时,导致设计碰漏并增加工作量。显然桥梁通、桥梁设计师等这种参数化设计出图软件在与施工工艺衔接方面就无能为力了。桥梁工程的计算主要包括两大块内容:整体模型计算和局部模型计算。得益于上一阶段的数据模型的建立,做整体计算时可以从桥梁整体数据模型中提取信息。整体模型计算时往往要把桥梁结构做一定的简化,模型信息数据传递成功,节省了建立计算模型的时间,大大提高效率和准确率。在4D模型构建完成后，可以模拟施工，还可以通过3D打印技术将模型以一定比例打印出来。
3.2 在设计阶段确定之后，在WBS（项目工作分解结构）技术分解项目工作结构的基础上，以Microsoft Project项目进度管理软件为工具进行桥梁仿真信息数据库和进度计划的建立。在施工阶段与实际进度比较，及时调整资源，最终确保实现管理目标。进度管理采用BIM技术中的MVC模式，通过数据库直接与建模软件中的三维模型进行链接，创建程序间的接口，解决BIM软件间在桥梁工程中信息共享问题。
通过三维建模软件平台创建三维建筑信息模型后，将模型构件的施工属性数据导出至SQL数据库中。通过Project的平台，创建施工进度数据，并存入SQL数据库中。再通过模型构件ID号建立三维构件与二维WBS元素的关联，从而实现空间数据与进度数据的集成。系统视图层以不同的视图或显示形式将模型信息进行展示。利用属性表控件实现构件施工开始时间、结束时间、工程量、材料等具体信息的显示。系统控制层处理用户与系统的交互操作，使模型和视图协调工作。设置独立的进度控制模块，便于对构件的施工开始和结束时间进行对比控制。
图2 进度管理层次结构
3.3 在桥梁施工阶段，随时对目标计划进行进度控制，跟踪作业进度，实际了解分配的资源何时完成任务；检查原始计划与项目实际进展之间的偏差，并预测潜在的问题；采取必要的纠偏行动，保证项目在完成期限和预算的约束下稳步向前发展。
由于桥梁工程许多预制构件，需要验证构件尺寸的准确性，以确保构件之间能正常的安装，需要采用扫描的方式，用摄像头进行目标识别，并对构件加工尺寸进行机械测量，以确保安装精度。
3.4 在运营管理阶段，对零部件的维修更换、桥梁的改扩建和事故抢修，都可以立即提取材料数量、规格、生产厂家信息。平时的运营管理可以随时发现桥梁的不良状态，为主动维修保养提供支持。
3.5 浏览器和服务器(Browser/Server，B/S)结构大大简化了客户端电脑载荷,减轻了系统维护与升级的成本和工作量。通过B/S结构实现服务端与客户端的数据交换，可以通过手机或电脑对桥梁工程信息进行录入。B/S模式使用方便，不需开发单独的客户端软件,维护和升级方式简单；由于对数据库查询、浏览功能都在服务器端进行，因此系统管理和维护工作大大减少；开发成本低，不限制用户平台，可以方便的和其他业务系统连接，可以方便地使用其他专业软件。
四、研究方法和技术路线
本人建议由SolidWorks等作为核心三维建模软件，通过创建程序接口使相应的项目管理软件直接进行调用，保证数据在交换过程中不会产生丢失或错误。在施工阶段实现进度的仿真模拟，通过预制构件的扫描方式对其几何尺寸进行测量，保证安装的精度。运用B/S结构使服务器和客户端进行数据交流，方便信息的录入。
主要步骤如下：
（1）按照桥梁的结构形式，按WBS利用三维建模软件建模；
（2）进度计划将桥梁三维模型添加工期信息，构建4D模型；
（3）桥梁设计软件读取信息将设计结果返回数据库；
（4）制定桥梁工程的计划进度，建立桥梁仿真信息库；
（5）在桥梁施工阶段对桥梁施工进度进行跟踪，随时进行仿真，确保工程按时交工。
4.1、BIM系统设计的技术路线，如图3所示。
图5 桥梁4D模型的建立
4.4、桥梁施工进度管理路线如图6所示。
图6 进度管理技术路线
五、BIM创新点、先进性
5.1 建立BIM平台可以将构建的三维信息模型，从设计开始直接调用设计信息，避免了数据重复录入和转化过程造成的失误。
5.2 通过3D打印技术将三维模型打印出实体或仿真模拟，设计差错能够直观显现，实现了设计与施工对接。
5.3 对于在预制加工的构件，扫描测量使复杂测量自动化，提高测量精度和避免安装误差。
5.4 三维形象进度图使进度可视，提高项目管理的水平和可靠性。
5.5 为设计程序提供信息接口，接口使专用软件习惯得以延续使用。
5.6 通过B/S结构实现服务器和客户端的数据交换，用户可以通过手机或电脑对施工信息进行录入。
六、结束语
桥梁信息模型（BIM）系统是设计、施工、管理全过程的信息共享系统，将改变目前设计、施工、管理脱节带来的弊端，信息共享不但节省了大量时间、有效避免差错，也为标准化奠定了基础。BIM将二维数据时代推向四维信息模型时代，设计不懂施工将成为过去，完全实现BIM虽然还有许多困难，但这是技术发展的必然趋势，本文之探索意在抛砖引玉，愿与同行商榷，共同推进桥梁信息模型（BIM）系统的早日实现。
作者简介：
白秀忠，1960年生，男，满族，河北省隆化县人，高级工程师，工程硕士，桥梁设计专业。
论文作者:白秀忠1,赵金鹏2
论文发表刊物:《工程建设标准化》2015年11月供稿
论文发表时间:2016/1/27
标签：模型论文; 桥梁论文; 信息论文; 进度论文; 构件论文; 阶段论文; 项目论文; 《工程建设标准化》2015年11月供稿论文;