摘要：建筑信息模型（BIM）作为一种信息化理念，已被公认为是继“甩图板运动”后设计行业的又一次重大变革。但对BIM的研究与应用主要集中在建筑领域，在桥梁设计领域对BIM的研究较少并主要集中在基础理论的研究上，对其应用的研究在国内尚处于起步阶段。本文以推动桥梁设计的智能化和自动化为目标，结合BIM技术以及桥梁工程的特点，研究将BIM应用于桥梁工程中的方法，探索桥梁设计自动化的途径。
关键词：BIM；桥梁设计；国内外研究现状；主要问题
1研究背景
近年来随着社会的进步与经济的发展，我国交通建设行业走上了高速发展的快车道。桥梁作为公路工程的重要组成部分，其建设需求不断扩大。为适应新的发展要求，桥梁设计需要采用更新、更高、更好的技术手段。不仅如此，桥梁设计阶段还需综合考虑施工阶段的工艺技术等问题，特别是在面对呈弯曲及扭转状态的异形构件的表达，对施工过程的模拟和优化等在桥梁发展过程中提出的新要求时，采用二维平面图纸完成设计的传统CAD方法已显得越来越力不从心。这就迫切需要我们对设计方法进行革新来满足不断提高的设计要求。
在此背景下，建筑信息模型（BIM）技术应运而生，其出现是科技进步的再一次集中体现。BIM技术不仅仅是从平面到立体制图的突破，就工程建设领域而言，它是从项目立项、工程可行性研究、初步设计、施工图设计、工程项目组织实施到运营管理全方位的技术管理水平的提升。相对于CAD技术而言，在设计阶段BIM应用实现了从平面图纸到立体数据模型的转变，更加直观具体；在施工阶段将设计方案与施工组织管理进行融合与对接，实现了对施工组织计划的优化；在运营维护阶段则是通过数据承接把设计、施工和运维管理相统一，形成了具有可追溯性的系统化评价体系。BIM技术的应用和发展为我们呈现了一个全新的设计领域，在国家的大力推广应用下必将带来巨大的社会和经济效益，具有重大现实意义。
2国内外研究现状
2.1BIM的起源
在1974年9月，时任卡耐基麦隆大学教授的伊士曼博士（Chuck Eastman，Ph.D.）建立了“建筑描述系统（Building Description System，BDS）”，该系统被公认为是BIM技术的原型[1]。通过建立建筑描述系统，伊士曼博士对BIM理论进行了前瞻性的论述，他也由此被人们称为“BIM之父”[2]。自伊士曼博士提出建筑描述系统以来，学术界对BIM理论的研究愈发深入。上世纪70年代末到80年代初，欧美学者均对此展开研究。在美国此概念通常被称为“建筑产品模型（Building Product Model，BPM）”，在欧洲特别是芬兰则将此技术命名为“产品信息模型（Product Information Model，PIM）”。将两者合并就得到了建筑信息模型（Building Information Model）这一词组，其缩写正是BIM[3]。BIM的另一层含义建筑信息建模（Building Information Modeling）中“建模（Building Modeling）”的概念由美国学者罗伯特（Robert Aish）在1986年首次提出并使用，借助其任职的英国软件公司GWM开发的RUCAPS（Really Universal Computer Aided Production System）软件系统，艾什提出了包括三维建模、参数化设计、数据库建立、自动出图和施工进度模拟的一系列 BIM 应用相关技术。G.A. Van Nederveen 和 F. P. Tolman 教授进一步完善了艾什提出的“建模（Building Modeling）”概念[4]。
2.2国外BIM技术研究现状
欧美国家对 BIM 技术研究起步较早且其技术应用也保持着一个较快的发展趋势，在政府、企业及研究人员的推动下已初步实现 BIM 技术应用的市场化和普及化。根据美国 McGraw Hill Construction 公司的调查显示，北美承建商全面运用 BIM 技术的比例从2007年的17%增长到了2012年的71%，5年间增长率超过了400%[5]。2010 年间对欧洲英、法、德三国的调查显示其应用 BIM 技术的比例分别为 35%， 38%和 36%[9]，处于北美 2007 年到 2009 年的应用水平之间。 由 ISO 认证的国际标准是各国编制国家标准及操作指南的基础，具体可分为三类，分别是用于解决不同阶段不同软件间信息传递及数据交换问题的 IFC （Industry Foundation Class，工业基础类）标准[6]；明确项目各参与方间信息交换需求并将其工作流程标准化以确保信息交互完整与协调的 IDM（Information Delivery Manual，信息交付手册）标准；以及引入GUID（Globally Unique Identifier, 全局唯一标识符），采用为每个概念确定一个独一无二的标识并使其对应多个名称与描述的方法确保使用的 BIM 软件可理解输入的自然语言的 IFD（International Framework for Dictionaries，国际字典框架）标准。在BIM理念正式提出前，国外建筑软件开发商就已推出了一系列具有BIM理念雏形的三维建筑应用软件。到2002年美国欧特克（Autodesk）公司收购Revit Technology公司并推出其核心建模软件Autodesk Revit后，各类BIM相关软件开始快速发展起来。目前，国外建筑行业主流的BIM软件开发商有Autodesk、Bentley、Tekla、Graphisoft、Dassault这几家。
建设具体工程时会涉及到多个专业间以及项目不同阶段间的协同问题，其工程数据量大，关系复杂。因此设计单位在实际应用BIM技术完成设计工作时需要提供一个具体并且完善的BIM技术应用实施框架来确保项目全生命周期内的BIM应用。美国斯坦福大学集成设施中心（Center for Integrated Facility Engineering,CIFE）对BIM应用实施框架的研究较为深入，该机构致力于将BIM技术应用于工程项目的全生命周期中[19]。
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2.3国内BIM技术研究现状
我国对BIM技术的研究起步较晚，在2003年美国Autodesk公司发布其BIM白皮书后不久，有关BIM技术的论文才第一次出现在我国学术期刊中。但在很长一段时间内该概念都没有引起社会的广泛关注，根据在知网上的调查显示，从2003年到2007年4年内国内发表的介绍BIM技术的论文总共只有9篇。在研究起步阶段，国内学术界凭借其特有的优势率先接触到BIM技术并对其进行研究，研究主要围绕理论方面展开。2003年广西师范大学的刘葵发表了国内第一篇BIM相关论文，在文中对BIM概念及其优势进行介绍[20]；2006年重庆大学的赵昂[21]以及同济大学的陈训分别在各自的硕士论文中对BIM技术在建筑项目设计中的应用进行了初步探讨；2008年中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所的王琳等人结合ABD三大平台推出的建模软件对建筑对象的数据封装方法及以此为基础的BIM技术进行了研究。在这些首批接触BIM先进理念的大型企业的带动下，国内BIM应用将逐渐向中小企业渗透。总的来看，尽管国内一些大型机构经过数年的研究和应用，取得了一些研究成果和实践经验，但和国外相比，我国的BIM技术应用研究仍处于起步阶段。客观来说，我国BIM研究存在理论水平低、技术支持不足、应用领域窄等问题。至今为止，我国还没有一套完善的国家BIM标准，使得BIM技术在具体应用过程中走了很多冤枉路，在学术层面的研究和软件的开发研究上更是同欧美存在很大的差距。
2.4国内外桥梁BIM技术研究现状
作为一种全新的信息化理念，BIM已广泛应用于国外发达国家的房屋建筑工程领域。但由于发达国家基础设施建设工程数目相对较少，因此国外对基础设施建设领域中的BIM研究才刚刚起步。据相关调查表明，美国在基础设施领域的BIM应用较建筑领域要滞后约3年。国外对于桥梁工程中的BIM应用研究案例还较少，2003年芬兰工程师在一项简支板桥的设计工程中使用了3D建模技术，并在该项目施工过程中通过3D镭射技术控制精度；2011年，韩国研究人员利用BIM软件建立了一座斜拉桥模型并提出相应实施方法来指导BIM在桥梁工程中的应用[28]。
由于我国正经历着世界上规模最大的基础设施建设工作，加上国家对BIM技术的大力推广，国内的道桥设计院纷纷成立了各自的BIM研发中心并展开对BIM技术的应用研究。但在桥梁工程领域，尚未出现成熟的BIM应用案例，绝大多数的应用只留在BIM翻模展示阶段，对BIM的应用深度还处于浅层阶段，同时我国在道桥领域的理论研究也较为缺乏。
3存在的主要问题
根据上文对国内外研究现状的阐述不难发现，目前对BIM技术的实际应用主要集中在建筑行业，对基础设施行业上的BIM应用研究尚处于起步阶段。将桥梁工程与BIM技术结合起来的研究虽有展开，但还存在着许多的问题，具体表现为：
1、缺乏统一的BIM技术标准：我国已展开对建设领域的BIM国家标准编制工作，计划颁布6本技术标准组成一个完整的标准体系来指导该领域BIM技术的应用。但在桥梁建设领域，尚未出台相关的国家BIM技术标准来规范和统一桥梁BIM应用中的数据分类方法和信息交互流程。导致国内道桥设计院在应用BIM技术时只能参考尚且不完善的建筑BIM标准，通过企业内部的经验交流来展开对工程实践的探索，这造成了BIM应用的混乱，取得的设计经验也无法很好地在行业内共享。
2、在桥梁工程领域BIM理论研究支持不足：目前我国对桥梁工程中的BIM研究刚刚起步，未形成一套切实可行的桥梁信息模型实施框架来指导实际工程当中的BIM应用。
3、BIM设计建模软件对桥梁工程设计的支持尚不完善：目前在国内桥梁设计中使用的BIM软件多是国外软件商针对建筑领域开发的，其建模时使用的轴网设计模式与桥梁工程基于道路空间曲线里程的设计方法不匹配，直接利用现有BIM软件建立桥梁模型效率较低。同时在桥梁设计过程中需要符合国家现行的建设法规和技术标准，而在主流BIM软件中并未集成我国相应的设计规范。
4、缺少完整的工程项目实践：目前在桥梁工程中的BIM应用大多停留在翻模展示阶段，未能用于桥梁设计的全过程中。在实践中存在模型数据库不完善、建立的模型难以直接进行结构分析、二维施工图转换效率低等一系列具体的问题。
4结论
建筑信息模型（BIM）技术的应用是工程行业在由纸笔设计计算到应用CAD技术之后的又一次飞跃，对工程设计阶段而言具有重大意义。本文顺应信息技术发展的潮流，对BIM技术的历史、现状、概念及相关软件等内容进行了充分的探讨。结合桥梁工程的实际特点，对BIM技术在桥梁设计阶段的实施框架及具体应用展开研究。
参考文献
[1]张建平,李丁,林佳瑞,等.BIM在工程施工中的应用[J].施工技术,2012, 41(16):10-17.
[2]何关培.BIM总论[M].中国建筑工业出版社,2011.
[3]邱志军,鞠兴华.BIM技术在禹门口黄河公路斜拉桥施工中的应用研究[J].公路交通科技（技术应用版）,2018(4):160-164
[4]Ernstrom J W. The contractors' guide to BIM[M].Associated General Contractors of America,2006.
[5]彭啸秋.BIM技术在市政工程设计中的应用探讨[J].工业,2015(62): 139-140.
[6]张海华,刘宏刚,甘一鸣.基于BIM技术的桥梁可视化施工应用研究[J].公路,2016(9)：155-161.
论文作者:李亮
论文发表刊物:《基层建设》2020年第1期
论文发表时间:2020/4/21
标签：技术论文; 桥梁论文; 建筑论文; 阶段论文; 领域论文; 建模论文; 模型论文; 《基层建设》2020年第1期论文;