随着设计水平的不断进步，美国各地的试点项目正在向人们证明，道路和桥梁工程的二维图纸时代即将结束，人们不再总是需要这些打印的纸张。正如几十年前CAD取代了手绘设计一样，一种用于基础设施规划、设计、施工和资产管理的新技术正在出现——用于基础设施的建筑信息模型(BIM)。

    BIM带来的“兴奋”

    如果使用得当,这些具有丰富信息的3D模型可以实现更高效、更复杂的设计,节省成本,并在项目资产的使用寿命中获得长期收益。但就像任何新方法一样,BIM也有“成长的烦恼”。

    “我们正在引进一种我们都需要学习的新技术，”负责监管美国内布拉斯加州和爱荷华州桥梁项目，来自HDR公司的ToddHorton说，“一旦我们掌握这项技术，我认为，无论从成本上还是从建设角度来看，这都将是一个优势，可能会减少建设成本的超支……在二维图纸时代中，有些看不到或忽略的东西，比如公用管道和交通信号管道之间的冲突，在3D模型中将会变得很明显。这可能会使工程的前期成本和建设成本降到最低。”

    最近，爱荷华州交通部(IDOT)将一个大型州际项目作为在设计阶段中使用BIM的试点项目，而最终的目标是在所有项目中都使用BIM技术。通过爱荷华州的I-80/I-380重建项目，为项目决策者提供了有价值的见解，同时也说明了使用BIM的好处，以及更广泛地应用BIM所需的步骤。

    IDOT的首席结构工程师AhmadAbu-Hawash说:“我们的设计团队已经决定要做数字化。而我们长远的想法是，能够从概念设计的第一个阶段，一直到后期的资产管理都可以持续地使用BIM。”

    HDR公司为立体交通项目中的3座桥梁建立了BIM模型，立体交通项目是对州际公路高流量路段进行大规模的重建。随着项目的进展,IDOT决定使用一个模型作为法律文件包,即用BIM信息签名和盖章的合同来交付成果,取代传统的二维图纸交付。

    BIM已经在建筑行业成功地应用了多年，但在基础设施领域，应用BIM会产生令人兴奋的可能性。例如改进设计的准确性、可构建性，以及更好的可视化，提高最终的资产管理能力，这些都是可以预期的好处。

    接受项目的考验

    位于爱荷华城市西北的I-80/I-380立交是爱荷华州最繁忙的交通路段之一。IDOT预期花费4.5亿美元用于拓宽和重建此路段，以减少在这里发生的翻车事故。HDR公司从早期规划阶段就参与了该项目，并在2016年底开始为立交桥提供设计服务。

    IDOT基于工程进度和项目的复杂性，选择I-80/I-380改造项目作为使用BIM的试点项目。在桥梁的整个设计过程中包含了各种各样的挑战，例如弯曲钢梁的设计、复杂的超高过渡段、检查通道，以及美观的下部结构形式。而该项目的复杂性使得IDOT和HDR公司能够更好地评估所使用的软件，并了解在设计过程中创建BIM模型的益处。爱荷华州交通部和HDR公司通过Bentley软件创建了I-80/I-380交汇处的各种桥梁的BIM模型。

    弯曲钢梁

    在设计过程中对两个现有的程序进行了测试。设计者在两个程序中对桥梁进行建模。他们首先使用Bentley软件公司的OpenBridgeModelerV8i(OBM)，以较低的细节级别创建主要的桥梁构件,然后使用ProStructuresV8i向模型中添加细节。

    在整个模型的创建过程中，HDR公司的设计师一直与Bentley软件公司的技术人员保持联系，讨论如何构建模型、如何改进模型。并针对建模的效率问题，提出了解决办法。

    OBM在设计的早期阶段最有用，那时不需要太高的细节级别。模板和表格可以用类似的组件，这样加速了部分建模的速度，并且允许模型在设计变更后可以得到快速的更新。当构件的参数改变时，模型会自动更新。但同时，更复杂的构件也带来一个问题，那就是在OBM中，例如墩帽和墩柱、矮墩和横隔板等构件，无法达到建模所需的高水平细节级别。这些构件还需要在后面逐一被添加到前面的结构模型中。

    虽然这样做使结构的建模更加灵活，但也更费时，并难以实现实时的更新。主结构中的构件没有绑定到模板或表格中，这给用户在设计时提供了更多的灵活性。设计师能够创建这3座桥梁的几乎所有的细节构件，而且软件还能帮助工程师进行模型的冲突检测和可视化。但这也减缓了模型的更新进程，尤其在高细节级别上建模需要大量的时间投入。3DBIM模型能够实现高水平的细节级别，使利益相关者能够在数字领域中，将预想的现实完全地构建出来。

    创建的桥梁模型

    将模型作为交付成果

    创建一个高度精确、详细的模型是设计师的重要能力。但是，作为项目文档使用，模型中需要包含创建该桥梁时的所有信息，例如计划说明、表格、供应商提供的详细的产品信息等。

    HDR的桥梁工程师GrantSchmitz说:“我们没有提供PDF格式的表格，而是将这些额外的信息作为链接包含在模型中。这让我们可以把所有的东西都融入到模型中。”

    添加信息并不是设计师唯一关心的问题。因为有些信息也是多余的。

    建模软件默认提供的信息包括重要的数据，如材料属性、尺寸和施工说明。然而，许多显示的信息也是不相关的、重复的，甚至可能存在误导。为了增加清晰度，单元属性被修改得更简洁，只提供所需的数据。为了实现这一点，设计者使用了两个额外的程序：i-ModelTransformer和MicroStationCONNECT。

    三座匝道桥模型图中的匝道桥B，它的只读模型可以作为项目的交付成果，其中包含所有的链接文件、访问说明和推荐软件的完整列表。为了区别文件之间的差异，还创建了信息层次结构。

    三座匝道桥模型

    该项目中的3座匝道桥模型分别是：匝道桥BH，一座约244m长的钢板梁桥，并在一端分叉成匝道H和匝道B；匝道桥B，一座长197m的曲线钢板梁桥，下部由混凝土T形墩支撑；匝道桥H，一座长867m的三联连续曲线钢板梁桥，下部由混凝土T形墩支撑。

    最初的计划是创建这3座桥梁的模型，仅作为数据信息，用来评估BIM软件。与此同时，仍为每座桥梁提供传统的2D平面图纸。这样，承包商就可以在施工过程中参考这些模型，并根据模型的使用情况提供反馈意见。然而,模型的使用极大地方便了工程师们的沟通与技术交底。因此，IDOT决定使用BIM，而不是二维图纸作为主要设计合同的交付成果。而项目的投标方可以接受Bentley软件的免费培训，而最后中标的公司在签订施工合同后，可以选择购买软件的使用权。

    这3座桥梁的承包合同于2018年7月31日正式生效,合同金额为3820万美元。在早期的软件使用阶段,反馈意见多集中于如何从BIM模型中更简便地提取信息。分包商和制造商几乎没有使用软件的经验,因此不能充分地使用BIM。通常情况下，主承包商会负责为他们提取相关的数据。但在某些情况下，这还涉及从模型的剖面图中创建一个二维的表格。

    事实证明，在这个领域使用平板电脑也很困难。这不仅受户外工作环境的制约，也受软件的限制，因为这类软件是专门为移动终端设备而开发的。

    尽管在早期的施工过程中使用BIM作为交付成果面临一些挑战，但这个过程也确实充满希望。正如预期的那样，建立的模型已被反复用于可视化，特别是在钢筋布置密度高的区域。同时，该模型也被用于创建复杂几何单元的模板。

    现场施工图

    一个历史性的转变

    这个项目的目标是对一种新兴技术进行测试，找出它可以在现有方法上进行哪些改进，以及它本身还有哪些可以改进的地方。为此，IDOT和HDR公司在BIM软件的能力，以及BIM在当前道路项目中的应用等方面获得了宝贵的经验。

    使用BIM需要制定新的工作流程，而不是传统的设计流程。爱荷华州交通部的最终目标是将BIM模型作为项目交付成果，并写入常规法律文件中。IDOT计划开始在内部使用OBM和ProStructures，“开发新的工作流程，确定我们的3D交付物。”IDOT的自动化工程师AnnetteJeffers说。然而，需要重点考虑的是交付成果中必须包含哪些具体信息，以及必须在什么级别下创建BIM模型。

    BIM改善了跨学科之间的沟通协调。在一些路线、管道的冲突检查，以及细节上的调整方面，使用BIM更容易追踪处理。在I-80/I-380项目中，这意味着将现有的、临时的和最终的构件细节级别，以及现有的和建议的线路排布都可以被纳入到BIM模型中。

    3D模型中的质量控制与2D交付物中的质量控制是截然不同的挑战。Horton说:“检查一个大型模型也面临许多困难。”拥有精通新软件的资深专家评审人员是很重要的，或者拥有一个清晰明了的流程，以明确评审人员在模型中(相对于传统的计划表)需要查看的内容。

    至于BIM给基础设施领域带来的其他好处似乎还很遥远，但早期的使用者，如IDOT和HDR的设计者已经看到了它们的前景：

    更便捷的信息共享时代即将到来。目前，工程师们正在努力为BIM创建一个新的开放数据标准，最终实现软件程序之间的互联互通。这将从根本上改善信息共享的方式，并提高工程建设者和其他相关人员获取所需的相关信息的能力。Horton说:“与传统的二维时代相比，这一模式将最大程度地节省成本。”

    三维模型的创建意味着，信息从设计者传递到承包商时，损失会变得更少。随着承包商们越来越熟悉软件和模型，设计师的意图通过模型会更加清晰地显示出来。3D模型能让承包商们准确地看到设计师们的想象。

    随着时间的推移，基础设施领域的BIM应用将会更加便捷。Horton说:“最初，在BIM和3D模型上投入的时间可能会稍微多一些，但随着不断地探索，我认为会看到一些成本被节省下来，因为不必进行表单的开发，这本身就是一个耗时的过程。”

    随着行业不断寻找新的提高效率的好方法，诸如此类的试点项目是帮助人们理解什么是最关键的，也是最好的途径。这样的重大变化不会在一夜之间发生，但参与该项目的所有人都相信，BIM将在未来几年成为基础设施设计的标准。十年后，传统的2D设计可能会像手绘一样稀有。

    “二十、三十年前，我们总是在纸上做任何事情，”Abu-Hawash说，“然后，CAD出现了，每个人都说，‘这太疯狂了，你为什么想要使用它?’然而现在却已经没人用纸来起草设计了。”

    本文刊载/《桥梁·BIM视界》杂志

    2020年第3期总第14期

    作者/AHMADABU-HAWASH等

    资料来源/《Roads&Bridges》杂志2020年5月刊

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