將BIM技術引入橋梁工程，尤其是在設計方案優化、施工過程模擬、工程量計算、碰撞檢測等方面發揮其優勢，提高建筑信息的集成化程度，使專業人員進行協同工作，保證了整個橋梁工程的質量，顯著提高了橋梁設計和施工的管理水平及效率。

由于目前BIM技術相關軟件缺乏與其他行業相關軟件的接口，導致BIM技術應用難以與有限元分析軟件緊密結合。傳統力學分析軟件在建模能力上比較薄弱，難以繪制鋼筋及曲面等不規則圖形，對于復雜節點難以用模型表示。因此將BIM技術與有限元軟件相結合共同應用于橋梁工程中，既能發揮BIM技術的優勢，發揮BIM軟件強大的建模功能，又能運用有限元分析軟件來分析結構的安全性。

有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用數學近似的方法對真實物理系統（幾何和載荷工況）進行模擬。利用簡單而又相互作用的元素（即單元），就可以用有限數量的未知量去逼近無限未知量的真實系統。由于大多數實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。

有限元分析軟件比較

Ansys軟件，在結構的線性分析方面比較擅長，流體方面最擅長。注重應用領域的拓展，目前已覆蓋流體、電磁場和多物理場耦合等十分廣泛的研究領域；Abaqus軟件，集中于結構力學和相關領域研究，致力于解決該領域的深層次實際問題（功能僅局限于結構力學領域）。求解非線性問題時具有非常明顯的優勢。沒有流體模塊。更多的單元種類（管道、接頭等）、材料模型（可模擬鋼筋混凝土、金屬、高分子材料等）、接觸和連接類型。

有限元分析方法的發展趨勢

1.當今有限元分析軟件的發展趨勢是與通用CAD軟件的集成使用，即在用CAD軟件完成部件和零件的造型設計后，能直接將模型傳送到CAD軟件中進行有限元網格劃分并進行分析計算。如果分析的結果不滿足設計要求則重新進行設計和分析，直到滿意為止，從而極大地提高了設計水平和效率。

2. 更為強大的網格處理能力。由于結構離散后的網格質量直接影響到求解時間及求解結果的 正確性與否，各軟件開發商都加大了其在網格處理方面的投入，使網格生成的質量和效率都有了很大的提高。但在有些方面卻一直沒有得到改進，如對三維實體模型進行自動六面體網格劃分和根據求解結果對模型進行自適應網格劃分，除了個別商業軟件做得較好外，大多數分析軟件仍然沒有此功能。

3. 由求解線性問題發展到求解非線性問題。非線性問題的求解是很復雜的，它不僅涉及很多專門的數學問題，還必須掌握一定的理論知識和求解技巧，故而學習起來較為困難。為此，國外一些公司花費了大量的人力和物力開發非線性求解分析軟件，如ADINA、ABAQUS等。

4. 程序面向用戶的開放性。由于用戶的要求千差萬別，因此必須給用戶一個開放的環境，允許用戶根據自己的實際情況對軟件進行擴充，包括用戶自定義單元特性、用戶自定義材料本構、用戶自定義流場邊界條件、用戶自定義結構斷裂判據和裂紋擴展規律等。

BIM技術可以應用于工程項目的設計、建造、運營維護全生命周期的管理中，通過參數模型整合各種項目的相關信息，在項目策劃、運行和維護的全生命周期過程中進行共享和傳遞，使工程技術人員對各種建筑信息作出正確理解和高效應對，為設計團隊、建筑運營單位在內的各方建設主體提供協同工作的基礎，在提高生產效率、節約成本和縮短工期方面發揮重要作用。BIM不是簡單的將數字信息進行集成，而是一種數字信息的應用。這種方法支持建筑工程的集成管理環境，可以使建筑工程在其整個進程中顯著提高效率、大量減少風險。BIM將建設單位、設計單位、施工單位、監理單位等項目參與方關聯在同一平臺上，共享同一建筑信息模型，有利于項目可視化、精細化建造。

應用案例概況

泰和北贛江特大橋是廣昌至吉安高速公路主線跨越贛江的標志性構造物。橋長1075.08米，主橋采用 63+110+110+63預應力混凝土變截面連續箱梁，引橋采用11×40+7×40先簡支后連續預應力混凝土T梁。目前橋梁結構正在進行上部箱梁施工，預計 2019 年 5 月建成通車。

本案例BIM技術的應用點

1. 橋梁構件庫建模、引橋的參數化建模、變截面箱梁的參數化建模。

2. 工程量的統計、剖面圖生成。

3. 橋梁BIM模型與有限元分析軟件的結合應用。

4. 碰撞檢測。通過三維模型，檢查鋼筋、預應力鋼筋以及混凝土構件之間相互關系，復核設計圖紙，驗證施工時的可操作性。

5. 橋梁BIM協同管理系統應用。

6. 橋梁施工模擬、場地模擬、漫游展示。

BIM 技術結合有限元技術的應用

Abaqus，ANSYS等有限元軟件在橋梁施工，橋梁動、靜力計算上具有獨特的優勢，如橋梁的應力分布、變形情況、自振頻率、振形、地震響應特征、失穩特征等。本論文將BIM技術與有限元技術的聯合應用主要體現在以下方面：

直接將BIM模型導入HYPERMESH中進行網格劃分，定義接觸與約束，將劃分好的有限元模型導入ANSYS中施加荷載，實現橋梁結構的橋梁模態分析、諧響應分析、結構動力響應分析。

由于REVIT建立的 BIM模型均是實體構件，因此在倒入有限元模型后，用實體單元SOLID45模擬。

模態分析

模態分析

模態分析

模態是結構的固有特性，能夠得到系統每一階模態的頻率和陣型，根據貢獻最大的那一階模態來設計隔振系統，也可以根據陣型和共振頻率設計激振系統。

諧響應分析 

諧響應分析

諧響應分析的目的是為了分析結構振動響應在不同頻率下的曲線。其通用的運動方程為

式中：為節點速度向量，為節點位移向量，為節點加速度向量，為施加到結構上的荷載向量，為質量矩陣，為阻尼矩陣， 為剛度矩陣。

對橋梁結構模型進行諧響應分析，得到位移、速度、加速度隨頻率的變化，確定橋梁的共振頻率以及結構對不同頻率的響應特性。諧響應分析在橋梁結構有限元模型上的具體加載形式：在結構跨中加一個幅值38kN的作用力，取荷載頻率變化范圍0-20Hz，每1Hz求解一次，提取結構的，對關鍵點在諧響應下的位移、加速度進行分析。

時域分析

頻域分析

動力特性分析

為了分析橋梁結構的振動特性，選取貨車以38t的荷載，以80Km/h的速度單輪勻速通過橋梁結構段，選取梁端結構關鍵點進行動力特性分析。

1.對橋梁模型進行模態分析，從頻率的增長趨勢看，第一階固有頻率向各高階固有頻率的增長緩慢，沒有明顯跳躍，振型的形狀并不復雜，說明結構的動力性能較好。

2. 通過諧響應分析，得到結構不同的敏感點出現的位移峰值主要集中在1-10Hz，所以橋梁結構的振動響應屬于低頻振動。

3. 通過對結構的動力特性進行分析，可以看出，隨著車輛的移動，關鍵點的振動響應逐漸減少，在振動響應最大的位置，結構的位移值較小，結構特性較為安全，將結構關鍵點的時域，轉換為頻域后，結構的振動響應主要集中在0-20HZ的低頻振動。

BIM 技術和有限元技術在橋梁工程應用的效果有：縮短了設計和分析之間的周期；增加了橋梁工程的可靠性；優化設計，增加了設計實現功能；降低了材料的消耗和成本；在施工前可以預先發現潛在的問題；可以利用分析模型進行事故的分析，查找事故的原因；模擬各種施工實施方案，減少了試驗的時間周期、成本和費用。因此，在設計階段工程師對各種技術參數進行計算分析，預測和分析出橋梁工程的技術性能。將BIM技術與有限元技術結合，可以對橋梁結構以及橋梁結構的關鍵部位進行有限元分析，對結構的安全性進行評價，起到輔助設計、優化方案的作用。