崔志勇 呂春磊 王艷晗 尹貽新

泰安市交通運輸局 河南理工大學(xué) 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院 山東泰山路橋工程公司

摘 要：闡述了BIM技術(shù)在道路工程中的發(fā)展概況和應(yīng)用進展，通過分析道路工程在設(shè)計、施工、運維等各階段的特點及BIM技術(shù)的應(yīng)用實例，結(jié)合BIM正向設(shè)計的技術(shù)優(yōu)勢，提出了一套BIM正向設(shè)計在道路工程的應(yīng)用方案和保障機制，為建立道路工程項目全生命周期各個階段的協(xié)同工作平臺提供參考。

關(guān)鍵詞：道路工程;BIM正向設(shè)計;全生命周期;

基金：山東省泰安市交通局委托項目（SDTASI2016-1117）;

0 引言

BIM技術(shù)（Building Information Modeling）通過建筑工程項目的各相關(guān)方的信息協(xié)同，以數(shù)字信息仿真模擬建筑物全生命周期各階段的存在形態(tài)，從而指導(dǎo)建筑工程的設(shè)計、施工以及運維階段，在為項目設(shè)計和施工提供有效支持的同時，也為項目各個參與方提供協(xié)同工作和交流的平臺。

交通行業(yè)有別于建筑行業(yè)，不同點在于其呈帶狀分布，具有與地形結(jié)合緊密、區(qū)域范圍廣、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、設(shè)計專業(yè)多、數(shù)據(jù)海量等特點，致使道路工程在傳統(tǒng)的CAD二維圖紙設(shè)計與技術(shù)交底過程中易出現(xiàn)施工方審圖不便、交底不細、需要反復(fù)交底等情況，進而導(dǎo)致施工進度緩慢，安全、質(zhì)量問題頻發(fā)，增加返工率等通病。面對這樣的狀況，改善項目施工管理方式顯得尤為重要。

通過BIM技術(shù)直接由三維建模控制模型信息，可以很大程度上減少設(shè)計階段由選線帶來的龐大工程量，把出現(xiàn)的工程問題及時反饋給工程管理和設(shè)計人員，解決由施工現(xiàn)場難以模擬引發(fā)的施工質(zhì)量問題。

目前，國內(nèi)建筑行業(yè)提出了BIM正向設(shè)計的理念，直接在三維環(huán)境下進行設(shè)計，利用三維模型和其中的信息，自動生成所需要的圖檔。運用BIM正向設(shè)計進行道路工程中全生命周期的建設(shè)管理，為道路工程項目的BIM應(yīng)用又提供了新的視角。然而，運用BIM正向設(shè)計進行道路工程建設(shè)、施工及管理的研究及實例尚不多見，結(jié)合BIM正向設(shè)計理論基礎(chǔ)及實例應(yīng)用，順應(yīng)道路精細化設(shè)計的需求，探討道路工程全生命周期的設(shè)計理論，為提出BIM正向設(shè)計在道路工程的應(yīng)用方案提供參考。

1 BIM正向設(shè)計在道路工程規(guī)劃設(shè)計階段的應(yīng)用

1.1 建立虛擬地理環(huán)境建模平臺進行選線設(shè)計

道路工程作為線形工程，跨山川、河流、峽谷是很難避免的，那么在設(shè)計階段的路線選擇是一項非常龐大的工作量。若建立一個基于網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)和三維地理信息系統(tǒng)的虛擬地理環(huán)境建模平臺（架構(gòu)圖見圖1），將很大程度上解決道路選線的難題，同時可高效進行線路模擬和綜合分析。

一方面，可通過SRTM高程數(shù)據(jù)、Google Maps影像等開放網(wǎng)絡(luò)地理信息資源的獲取與利用技術(shù)的研究；另一方面，利用全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)，可通過航攝像片、衛(wèi)星遙感影像、傾斜攝影快速獲取數(shù)字地形模型、正射影像地圖及數(shù)字等高線地形圖等數(shù)字地形資料。然后將獲取的地理信息和地形數(shù)據(jù)通過Civil3D、SuperMap、Infraworks等軟件平臺建立公路線形模型，同時利用仿真技術(shù)和三維顯示設(shè)備進行虛擬視景仿真體驗，并可對多種線路進行方案比選和對比分析。

圖1 虛擬地理環(huán)境建模平臺架構(gòu)圖 下載原圖

1.2 利用DEM法進行土方量計算

數(shù)字高程模型（DEM）是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的實體地面模型[1]。利用DEM法對土方量進行計算實質(zhì)上是計算初始地面與設(shè)計地面之間的體積差值，通過Civil 3D運用此方法將道路模型曲面與原有地形曲面相比較來計算土方量，和傳統(tǒng)方法相比，通過三維模式下兩個曲面的比較則更為準(zhǔn)確。計算的具體步驟見表1。

BIM通過建立3D關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫，可以準(zhǔn)確、快速計算并提取工程量，提高工程算量的精度和效率。BIM遵循面向?qū)ο蟮膮?shù)化建模方法，利用模型的參數(shù)化特點，在表單域（Field）設(shè)置所需條件對構(gòu)件的工程信息進行篩選，并利用軟件自帶表單統(tǒng)計功能（Schedule）完成相關(guān)構(gòu)件的工程量統(tǒng)計[2]。

表1 土方量計算步驟 下載原圖

2 BIM正向設(shè)計在道路工程施工建造階段的應(yīng)用

2.1 BIM技術(shù)在施工方案和施工進度中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的道路施工方案及施工進度多采用二維橫道圖進行展示，并不能真實反映施工進度的實施情況，加之施工方與設(shè)計方意圖理解不一，極容易造成計劃變更，延誤工期。運用BIM技術(shù)可以針對高速公路多線長的特點以及項目需求，進行BIM施工模型以及多層次施工技術(shù)的運用，實現(xiàn)施工的可視化管理[3]，利用4D虛擬施工是用廣聯(lián)達、斯維爾等提供的BIM5D的虛擬仿真環(huán)境，通過軟件平臺將道路模型導(dǎo)入，進行施工段分區(qū)、施工方案設(shè)計和虛擬推演，加入時間進度以動態(tài)檢查方案可行性，并且系統(tǒng)自動生成施工進度橫道圖。施工過程中，可對工程量進行實時查看，動態(tài)掌控實際施工進度與施工計劃的關(guān)系，及時調(diào)整施工順序，安排施工區(qū)段進場時間，使高速公路施工技術(shù)管理實現(xiàn)科學(xué)性、規(guī)范性。

2.2 基于BIM模型進行虛擬施工現(xiàn)場模擬

BIM技術(shù)與其他技術(shù)最大不同就是使用參數(shù)代替數(shù)據(jù)信息進行建模。將公路工程中各種數(shù)據(jù)信息以參數(shù)的形式表示，對不同參數(shù)進行分析，實現(xiàn)公路工程三維、立體模型的建立，能夠準(zhǔn)確、清晰地將不同施工環(huán)節(jié)以不同參數(shù)的關(guān)系表現(xiàn)出來[4]。通過建立施工現(xiàn)場及設(shè)備布置模型，一比一模擬道路實際施工場地，自動定義施工設(shè)施的4D屬性。點取任意設(shè)施實體，可查詢其名稱、類型、型號以及計劃設(shè)置時間等施工屬性，并可進行場地設(shè)施的信息統(tǒng)計等，將場地布置與施工進度對應(yīng)，形成4D動態(tài)的現(xiàn)場管理[5]。通過建立三維施工現(xiàn)場模型，布置設(shè)備放置位置、控制進場時間、綜合管理料區(qū)、模擬吊裝過程，讓各區(qū)段參與方直觀了解工作進度和施工流程，對機械配置、勞動力配置、安裝時間進行調(diào)控，將一定程度上解決因施工現(xiàn)場布置不當(dāng)造成的施工質(zhì)量和工期延誤問題，施工現(xiàn)場模擬見圖2。

圖2 某路段施工過程模擬 下載原圖

2.3 BIM技術(shù)在道路施工安全、技術(shù)交底中的應(yīng)用

在公路施工過程中，需要對施工隊伍進行具有可操作性、符合技術(shù)規(guī)范的分項工程施工和安全技術(shù)交底。BIM技術(shù)通過三維數(shù)字模型的建立與建筑工程項目相關(guān)的各項信息進行集成，建立資源信息模型，構(gòu)建資源管理子系統(tǒng)和可視化安全管理平臺，可實現(xiàn)細部構(gòu)件的提取和可視化管理[6]。運用BIM技術(shù)對道路工程分部、分段的分析，將重要的施工環(huán)節(jié)、工藝等進行重點展示，提高管理人員和施工人員對施工工藝的理解和記憶。利用移動終端采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，建立現(xiàn)場質(zhì)量缺陷、安全隱患等數(shù)據(jù)缺陷，與三維模型實時關(guān)聯(lián)更新，將問題可視化，及時糾正，做好統(tǒng)計分析，保證施工正常進行。

3 BIM正向設(shè)計在道路工程運營維護階段的應(yīng)用

3.1 BIM和GIS的集成實現(xiàn)道路養(yǎng)護和信息管理

三維地理信息系統(tǒng)基于空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)，可建立基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的快速采集和帶狀三維場景的無縫集成，通過對檢測設(shè)備和系統(tǒng)綜合集成，提高可視性和協(xié)同性[7]。IFC(Industry Foundation Classes）和CityGML(City Geography Markup Language）分別作為BIM和3DGIS領(lǐng)域通用的數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)[8]，兩類數(shù)據(jù)模型的幾何、語義信息共享為BIM與GIS的集成提供了條件，現(xiàn)已論證了信息模型能夠在BIM和GIS領(lǐng)域和軟件平臺的無損轉(zhuǎn)換和無縫連接[10]，從而實現(xiàn)一種從BIM實體模型自動提取多細度層次GIS表面模型的方法，為線形工程數(shù)據(jù)整合、輔助運維管理奠定了良好基礎(chǔ)。

利用傳感器和移動測量系統(tǒng)建立實景三維GIS系統(tǒng)，結(jié)合竣工模型對道路的每一個區(qū)段、設(shè)備、構(gòu)筑物進行實時監(jiān)測，及時調(diào)取數(shù)據(jù)參數(shù)，導(dǎo)入路網(wǎng)實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，建立道路動態(tài)養(yǎng)護平臺，有利于應(yīng)急搶險的科學(xué)快速決策，實現(xiàn)道路工程全生命周期內(nèi)模型、數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲、分析。架構(gòu)圖見圖3。

圖3 道路養(yǎng)護信息系統(tǒng)架構(gòu)圖 下載原圖

3.2 BIM技術(shù)在道路工程信息化運營管理中的應(yīng)用

道路工程的維護工作是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它需聯(lián)系到道路工程的建設(shè)、施工階段的信息資料，而且具有專業(yè)性強、機動化程度高，時效性強等特點，同時，國內(nèi)道路工程的維護存在新設(shè)備投入率低[9]，作業(yè)信息化程度低[6]，維護經(jīng)費匱乏等現(xiàn)狀。因而，運用BIM技術(shù)建立道路工程運維管理平臺，整合道路設(shè)計、施工階段的工程信息資源，解決建設(shè)和養(yǎng)護階段的信息分離問題，實現(xiàn)設(shè)備故障報修，定期定段養(yǎng)護提醒以及智能化維護尤為必要。通過三維模型進行設(shè)備設(shè)施的統(tǒng)一編碼，該編碼作為唯一標(biāo)識載入數(shù)據(jù)庫，同時保存道路建設(shè)、施工階段的信息資料，另外結(jié)合GIS數(shù)據(jù)庫信息形成數(shù)據(jù)庫，各個相關(guān)方對數(shù)據(jù)庫中信息進行提取、篩選，實時掌握道路運行情況和設(shè)備維修位置，進行健康檢測和信息化管理。道路工程運維管理平臺的框架圖如圖4。

此外，模型管理也是極為重要的環(huán)節(jié)，需要將高速公路中的道路、橋梁等設(shè)施信息和BIM模型相互銜接，借助于點擊BIM模型，對模型內(nèi)的大量屬性做出可視化管理與查詢，用于形成更為完整的認識，并將各種不同類別的資源信息有效融合，形成更為完整的文件關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，最終獲取BIM模型數(shù)據(jù)庫，此后養(yǎng)護管理工作均可以借助于模型數(shù)據(jù)庫中的信息技術(shù)，其能夠行之有效地提高工作質(zhì)量與工作效率。

圖4 道路運維管理平臺架構(gòu)圖 下載原圖

4 總結(jié)

相較于BIM技術(shù)在工民建方面的廣泛應(yīng)用，在道路工程中的應(yīng)用仍需推廣和探索，而BIM正向設(shè)計是當(dāng)下BIM技術(shù)應(yīng)用的熱點。通過闡述BIM技術(shù)在道路工程的規(guī)劃設(shè)計、施工建造、運維管理階段的理論依據(jù)和應(yīng)用實例，證實了BIM正向設(shè)計在道路工程中全生命周期各階段應(yīng)用的可行性，這對建立基于BIM正向設(shè)計理念的道路工程全生命周期協(xié)同工作平臺提供了參考。綜上論述，BIM正向設(shè)計在道路工程全生命周期的技術(shù)方案的確立具有前瞻意義和應(yīng)用價值。（來源：交通科技）

參考文獻

[1] 張春影，高平，汪茵，等．施工圖設(shè)計階段BIM模型的工程算量問題研究[J]．建筑經(jīng)濟，2015(8):52-56.

[2] 吳健，劉向陽，郭騰峰，等．道路BIM技術(shù)在設(shè)計領(lǐng)域的研發(fā)現(xiàn)狀分析與發(fā)展策略初探[J]．公路，2016(4):7-13.

[3] 解曉明．BIM技術(shù)在山區(qū)公路工程項目全壽命周期管理中的應(yīng)用[J]．公路工程，2018(4):296-300.

[4] 王萌．BIM技術(shù)在公路工程設(shè)計中的應(yīng)用分析[J]．建材與裝飾，2020(9):249-250.

[5] 郭紅領(lǐng)，潘在怡．BIM輔助施工管理的模式及流程[J]．清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017(10):1076-1082.

[6] 宋子婧．公路橋梁建養(yǎng)一體化信息管理研究[D]．南京：東南大學(xué)，2015.

[7] 宋挺，成猛，張厚記，等．開普封層技術(shù)在武黃高速公路養(yǎng)護工程中的應(yīng)用研究[J]．建材世界，2018(6):69-72.

[8] 范登科．BIM與GIS融合技術(shù)在鐵路信息化建設(shè)中的研究[J]．鐵道工程學(xué)報，2016(10):106-110+128.

[9] 楊延軍．我國高速公路養(yǎng)護管理現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]．交通標(biāo)準(zhǔn)化，2014(13):110-111