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)展概況和應用進(jìn)展，通過(guò)分析道路工程在設計、施工、運維等各階段的特點(diǎn)及BIM技術(shù)的應用實(shí)例，結合BIM正向設計的技術(shù)優(yōu)勢，提出了一套BIM正向設計在道路工程的應用方案和保障機制，為建立道路工程項目全生命周期各個(gè)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(guò)建筑工程項目的各相關(guān)方的信息協(xié)同，以數字信息仿真模擬建筑物全生命周期各階段的存在形態(tài)，從而指導建筑工程的設計、施工以及運維階段，在為項目設計和施工提供有效支持的同時(shí)，也為項目各個(gè)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(diǎn)在于其呈帶狀分布，具有與地形結合緊密、區域范圍廣、結構形式復雜、設計專(zhuān)業(yè)多、數據海量等特點(diǎn)，致使道路工程在傳統的CAD二維圖紙設計與技術(shù)交底過(guò)程中易出現施工方審圖不便、交底不細、需要反復交底等情況，進(jìn)而導致施工進(jìn)度緩慢，安全、質(zhì)量問(wèn)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(guò)BIM技術(shù)直接由三維建?？刂颇Ｐ托畔?，可以很大程度上減少設計階段由選線(xiàn)帶來(lái)的龐大工程量，把出現的工程問(wèn)題及時(shí)反饋給工程管理和設計人員，解決由施工現場(chǎng)難以模擬引發(fā)的施工質(zhì)量問(wèn)題。

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

1 BIM正向設計在道路工程規劃設計階段的應用

1.1 建立虛擬地理環(huán)境建模平臺進(jìn)行選線(xiàn)設計

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

一方面，可通過(guò)SRTM高程數據、Google Maps影像等開(kāi)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，利用全數字攝影測量系統，可通過(guò)航攝像片、衛星遙感影像、傾斜攝影快速獲取數字地形模型、正射影像地圖及數字等高線(xiàn)地形圖等數字地形資料。然后將獲取的地理信息和地形數據通過(guò)Civil3D、SuperMap、Infraworks等軟件平臺建立公路線(xiàn)形模型，同時(shí)利用仿真技術(shù)和三維顯示設備進(jìn)行虛擬視景仿真體驗，并可對多種線(xiàn)路進(jìn)行方案比選和對比分析。

圖1 虛擬地理環(huán)境建模平臺架構圖 下載原圖

1.2 利用DEM法進(jìn)行土方量計算

數字高程模型（DEM）是用一組有序數值陣列形式表示地面高程的實(shí)體地面模型[1]。利用DEM法對土方量進(jìn)行計算實(shí)質(zhì)上是計算初始地面與設計地面之間的體積差值，通過(guò)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(lái)計算土方量，和傳統方法相比，通過(guò)三維模式下兩個(gè)曲面的比較則更為準確。計算的具體步驟見(jiàn)表1。

BIM通過(guò)建立3D關(guān)聯(lián)數據庫，可以準確、快速計算并提取工程量，提高工程算量的精度和效率。BIM遵循面向對象的參數化建模方法，利用模型的參數化特點(diǎn)，在表單域（Field）設置所需條件對構件的工程信息進(jìn)行篩選，并利用軟件自帶表單統計功能（Schedule）完成相關(guān)構件的工程量統計[2]。

表1 土方量計算步驟 下載原圖

2 BIM正向設計在道路工程施工建造階段的應用

2.1 BIM技術(shù)在施工方案和施工進(jìn)度中的應用

傳統的道路施工方案及施工進(jìn)度多采用二維橫道圖進(jìn)行展示，并不能真實(shí)反映施工進(jìn)度的實(shí)施情況，加之施工方與設計方意圖理解不一，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(xiàn)長(cháng)的特點(diǎn)以及項目需求，進(jìn)行BIM施工模型以及多層次施工技術(shù)的運用，實(shí)現施工的可視化管理[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(guò)軟件平臺將道路模型導入，進(jìn)行施工段分區、施工方案設計和虛擬推演，加入時(shí)間進(jìn)度以動(dòng)態(tài)檢查方案可行性，并且系統自動(dòng)生成施工進(jìn)度橫道圖。施工過(guò)程中，可對工程量進(jìn)行實(shí)時(shí)查看，動(dòng)態(tài)掌控實(shí)際施工進(jìn)度與施工計劃的關(guān)系，及時(shí)調整施工順序，安排施工區段進(jìn)場(chǎng)時(shí)間，使高速公路施工技術(shù)管理實(shí)現科學(xué)性、規范性。

2.2 基于BIM模型進(jìn)行虛擬施工現場(chǎng)模擬

BIM技術(shù)與其他技術(shù)最大不同就是使用參數代替數據信息進(jìn)行建模。將公路工程中各種數據信息以參數的形式表示，對不同參數進(jìn)行分析，實(shí)現公路工程三維、立體模型的建立，能夠準確、清晰地將不同施工環(huán)節以不同參數的關(guān)系表現出來(lái)[4]。通過(guò)建立施工現場(chǎng)及設備布置模型，一比一模擬道路實(shí)際施工場(chǎng)地，自動(dòng)定義施工設施的4D屬性。點(diǎn)取任意設施實(shí)體，可查詢(xún)其名稱(chēng)、類(lèi)型、型號以及計劃設置時(shí)間等施工屬性，并可進(jìn)行場(chǎng)地設施的信息統計等，將場(chǎng)地布置與施工進(jìn)度對應，形成4D動(dòng)態(tài)的現場(chǎng)管理[5]。通過(guò)建立三維施工現場(chǎng)模型，布置設備放置位置、控制進(jìn)場(chǎng)時(shí)間、綜合管理料區、模擬吊裝過(guò)程，讓各區段參與方直觀(guān)了解工作進(jìn)度和施工流程，對機械配置、勞動(dòng)力配置、安裝時(shí)間進(jìn)行調控，將一定程度上解決因施工現場(chǎng)布置不當造成的施工質(zhì)量和工期延誤問(wèn)題，施工現場(chǎng)模擬見(jiàn)圖2。

圖2 某路段施工過(guò)程模擬 下載原圖

2.3 BIM技術(shù)在道路施工安全、技術(shù)交底中的應用

在公路施工過(guò)程中，需要對施工隊伍進(jìn)行具有可操作性、符合技術(shù)規范的分項工程施工和安全技術(shù)交底。BIM技術(shù)通過(guò)三維數字模型的建立與建筑工程項目相關(guān)的各項信息進(jìn)行集成，建立資源信息模型，構建資源管理子系統和可視化安全管理平臺，可實(shí)現細部構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、工藝等進(jìn)行重點(diǎn)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(dòng)終端采集現場(chǎng)數據，建立現場(chǎng)質(zhì)量缺陷、安全隱患等數據缺陷，與三維模型實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)更新，將問(wèn)題可視化，及時(shí)糾正，做好統計分析，保證施工正常進(jìn)行。

3 BIM正向設計在道路工程運營(yíng)維護階段的應用

3.1 BIM和GIS的集成實(shí)現道路養護和信息管理

三維地理信息系統基于空間數據庫技術(shù)，可建立基礎地理數據的快速采集和帶狀三維場(chǎng)景的無(wú)縫集成，通過(guò)對檢測設備和系統綜合集成，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)域通用的數據模型標準[8]，兩類(lèi)數據模型的幾何、語(yǔ)義信息共享為BIM與GIS的集成提供了條件，現已論證了信息模型能夠在BIM和GIS領(lǐng)域和軟件平臺的無(wú)損轉換和無(wú)縫連接[10]，從而實(shí)現一種從BIM實(shí)體模型自動(dòng)提取多細度層次GIS表面模型的方法，為線(xiàn)形工程數據整合、輔助運維管理奠定了良好基礎。

利用傳感器和移動(dòng)測量系統建立實(shí)景三維GIS系統，結合竣工模型對道路的每一個(gè)區段、設備、構筑物進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，及時(shí)調取數據參數，導入路網(wǎng)實(shí)時(shí)數據庫和歷史數據庫，建立道路動(dòng)態(tài)養護平臺，有利于應急搶險的科學(xué)快速決策，實(shí)現道路工程全生命周期內模型、數據的統一存儲、分析。架構圖見(jiàn)圖3。

圖3 道路養護信息系統架構圖 下載原圖

3.2 BIM技術(shù)在道路工程信息化運營(yíng)管理中的應用

道路工程的維護工作是一項復雜的系統工程，它需聯(lián)系到道路工程的建設、施工階段的信息資料，而且具有專(zhuān)業(yè)性強、機動(dòng)化程度高，時(shí)效性強等特點(diǎn)，同時(shí)，國內道路工程的維護存在新設備投入率低[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，整合道路設計、施工階段的工程信息資源，解決建設和養護階段的信息分離問(wèn)題，實(shí)現設備故障報修，定期定段養護提醒以及智能化維護尤為必要。通過(guò)三維模型進(jìn)行設備設施的統一編碼，該編碼作為唯一標識載入數據庫，同時(shí)保存道路建設、施工階段的信息資料，另外結合GIS數據庫信息形成數據庫，各個(gè)相關(guān)方對數據庫中信息進(jìn)行提取、篩選，實(shí)時(shí)掌握道路運行情況和設備維修位置，進(jìn)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，需要將高速公路中的道路、橋梁等設施信息和BIM模型相互銜接，借助于點(diǎn)擊BIM模型，對模型內的大量屬性做出可視化管理與查詢(xún)，用于形成更為完整的認識，并將各種不同類(lèi)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，最終獲取BIM模型數據庫，此后養護管理工作均可以借助于模型數據庫中的信息技術(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圖 下載原圖

4 總結

相較于BIM技術(shù)在工民建方面的廣泛應用，在道路工程中的應用仍需推廣和探索，而B(niǎo)IM正向設計是當下BIM技術(shù)應用的熱點(diǎn)。通過(guò)闡述BIM技術(shù)在道路工程的規劃設計、施工建造、運維管理階段的理論依據和應用實(shí)例，證實(shí)了BIM正向設計在道路工程中全生命周期各階段應用的可行性，這對建立基于BIM正向設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用價(jià)值。（來(lái)源：交通科技）

參考文獻

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