高速公路工程建設中對BIM技術的應用實踐

梁 磊

（山西交通科學研究院集團有限公司，山西 太原 030006）

高速公路項目投資大、周期長、參與方眾多，其最終的使用質量受到項目設計、施工、運維每一個環節的影響。為了保障高速公路的質量及安全滿足使用要求，實現項目進度與投資目標，將BIM技術應用到高速公路建設的各階段、各管理界面中，成為當前高速公路建設與管理提質增效的重要手段。BIM技術的管理核心在于信息的共享，這些信息涵蓋了項目自規劃到拆除的整個過程[1]，通過信息在各利益相關方之間完全共享，以全生命周期的整體性目標為指引，促進各利益相關人的目標協同。BIM技術改變了過去平面的、抽象的圖紙及文字表達方式，利用信息化、參數化、可視化的三維模型為載體，開展項目設計、施工與運營，極大地提升了管理效率。本文希望通過對高速公路項目BIM技術應用的研究，促進BIM技術公路建設領域的應用。

1 BIM技術的特點

1.1 可視化

BIM利用計算機技術實現項目的可視化，改變過去傳統CAD圖紙與文本的信息傳遞形式[2]，通過更直觀的三維模型與動畫等傳遞工程項目的各類信息。

a）BIM可視化與圖紙會審。以往的交底與圖紙會審依賴于CAD圖紙以及設計說明，其表現形式為抽象的二維圖紙和文本，但是建設實體是立體三維的，因此圖紙會審和交底依賴于各方的空間想象力及專業水平，在設計方、業主方、施工方之間可能存在著信息的多次跌失。應用BIM技術后，圖紙會審與交底將以三維模型為傳遞載體，各方通過信息平臺可以接觸到包含項目全部信息的三維模型，模型展示生動直觀，保證了信息傳遞的準確性、聯動性、實時性與一致性。

b）BIM可視化與虛擬現實。通過與虛擬現實技術的結合，依托模型創建虛擬可視化場景，進行三維模型的虛擬漫游，對施工組織與設計方案進行檢查。尤其對于部分具備破壞性、建設不易的項目，可以考慮采用將虛擬現實與BIM模型相結合。如在高速公路路線設計中，可以利用BIM參數模型，導入虛擬系統進行虛擬駕駛，通過速度參數的變化，檢查各運行速度下道路的各項指標是否滿足規范要求。又如在進行工程施工技術交底時，通過VR虛擬，向現場人員提供基于BIM模型的施工動畫，有利于深化一線施工人員對方案的理解。

圖1 利用BIM與虛擬現實的道路“試跑”

1.2 碰撞檢查與優化

場地設計、技術設計是施工組織設計的重要內容。

a）設計模型的檢查優化。目前國內高速公路項目在推廣總承包模式，施工方能夠深入參與到初步設計優化與施工圖設計，在此過程中，常常會出現各專業的碰撞現象。應用BIM技術，總承包方能夠通過計算機模擬與三維模型，對設計方案、生產方式、工作過程等進行檢查，通過碰撞檢測與參數檢測，模型中的錯漏碰缺會被明顯地發掘，方便對問題開展多角度、全方位的分析，提高設計的合理性、準確性。

b）施工場地碰撞優化。利用包含了所有場地、設備、構件等信息的BIM模型，項目管理人員可以根據構件及設備等的進出時間、幾何參數、工程使用情況等進行綜合分析，合理布置施工場地以及安排工序。同時利用設備、構件與場地參數的對比，不僅方便統計場地設施數量，更有利于提前發現設備、場地間的空間沖突，減少工地的安全隱患。

1.3 三維模型出圖

傳統的出圖依賴于靜止的、平面的CAD圖紙，限制了設計方與各方間的信息傳遞效果；而BIM則利用動態的、立體的、包含項目全部信息的三維模型作為信息傳遞的載體，實現了信息在各參與方間傳遞的一致性和完整性。與此同時，為了方便現行CAD模式的過渡，模型也可以向各單位輸出各視角的二維圖紙。豐富的信息搭載和可視化效果使項目在模型出圖環節就產生了合作效益。如在項目的建設過程中，通過基于三維模型的虛擬漫游，在向施工單位及建設單位匯報時，通過更加直觀的三維漫游視頻，將項目的整體及各局部的信息展示給各方，避免傳統圖紙文本匯報時的信息跌失，提高各方間的溝通效率。

1.4 促進各方協同

信息化技術為公路建設各參與方間的溝通提供了有效的方法，人們通過互聯網溝通實現了對時間空間限制的突破。通過構建BIM信息溝通平臺，結合多媒體、視頻監控、云服務，實現設計、施工、運營各階段信息的整合共享以及施工現場的實施監督，強化各方的目標協同。各方得以同時對BIM平臺中的某個模型展開實時的在線討論，通過網絡會議確定問題解決的方案，有利于協同交流成本的降低，提高建設效率[3]。

表1 BIM模式與傳統模式在建設管理中的區別

2 BIM在高速公路工程建設中的應用

2.1 用于高速公路建設的綜合管理

BIM技術在高速公路的綜合管理應用主要體現在成本、進度、質量、安全4個方面。通過包含工料機及項目使用信息的BIM模型，結合5DBIM技術進行動態成本管理；通過將時間進度軸加入BIM模型，結合工作計劃安排，利用4DBIM技術進行工程建設模擬與進度管理；通過運用BIM三維模型進行施工交底及技術培訓，結合現場視頻監控及云管理平臺，建立現代化質量管理體系；通過BIM技術展開各階段圖紙的碰撞檢查、在線會審解決沖突、施工場地安全模擬，合理確定材料機械安置點、場地建設等位置，消除營地的安全隱患。

2.2 用于可視化模型的構建

設計標高和原始地形對于高速公路項目的工程量具有關鍵性影響，運用BIM技術構建信息詳盡的地形模型是項目的基礎。在獲取高速公路項目地形的數據信息時，可以通過3D掃描技術實現地形的分段掃描，然后對區域內的點陣云數據進行處理，制作信息完整、精度較高的BIM地形模型，利用Civil 3D軟件生成對應等高線曲面。在放置道路模型時，首先需要使用BIM軟件結合設計圖紙繪制橫斷面模型，將模型導入等高線曲面中，生成各段道路模型，然后對超高加寬等進行處理。在Infraworks等軟件中，還可以利用軟件自帶的場景模型、小品等進行裝飾及渲染，輸出效果圖。

圖2 高速公路數字地形模型

圖3 利用BIM軟件繪制的高速公路模型

2.3 施工總體布局管理

通過將BIM技術應用到公路建設的施工現場布置及預制廠設置等工作環節，增強施工現場總體布局管理的合理性與可預見性。通過向施工現場模型、公路構件參數模型中導入資源模型，可以實現對施工場地的模擬布局，利用BIM可視化的特點，優化拌合站、預制廠設置和現場場地布局。同時，也可以將項目周邊實際環境與工程實際進展情況，進行參數化后，錄入信息化模型，布置施工營地的三維場地，結合進度計劃，實現材料、設備、營地的動態模擬與管理優化，通過動態化的模擬檢查，消除營地布局的不合理及不安全因素。

圖4 綜合場地布置的平面圖

2.4 用于方案的碰撞檢查與優化

在以往利用CAD圖紙進行管理的模式中，并沒有在設計階段真正重視方案中各專業的碰撞沖突，即便在深化設計中開展了此工作，也受限于各專業間的彼此不了解導致溝通效率不高、協調效果較差。往往只是根據各個平面圖中的標高及位置節點，進行各專業間的沖突檢查，然后針對關鍵部位繪制細部圖，因此難以全面、根本地解決各專業設計上的沖突。而BIM技術的應用，利用三維設計取代了原本平面設計，在同一個參數化模型中，所有專業的信息都能被可視化地直觀體現，即便各專業之間互相不了解，也可以通過真實尺寸建模，在模型中依據其他專業的條件開展本專業設計，避免了CAD圖紙的局限性表達。同時結合BIM技術的碰撞檢查功能，能夠整合各專業的模型信息，實現模型沖突點的顯示，方便各專業人員進行優化調整。

圖5 勁性骨架與鋼筋碰撞檢查

2.5 用于進度動態化管理

隨著建設項目的不斷推進，項目的建設信息、資源消耗信息會發生變化，并被及時錄入BIM信息平臺，基于信息化平臺，各方得以根據當前項目信息開展各目標的管理工作。運用4DBIM技術可以十分容易地實現分項控制，方便計劃進度與實際進度的對比。將動態可視化與時間軸加入BIM參數模型中，通過事先模擬，可以以當前進度情況為基礎，開展項目遠期預測，為制定進度糾偏方案提供決策依據。

圖6 BIM+4D技術與公路建設進度管理

2.6 可視化交底與質量管理

交底效果差、監管不力、處理不及時、反饋機制缺乏是項目質量管理存在的常見問題。通過BIM模型進行施工交底，利用動畫演示及VR虛擬漫游，加強施工人員對項目意圖的理解，提高技術能力，有利于促進高速公路的建設質量。同時通過搭建現場監控網絡與BIM協同平臺，方便項目各參與方開展實時監督管理，為強化質量控制和檢查效果提供保障。

圖7 利用BIM動態模擬指導施工

3 結語

總而言之，BIM技術對于提高高速公路建設效率與效益具有十分積極的意義。利用BIM在可視化、碰撞檢查、模型出圖、目標協同等方面的優勢，推動項目設計、施工、運營各環節與BIM技術的結合，有利于實現項目全壽命周期內的信息化管理，有利于促進項目整體價值的提升。