基于BIM的機場道路工程智慧施工應用研究

陶 妹 向世軍 向 宇 符志強 伍朝輝

(1.湘西厚驛交通建設投資有限責任公司 湘西 416000; 2.湘西自治州交通建設質量安全監督站 湘西 416000;3.湘西自治州交通規劃辦 湘西 416000; 4.交通運輸部科學研究院 北京 100029)

建筑信息模型(building information modeling,BIM)[1-2]為公路施工的直觀表達、信息傳遞、協同工作等提供了數據與工具支持。2017年1月22日，交通運輸部印發的《關于推進智慧交通發展行動計劃(2017-2020年)》[3]中提出“深化BIM技術在公路、水運領域應用”。2020年8月3日，交通運輸部印發的《關于推動交通運輸領域新型基礎設施建設的指導意見》[4]中提出“鼓勵在項目全生命周期協同應用建筑信息模型(BIM)技術，促進產業基礎能力提升”。

公路工程具有量大面廣線長、大面積地表模型、地質模型復雜、不規則路基、長距離的空間地理位置關系等典型特點[5-6]，故傳統圖紙方式溝通成本高，而BIM技術施工應用有助于提高工程溝通效率。國內外研究人員[7-8]開展了較為廣泛的BIM公路工程施工應用，中交、中鐵、中建等企業也將BIM施工應用作為企業發展的重要戰略方向之一。目前，BIM公路施工應用主要集中在碰撞檢測、模型展示、空間分析、力學分析等方面。也有研究人員[9-10]將工程主體的設計信息和建設信息融入到模型當中，使得模型信息具有了可傳遞性，從而在全生命周期中為各需求方提供工程數據支持。

總體而言，國內公路工程BIM施工應用已經廣泛開展，但仍存在一些亟待解決的問題：①缺少符合普通公路工程特點與管理需求的BIM應用內容設計；②缺少針對普通公路工程的BIM施工示范應用。

針對以上問題，本項目以湘西機場進場道路工程為示范，在分析工程特點與管理需求的基礎上，對BIM施工應用目標、應用內容、模型要求、集成平臺功能等進行策劃與分析，結合工程實際與施工要求，對基于BIM的湘西機場路智慧施工實施與創新應用進行分析，以期為同類型公路工程BIM施工應用提供經驗與案例參考。

1 工程特點

湘西機場進場路工程地處湘西州花垣縣，是連接湘西機場和G65包茂高速公路(吉茶段)以及國道G319/G209的快捷通道，主線全長5.084 km。湘西機場進場路工程體量不大，工程特點主要體現在以下3個方面：①結構對象豐富、特大橋施工難度大：工程包含了道路、橋梁、涵洞、互通立交、收費站等多類結構對象，橋梁比達到51%，控制性工程為高樂吉一橋特大橋施工，最高落差超過70 m；②聯通要求高、工期要求緊：工程連通機場至G65、國道G319/G209，為機場與周邊主干公路網的聯通要道，為保證湘西機場順利通航，工程工期明確，進度管理要求高；③挖填不平衡、環保要求高：工程位于山嶺重丘區，施工環保要求高，路基挖方大于填方，棄方量較大，環保要求高。工程結構豐富、工期明確、體量適中等特點使得本工程BIM應用在普通公路工程中具有較好的示范價值。

結合湘西機場進場道路工程特點和施工管理需求，策劃BIM施工應用的目標包括：①多類結構對象的施工信息集成管理；②施工進度管理，滿足機場通航需求；③實現設計、施工與運營的數據傳遞，形成普通公路BIM施工應用示范。

2 BIM智慧施工應用

以BIM施工管理為目標，結合湘西機場進場路工程的實際情況，在工程BIM電子沙盤、施工數據集成、施工進度管理、施工安全監控等方面開展了BIM智慧施工應用與創新。

2.1 施工BIM電子沙盤

BIM電子沙盤是指集成全線的多結構對象的工程信息、BIM模型和資產信息，支持用戶多尺度的工程信息查看、場景漫游和數字資產管理的信息化平臺。通過BIM建模、模型融合和數據集成，形成湘西機場進場路工程BIM電子沙盤見圖1。

圖1 BIM電子沙盤示例效果

BIM電子沙盤支持以直觀方式對構建出的場景模型進行三維查看，并可通過空間測距的方式來優化周邊場地布置。在施工便道和取棄土場的規劃與設計方面，通過電子沙盤對周遭地形的宏觀查看，支持施工便道和取棄土場方案的定量分析與輔助決策，減少各工作面的運輸路程，進而增強各施工場地交通運輸的銜接性。

2.2 施工數據BIM集成管理

在公路施工過程中，包含數量眾多的設計圖紙及工程建設數據，隨著設計變更與施工進展，不同版本的數據匯聚會造成建設方、管理方及設計方等部門的溝通與管理困難。通過BIM模型的屬性建模對龐雜的施工過程數據進行集成，并將其依時序匯聚至模型構件中，形成對建設數據可視化的直觀表達，支持各參與單位各階段的數據傳遞，最大程度提高數據表達的流暢性、完整性與一致性，BIM模型管理與數據集成示例見圖2。

圖2 橋梁模型管理與信息集成示例

圖2所示為高樂吉一橋的BIM模型管理示例，共有BIM構件349個，通過BIM模型的集成，將橋梁的T梁、樁基、承臺、墩柱等各類構件及屬性信息進行匯聚，實現直觀的設計要求、施工物料、施工責任人、施工過程等數據的查核與管理。

2.3 圖紙校核與設計變更

在施工實施之前對所構建的橋梁模型進行碰撞檢測，見圖3a)，可以大大減少施工變更的數量，提高施工效率。利用Navisworks對橋梁構件進行碰撞檢測，施工圖設計人員根據檢測結果進行分析調整，直到得到滿足專業要求的設計方案，從而減少了設計變更及施工返工。另外，通過BIM技術構建出的實體模型能夠將二維圖紙上的工程信息立體化，能夠真實反映出二維圖紙所包含的建筑信息在現實中的情況，再將其與二維圖紙作比較，尋找出其中的差別，從而判斷工程項目的設計與規劃是否滿足實際情況需求、是否需要修改方案，澎湖大橋設計變更示例見圖3b)。

圖3 設計變更結果示例

如圖3b)，澎湖大橋原設計方案為170 m的T形簡支梁橋，經過BIM建模與填挖方定量分析，發現該區域地形起伏并不顯著，且這一地區沒有積水和河流貫穿，通過進一步開展填挖方量和成本對比，發現直接填方的成本遠小于橋梁建設。基于分析結果，進行了施工階段的設計變更，在維持原平縱指標的前提下，將原澎湖大橋改為路基施工，不僅節約了施工成本，還提高了施工效率。

2.4 施工進度管理

對項目工程的進度管理是項目建設當中的重點控制環節，它關聯著項目工程的前期投資及后期運營收益等環節。傳統施工過程中，施工人員需自行對照CAD圖紙進行工期的計劃，還需要制定工期計劃表來制定工期方案，過程較為繁瑣和復雜。基于BIM施工進度管理，可以改變以往二維項目管理模式的局限性，實現三維的工程進度管理。BIM技術可以實現三維立體施工模擬效果，并可隨時根據工程實際開展情況調整進度計劃，實現現場施工與BIM模型的快速比對，從而及時發現問題，依托工程進度管理示例見圖4。

圖4 施工進度管理示例

如圖4利用BIM模型對施工任務進行WBS分解，將完成、未完成、超前、延期的任務單元以不同顏色進行著色對比，使業主可以“一張圖”直觀掌握控制性工程施工進展。還可以通過分屏對比實際工期與計劃工期的差異性，以時間橫軸來控制工程進度的進行，在進度對比的同時能夠顯示每一個構件的開始建造時間和完成時間，以及名稱、數量、順延時間等信息，直觀掌握整個工程的計劃、實際進度，并明確工程進度延期的狀態，以便合理安排下一步施工方案。

2.5 施工安全監控管理

在公路工程施工現場安全監管過程中，由于工程線條較長、結構對象較多、各施工現場環境復雜等原因，項目安全管理人員對各項目建設的質量安全狀況的掌控具有隨機性和不確定性。因此，需要結合施工場地模型與施工場地監控數據，構建施工遠程監控系統，工程棄土場全景監控示例見圖5。

圖5 重要點位全景監控效果示例

如圖5所示，通過將分時采集的全景影像與BIM模型、電子沙盤進行三維集成，可以以全景模式直觀查看棄土場當前和歷史的情況。還可以在BIM施工管理平臺中，通過接入的施工安全監控視頻實時監察施工現場生產調度、施工質量、安全與現場文明施工和環境保護等情況，使得安全管理人員對施工現場安全狀況能夠隨時掌握，及時發現安全隱患，保證生產質量。

2.6 施工場地布置

施工場地布置指的是工程項目中臨建場所、拌和站、鋼筋加工場、梁場的布置與規劃。BIM技術的可視化特性能夠完美地將這些臨建設施呈現出來，讓場站區域能夠更加合理地被規劃，增加其實用面積，工程拌和站場地布置示例見圖6。

圖6 施工場地布置示例

如圖6所示，在鋼筋加工場、梁場、拌和站等區域，通過運輸路線的規劃與仿真，提高了預制構件的運輸效率，減少資源的浪費，從而加快施工進度，保證人、機、材的順利供應。

2.7 配筋分析與自動算量

在施工過程中隨著作業面、材料種類、參與人員的增加，產生大量難以處理的施工過程數據，為解決這一問題，可以利用BIM模型對施工的物料、造價等數據進行估算和科學管理，橋梁鋼筋自動算量示例見圖7。圖7a)為橋面板BIM配筋建模與算量的示例，圖7b)為參數化橋梁模型中算量相關屬性建模與自動更新的效果示例，在Revit中，將所有的鋼筋數量以及所需混凝土噸數以編程的形式添加進橋梁構件的屬性中，隨著自適應族的變化，鋼筋的數量以及混凝土噸數也會隨之改變，避免人工計算的錯誤，大大提高計算效率。

在施工過程中，利用BIM技術的信息集成、模擬分析、三維呈現、空間定位等優勢，實現了施工過程中的施工信息歸集、進度推演與延期提醒、施工安全遠程監控、BIM算量與成本快速估算等智慧施工應用。利用BIM模型和數據還可以進一步支持施工現場移動巡檢、質量監測分析、重點工序遠程督查、數據超限超標報警、數據跟蹤查詢，輔助支持施工安全檢查、進度控制和工程監理施工管理。

3 BIM智慧施工應用效果與分析

結合湘西機場進場路工程實際與BIM應用目標，對BIM智慧施工的施工信息集成、施工進度管理、不同階段信息傳遞等應用效果進行分析。

3.1 BIM智慧施工管理平臺

湘西機場進場路BIM智慧管理平臺集成公路、橋梁、互通立交等各項目專業化精細模型，并以模型為主要載體，聯合進度、合同、安全、質量、人力、物料、圖紙，以及施工日志等信息，通過BIM技術為客戶提供綜合應用管理服務。結合工程現狀與業主管理需求，平臺采用C/S方式來進行軟件部署和訪問，軟件架構具備很好的開放性，提供完整的開發接口，主要通過接口來調用地理信息數據及服務，能夠滿足主流平臺和跨平臺快速應用開發的需要。BIM智慧管理平臺包括9個主要功能模塊，見圖8，分別為：工程概況、電子沙盤、模型管理、進度管理、形象進度、施工模擬、全景監控、大數據管理、資料管理，用于集成工程基礎信息、BIM模型、BIM模型應用結果與功能。

圖8 BIM智慧施工管理平臺功能界面

湘西機場進場路BIM智慧施工管理平臺實現基于BIM的公路工程項目精細化管理，為項目的進度、成本、質量、安全管控提供及時準確信息和管理工具。

3.2 BIM智慧施工應用效果

以湘西機場進場路為應用示范，利用BIM技術實現工程施工過程中的進度、質量、安全的管理與協調。

1) 多類結構對象的施工信息集成。用戶可以自由的漫游或手動交互的形式查看工程全線的不同結構對象，見圖9a)，系統提供了一個BIM三維電子沙盤，方便管理查看與輔助決策，實現湘西機場進場路工程的交互式漫游，右上角小地圖是實時對應三維位置，支持場景中橋梁、互通等重要結構對象點選查看。對于控制性工程，提供構件級的集成與屬性查看，見圖9b)，用戶可以更加自主地對結構對象進行查看與溯源。

圖9 工程結構對象集成功能示例

2) 施工進度管理。利用BIM模型實現工程施工進度的統一管理和直觀呈現，提供2種進度管理功能(見圖10a))，①對于工程全線整體采用計劃和實際對比的方式，直觀展示兩者之間的差異；②對于控制性工程采用畫圖板的形式，見圖10b)，將完成和未完成的任務以構件級進行展示，支持用戶直接打印輸出。

圖10 施工進度管理功能示例

2種功能的數據來自于同一數據庫，保持數據更新的一致性。用戶可以上傳進度信息，并在BIM模型上將進度進行直觀展現，支持實際進度與施工組織計劃的直觀對比、工程施工復盤等。支持進度計劃可視化，清晰直觀地了解各個時間節點完成的工程量和達到的效果。支持工程進度預警，如果工程進度延期，模型會標紅代表施工延期，彈出進度信息欄提示進度已延期，方便管理人員根據警示有針對地制定切實可行的施工安排。

3) 設計、施工與運營的數據集成與傳遞。將設計階段的模型與關鍵數據傳遞給施工階段，并為運維階段的BIM應用與平臺開發預留可擴展性，實現設計、施工與運營階段的數據傳遞。

BIM模型最大的特點就是將工程項目的所有信息集成在一套完整的模型中，并能夠很好地兼容其他軟件系統，為工程建設提供強大的數據支撐和信息保障。圖11a)為工程資料管理功能，實現將工程涉及到的資料統一管理；圖11b)為視頻數據集成功能，實現專項施工模擬動畫，及監理要求的安全警示案例視頻在該平臺中集成，方便進行視頻管理；圖11c)為工程的基本信息集成效果；圖11d)為工程大數據集成管理功能，將工程的物料、土方、水泥、算量、投資等關鍵數據及分析結果進行可視化顯示。

圖11 工程數據集成與傳遞功能示例

通過以上功能的實施，實現了工程基本信息、模型信息和施工管理功能的數據集成，并為設計、施工和運維階段的數據傳遞提供了工具支持。

與傳統施工管理相比，施工BIM應用實現了施工過程資料的數字化集成，施工進度的一張圖管控、工程管理的三維可視化分析，為普通公路工程的施工管理提供信息化技術與工具支持。示范工程通過數字沙盤和模型管理實現了工程全線結構對象的數據集成，并打破了設計、施工與運維階段的數據壁壘，實現關鍵數據與模型的數字化傳遞與交付。通過BIM圖紙校核和碰撞檢測，提前發現設計中的問題，提高了工程施工效率。通過BIM施工模擬和進度管理，合理優化工期，管控施工進度，滿足機場通航的時間節點要求。工程BIM模型與前期應用成果還將數字交付到建成后的道路養護中，繼續開展BIM運維管理相關的應用，推動BIM技術在工程全生命周期的示范應用。

4 結語

BIM為智慧施工提供了手段和方法，文中針對目前BIM公路施工應用中存在的問題，以湘西機場進場路工程為依托，對公路工程BIM智慧施工應用關鍵技術與方法進行研究與實踐。結合示范工程特點與建設需求，對BIM施工應用的目標、內容和模型要求進行了分析，重點介紹了BIM電子沙盤、施工數據集成、BIM模型管理、施工進度管理、施工安全監控、BIM算量與成本快速估算等智慧施工應用，為施工階段的工程成本、進度、安全和資料管理提供數據與工具支持。通過示范工程的BIM施工應用、平臺開發和管理實施，實現了工程全線施工過程信息的集成管理，滿足了工期要求，并支持施工數據向養護階段的標準化交付。依托工程BIM施工管理經驗對西南山區山嶺重丘公路建設具有較好示范價值。下一步工作將重點圍繞BIM數字化交付標準與實踐、BIM公路病害建模與養護應用等內容展開。