BIM正向設計在道路工程全生命周期中的應用研究

崔志勇，呂春磊，王艷晗，尹貽新

(1.泰安市交通運輸局 泰安市 271000； 2.河南理工大學 焦作市 454000；3.北京林業大學 水土保持學院 北京市 100083； 4.山東泰山路橋工程公司 泰安市 271000)

0 引言

BIM技術(Building Information Modeling)通過建筑工程項目的各相關方的信息協同，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，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，也為項目各個參與方提供協同工作和交流的平臺。

交通行業有別于建筑行業，不同點在于其呈帶狀分布，具有與地形結合緊密、區域范圍廣、結構形式復雜、設計專業多、數據海量等特點，致使道路工程在傳統的CAD二維圖紙設計與技術交底過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，進而導致施工進度緩慢，安全、質量問題頻發，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技術直接由三維建模控制模型信息，可以很大程度上減少設計階段由選線帶來的龐大工程量，把出現的工程問題及時反饋給工程管理和設計人員，解決由施工現場難以模擬引發的施工質量問題。

目前，國內建筑行業提出了BIM正向設計的理念，直接在三維環境下進行設計，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正向設計進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正向設計進行道路工程建設、施工及管理的研究及實例尚不多見，結合BIM正向設計理論基礎及實例應用，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 建立虛擬地理環境建模平臺進行選線設計

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。若建立一個基于網絡地理信息系統和三維地理信息系統的虛擬地理環境建模平臺(架構圖見圖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。

圖1 虛擬地理環境建模平臺架構圖

一方面，可通過SRTM高程數據、Google Maps影像等開放網絡地理信息資源的獲取與利用技術的研究；另一方面，利用全數字攝影測量系統，可通過航攝像片、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Civil3D、SuperMap、Infraworks等軟件平臺建立公路線形模型，同時利用仿真技術和三維顯示設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。

1.2 利用DEM法進行土方量計算

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體地面模型[1]。利用DEM法對土方量進行計算實質上是計算初始地面與設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，和傳統方法相比，通過三維模式下兩個曲面的比較則更為準確。計算的具體步驟見表1。

表1 土方量計算步驟

BIM通過建立3D關聯數據庫，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，在表單域(Field)設置所需條件對構件的工程信息進行篩選，并利用軟件自帶表單統計功能(Schedule)完成相關構件的工程量統計[2]。

2 BIM正向設計在道路工程施工建造階段的應用

2.1 BIM技術在施工方案和施工進度中的應用

傳統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的運用，實現施工的可視化管理[3]，利用4D虛擬施工是用廣聯達、斯維爾等提供的BIM5D的虛擬仿真環境，通過軟件平臺將道路模型導入，進行施工段分區、施工方案設計和虛擬推演，加入時間進度以動態檢查方案可行性，并且系統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，動態掌控實際施工進度與施工計劃的關系，及時調整施工順序，安排施工區段進場時間，使高速公路施工技術管理實現科學性、規范性。

2.2 基于BIM模型進行虛擬施工現場模擬

BIM技術與其他技術最大不同就是使用參數代替數據信息進行建模。將公路工程中各種數據信息以參數的形式表示，對不同參數進行分析，實現公路工程三維、立體模型的建立，能夠準確、清晰地將不同施工環節以不同參數的關系表現出來[4]。通過建立施工現場及設備布置模型，一比一模擬道路實際施工場地，自動定義施工設施的4D屬性。點取任意設施實體，可查詢其名稱、類型、型號以及計劃設置時間等施工屬性，并可進行場地設施的信息統計等，將場地布置與施工進度對應，形成4D動態的現場管理[5]。通過建立三維施工現場模型，布置設備放置位置、控制進場時間、綜合管理料區、模擬吊裝過程，讓各區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、安裝時間進行調控，將一定程度上解決因施工現場布置不當造成的施工質量和工期延誤問題，施工現場模擬見圖2。

圖2 某路段施工過程模擬

2.3 BIM技術在道路施工安全、技術交底中的應用

在公路施工過程中，需要對施工隊伍進行具有可操作性、符合技術規范的分項工程施工和安全技術交底。BIM技術通過三維數字模型的建立與建筑工程項目相關的各項信息進行集成，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，可實現細部構件的提取和可視化管理[6]。運用BIM技術對道路工程分部、分段的分析，將重要的施工環節、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場數據，建立現場質量缺陷、安全隱患等數據缺陷，與三維模型實時關聯更新，將問題可視化，及時糾正，做好統計分析，保證施工正常進行。

3 BIM正向設計在道路工程運營維護階段的應用

3.1 BIM和GIS的集成實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，可建立基礎地理數據的快速采集和帶狀三維場景的無縫集成，通過對檢測設備和系統綜合集成，提高可視性和協同性[7]。IFC(Industry Foundation Classes)和CityGML(City Geography Markup Language)分別作為BIM和3DGIS領域通用的數據模型標準[8]，兩類數據模型的幾何、語義信息共享為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領域和軟件平臺的無損轉換和無縫連接[10]，從而實現一種從BIM實體模型自動提取多細度層次GIS表面模型的方法，為線形工程數據整合、輔助運維管理奠定了良好基礎。

利用傳感器和移動測量系統建立實景三維GIS系統，結合竣工模型對道路的每一個區段、設備、構筑物進行實時監測，及時調取數據參數，導入路網實時數據庫和歷史數據庫，建立道路動態養護平臺，有利于應急搶險的科學快速決策，實現道路工程全生命周期內模型、數據的統一存儲、分析。架構圖見圖3。

圖3 道路養護信息系統架構圖

3.2 BIM技術在道路工程信息化運營管理中的應用

道路工程的維護工作是一項復雜的系統工程，它需聯系到道路工程的建設、施工階段的信息資料，而且具有專業性強、機動化程度高，時效性強等特點，同時，國內道路工程的維護存在新設備投入率低[9]，作業信息化程度低[6]，維護經費匱乏等現狀。因而，運用BIM技術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題，實現設備故障報修，定期定段養護提醒以及智能化維護尤為必要。通過三維模型進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，各個相關方對數據庫中信息進行提取、篩選，實時掌握道路運行情況和設備維修位置，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。

圖4 道路運維管理平臺架構圖

此外,模型管理也是極為重要的環節，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，借助于點擊BIM模型，對模型內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聯系統,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，其能夠行之有效地提高工作質量與工作效率。

4 總結

相較于BIM技術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BIM正向設計是當下BIM技術應用的熱點。通過闡述BIM技術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例，證實了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方案的確立具有前瞻意義和應用價值。