高速公路機電工程施工中BIM技術的運用

章紅斌

高速公路的建設是我國基礎建設中一項重要組成部分，如何提高對高速公路工程建設的管理是行業內一直在思索的問題。而BIM技術是一種新興的計算機技術，通過構建工程信息數據庫與工程虛擬模型能優化對高速公路機電工程施工的管理。本文以滁天高速項目為例，基于BIM技術中可視化、模擬性、協同性和兼容性的特點，探討了BIM技術在高速公路施工中的運用方式。

一、BIM技術概念簡述

BIM技術全稱為building Information modeling，即“建筑信息模型”。BIM技術通過電腦輔助設計軟件來搭建3D建筑模型，并通過數字化手段建立信息數據庫，讓建筑工程模型的各項信息與真實建筑工程信息保持一致。工程隊能通過BIM技術中的信息庫實時了解建筑工程幾何、空間運動狀態、材料屬性等信息，使建筑工程的信息集成化得到有效提高。而將BIM技術運用到高速公路建設工程中，能通過構建高速公路工程3D模型來對工程的施工計劃、施工進度、施工成本等方面進行管控，在保證工程施工質量的同時，還能促進各施工部門間的協同作業，優化施工流程，最終提高工程施工速度。

二、BIM技術特點

在傳統的高速公路建設工程管理中，管理者多是通過二維圖紙對工程的流程、進度與各項數據進行施工管控。即使在管理過程中使用到電腦技術，也多是應用于數據的分析與計算方面，這些數據最終還是以二維圖紙方式呈現。這種傳統的工程管理方式容易造成施工計劃與實際工程間的割裂，難以幫助工程管理人員實時把控工程細節，而BIM技術所具備的優勢能滿足高速公路建設工程管理需要。

1. 可視化

如圖1所示，通過將建筑工程數據輸入BIM系統中，能使平面圖紙數據轉變成3D立體模型。3D立體模型相比平面圖紙更能保證建筑工程的合理性，并且能幫助管理者與項目方通過可視化的建筑模型直觀了解工程內容，對工程各項數據進行有效分析。此外，當在3D模型的基礎上輸入相應的時間軸后，BIM系統可生成體現工程時間變化的4D模型，模擬工程在不同時間段的建設場景。4D模型可使管理者及項目方更好地管理工程施工進度，并在施工前對工程流程進行優化。

圖1 高速公路3D模型

2. 模擬性

BIM技術的核心功能是建立與現實工程一致的信息數據庫，該數據庫不僅能對建筑工程的各項數據進行綜合分析，還能通過改變工程內部構造或屬性數據等方式對工程施工的效果進行模擬。如圖2所示，工程隊通過BIM技術的模擬功能，可提前檢測工程項目各環節是否合理且滿足工程要求，然后及時對施工方案中的不足進行修改，或找出工程實施的最優方案，降低工程施工成本，保障工程施工質量。

圖2 BIM技術工程模擬圖

3. 協同性

BIM技術本質上是一個信息處理系統，通過對數據的分流與集成，能提高工程隊各部門間的協同能力，使工程項目的管理更科學有效。例如，道路建設工程受施工現場環境影響大，當現場環境出現變化時，道路的施工設計也要隨之調整。如果使用傳統的項目管理方式，項目方就必須依次修改施工圖紙、通知施工隊員、重新商討施工方案等，修改過程中不可避免的會花費額外的人力、資金與時間成本。而BIM技術能讓工程數據在各方間實時傳遞，當施工技術人員將環境數據傳輸到系統中后，工程設計師與其他負責人就能及時對施工方案進行修改，并將修改結果第一時間發送給現場施工人員。BIM技術對多方數據同步而高效的處理功能使部門間的合作溝通變得更便利，有效提高工程施工效率。

4. 兼容性

隨著工程信息技術的發展，在建筑工程施工中，工程隊往往會使用多種信息技術對工程項目展開測量。目前常見的工程文件格式以dwg、sat等為主，對工程數據進行整合時還會使用odbc或excel等程序。而BIM技術能兼容多種格式的文件，并能對不同類型的工程文件進行高效傳輸與交換，提高構建信息數據庫的效率，減少因文件格式不互通而重復處理計算數據的麻煩。

三、BIM技術在高速公路機電工程施工中的具體應用

1. 工程介紹

滁天高速項目路線起自來安縣水口鎮夾埂村，順接滁馬高速（滁州東樞紐）；向北跨越規劃的中央大道延伸線設置來安南互通，在玉代村西南側依次跨越規劃 F001、G345（原 S312），在玉代村北側與規劃的來六高速交叉，之后在仰山村西側繞過滁州市桃文化節景區，路線在長山林場北側下穿國道 G345，轉向東北展線，在南側避開長山峽谷漂流景區，于半塔鎮興隆鄉南上跨 G235 國道（原 S238 省道）設置半塔互通； 路線在釜山鎮南與 G25 長深高速交叉設置釜山樞紐互通，路線向東設置分離式立交上跨 G205；終點與宿揚高速連接設置鄭集樞紐。路線全長 67.135km。

2. 技術架構

由于項目工程情況復雜，為提高項目建設質量，在項目建設過程中工程隊采取了多種BIM技術，并通過SpringBoot來架構數據平臺，實現不同類型和格式間的數據互通，使工程各階段的系統數據能安全、有效、快捷的傳輸。在項目中具體應用的BIM技術如下：

（1）BIM建模技術

工程隊在項目中主要通過Autodesk軟件來建立BIM三維模型。首先，根據工程設計圖紙中的數據來分別建立工程各構件，并通過優化渲染技術的方式來減小每個構件的體量，確保在BIM系統在運行中能保持流暢的速度，不會出現卡頓、穿模或構件造型缺失的情況。當各構件的三維模型建立完畢后，再將其進行一一拼配。最后將拼配好的模型導入到BIM系統中，構建相應的模型基礎。

（2）可視化技術

為實現BIM技術中可視化功能，搭建高速公路項目周邊的實景模型，使工程隊能更清晰地了解工程地區的地理環境、居民建筑、植被河流等分布情況，可搭建GIS數據平臺，依托WebGL技術對工程地區進行無人機航測，并對測量的數據與實景模型中的縱橫坐標進行統一，確保實景模型與現實情況相符。

（3）工程動態管理技術

BIM的工程動態管理系統主要包括施工動態管理、施工安全與沖突分析、施工過程模擬與優化、施工碰撞與檢測四個子模塊。其系統的構造是基于BIM三維建筑信息數據庫及加入時間軸的4D建筑信息模型技術來實現。在該系統中，通過架構以瀏覽器（Browser）/服務器（Server）為基礎的內網及以客戶機（Client）/服務器（Server）為基礎的外網使BIM數據庫中的資料能夠實時共享，最終為項目提供進度管理和智能決策的功能。例如，在4D施工動態管理模塊中，通過BIM技術收集現場施工數據，利用系統中的模擬功能對施工進度進行模擬，能幫助工程管理人員更改時間不合理的工期，把控每一階段的工程進度，進而提高工程施工的效率。

3. BIM技術具體應用

（1）BIM技術在機電工程策劃中的應用

在高速公路工程方案策劃的階段，通過將BIM技術與Infraworks軟件結合可構建工程地區周邊地理環境、居民建筑、植被河流模型，在模型構建過程中，要以施工區域內的坡度、高程、流域數據為基礎。如圖3所示，通過參考高程數據信息，工程隊能夠利用BIM技術還原工程地區的原始地貌，使工程隊能夠深入了解施工現場實際地形，優化項目策劃方案和機電設備布局方案。

圖3 利用BIM技術搭建工程三維模型

（2）BIM技術在公路布局中的應用

為確保高速公路的設計等級與設計時速符合工程標準，工程隊可依托BIM技術來優化調整高速公路設計方案中的具體參數。例如，在設計高速公路的縱斷面時，設計方案必須依據地形充分考慮公路的排水和凈空問題，然后依照平曲面準則來控制公路的高程。此外，縱面的設計方案還必須要考慮道路交叉口的因素，通過BIM技術對現場工程數據進行分析，并使用Dynamo和RECIT軟件，參照曲面數據來對公路進行建模，降低高速公路道路交叉點和轉彎處等重點部分的設計難度。通過使用BIM技術將高速公路二維的場地圖紙轉換成可視化三維模型，根據施工計劃添加相應的時間軸，還能方便工程管理人員清晰的看到施工現場在不同時期的布局，合理布置機電設備的位置。

（3）BIM技術在管道碰撞檢測中的應用

道路線纜管布局方案是高速公路機電工程中的一項重點內容，而BIM技術能夠幫助工程隊優化線纜管的布局方案。在設計布局時，通過在設計圖中標準線纜管的裝配位置，包括管道的起始點、關鍵節點和中心線等，然后運用BIM技術優化線纜管的配置方案。此外，管道的碰撞情況容易在高速公路機電工程施工中出現，而BIM技術能對線纜管工中可能出現的碰撞風險進行管控。通過輸入線纜管數據信息建立三維模型，能直觀地觀測線纜管系統中的各區域與各部分之間是否存在設計上的沖突，利用BIM技術對管線管網布局進行沖突檢測和碰撞檢測，盡可能的優化管道布局，保障工程質量。

（4）BIM技術在機電設備施工中的應用

BIM技術可將二維設計圖紙導出成三維施工效果圖，對高速公路中的監控設備、收費設備和通信設備等進行分類標注，并可通過BIM系統對公路中的機電設備進行全方位的瀏覽，深入了解施工信息。例如，在進行高速公路光纜安裝時，工程隊先通過BIM三維模型中篩選出涉及光纜安裝的構件，對它們進行標注。然后通過將光纜配盤、光纜敷設、光纜接續和接地、光纜成端與配線架安裝接線、光纜標識安裝這5個步驟預設成5種顏色，讓它們在BIM系統中分別顯示，能使工程隊通過系統直觀地把控光纜安裝的全過程。提高光纜安裝工作的效率。

（5）BIM技術在機電設備管理中的應用

通過BIM的數據資料庫，工程隊可線上查看機電工程相關設備的品牌信息、造價、所在位置、計劃完工時間等信息，能有效幫助施工人員快速定位某一機電設備。在對機電設備進行使用測試時，BIM系統還能自動生成測試與維護計劃，合理安排機電設備測試時間。當檢測人員發現設備出現問題后，也可通過BIM技術快速對設備的問題進行登記。在故障登記后，BIM系統會自動派發故障數據給維修人員，并將設備的構件圖紙、產品信息、維修資料等同步提供給維修人員，方便人員進行維修。在維修完成后，BIM系統還會自動生成維修記錄，對設備故障情況進行整理，方便開展機電設備后續的管理工作。

四、結語

BIM技術是一種基于數據整合和三維模型建立的新興建筑信息模型分析技術，其可視化、模擬性、協同性和兼容性的優點符合高速公路機電工程施工的需要。在高速公路機電工程施工中應用BIM技術，能有效優化施工方案、降低施工成本，并提高工程管理人員對于施工過程中的工程進度、工程質量、工程安全與工程資料的管理效率，為高速公路機電工程施工管理提供更好的支持。