BIM技術(shù)在公路改擴建工程中的應(yīng)用

劉彥君

（甘肅省交通科學(xué)研究院集團有限公司，甘肅蘭州 730000）

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟的不斷進步與發(fā)展，公路交通運輸量也在不斷增加，然而部分使用時間較長的公路設(shè)計荷載標準較低，已不能完全滿足當前交通運輸?shù)南嚓P(guān)需求，導(dǎo)致公路交通通行能力與大眾通行需求、通行質(zhì)量之間產(chǎn)生了矛盾，需要開展公路改擴建工程，為我國交通運輸事業(yè)的持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造條件。BIM是建筑業(yè)的一項前沿技術(shù)，如何充分發(fā)揮BIM 技術(shù)的積極作用，解決當前交通基礎(chǔ)設(shè)施面臨的各項難題與挑戰(zhàn)，成為我國交通運輸行業(yè)的重要研究課題。

1 BIM 技術(shù)概念

BIM 技術(shù)最早出現(xiàn)于20 世紀70 年代，經(jīng)過系統(tǒng)研究，該技術(shù)最終被確定為工程建設(shè)全周期模型的集合體，能夠存儲與施工進度、狀態(tài)等有關(guān)的重要數(shù)據(jù)，是一個規(guī)模較大、實用性較強的數(shù)據(jù)庫。在傳統(tǒng)的施工項目中，設(shè)計人員大多通過繪制圖紙的方法進行數(shù)據(jù)計算，一方面，這種方式存在準確性較低的問題，為施工管理提供的參考十分有限；另一方面，人工計算的方式很難結(jié)合特定的工程尺寸進行靈活調(diào)整。而BIM 技術(shù)是一種綜合性較強的技術(shù)，它可以通過元素模擬直觀呈現(xiàn)出房屋構(gòu)件及整體構(gòu)造的物體特征。因此，基于BIM 技術(shù)預(yù)模擬建設(shè)項目，有助于不斷優(yōu)化設(shè)計方案，提升工程設(shè)計的精度。

2 公路改擴建工程的特點分析

2.1 交通導(dǎo)行壓力大

隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，交通運輸需求越來越大。為減少公路改擴建工程實施對我國社會發(fā)展的影響，一些區(qū)域建議在施工過程中維持雙向四車道路的正常運營。因此，公路改擴建工程的實施面臨著巨大的交通壓力，必須重視前期策劃工作的開展。

2.2 結(jié)構(gòu)拼寬要求高

由于原工程結(jié)構(gòu)的地基沉降已達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)，公路改擴建工程實施時，或多或少會與原設(shè)計圖紙標高存在偏差。因此，實施公路改擴建工程前需要分析原始結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙的參考性，必要時可摒棄原設(shè)計方案，對全線進行重新測量。并且，施工過程中，必須對結(jié)構(gòu)標高進行二次復(fù)核，以保證其符合有關(guān)施工質(zhì)量標準。此外，在公路改擴建項目中，由于大部分頂升工作都是在狹窄的場地內(nèi)進行，因此施工難度較大。為此，可采用頂升與拼接工藝進行處理，以有效提升施工效果。

2.3 廢料循環(huán)利用

統(tǒng)籌規(guī)劃、綠色環(huán)保是公路改擴建工程實施的基本原則，也是貫徹落實可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要路徑。基于此，可重復(fù)利用瀝青混凝土面層、路緣石等廢料資源。

3 BIM 技術(shù)在公路改擴建工程中的應(yīng)用

3.1 BIM+圖紙深化設(shè)計

由于公路橋梁主體結(jié)構(gòu)容易受到天氣、車輛荷載等因素的影響，隨著使用時間的增加，公路橋梁主體結(jié)構(gòu)不可避免地會產(chǎn)生沉降變形。該問題會對已建成的工程實體的各部位標高造成一定的影響[1]。因此，有關(guān)部門有必要對整個線路進行重新測量，并根據(jù)實際情況建立新的結(jié)構(gòu)視圖。

利用BIM 技術(shù)的精確屬性進行精確建模，以新老公路交界處為施工關(guān)鍵點，由測量部準確獲取（x，y，z）的坐標，將數(shù)據(jù)匯總提交給BIM 技術(shù)實施者，基于BIM 技術(shù)開展結(jié)構(gòu)逆向復(fù)核，從而驗證其合理性和準確性。在設(shè)計圖紙時，相鄰結(jié)構(gòu)的圖號可能不能出現(xiàn)在同一圖紙中，這會使圖紙之間的相關(guān)性受到影響，也容易使施工人員在讀取圖紙內(nèi)容時出現(xiàn)理解方面的偏差。

基于BIM 精確模型的圖紙設(shè)計，可將結(jié)構(gòu)尺寸、圖號等相關(guān)信息嵌入二維碼中，施工人員掃描二維碼就能獲取標高的準確數(shù)據(jù)及該圖紙的適用范圍等。為最大程度地發(fā)揮3D 模型的引導(dǎo)作用，可將最終的圖紙導(dǎo)出為“*.u3d”格式，并將其置于Acrobat 動態(tài)模型，之后即可以進行平移、模擬測量等多項操作，施工人員不需要額外安裝軟件就能夠查看相關(guān)信息，數(shù)據(jù)信息的獲取更加便捷高效。

3.2 BIM+構(gòu)建碰撞檢查

公路改擴建工程中，需要通過碰撞檢查發(fā)現(xiàn)各專業(yè)之間存在的相互關(guān)系，利用Navsiworks 生成碰撞分析報告，據(jù)此對圖紙設(shè)計的準確性進行檢驗。近年來，生活水平的提升使人們的審美觀念發(fā)生了較大變化，非線性設(shè)計已逐步成為各類型建筑的主要發(fā)展方向。但該設(shè)計類型難度相對較大，其中出現(xiàn)的交叉碰撞點也更多。例如，公路改擴建工程的實施會涉及橋梁上部，而橋梁上部的預(yù)應(yīng)力鋼筋、普通鋼筋數(shù)量較多、形狀各異。為此，在碰撞檢查過程中，可將一個鋼筋視為一個圖元，通過搭建細化模型發(fā)現(xiàn)問題，并將問題標注在圖元中。在圖紙會審過程中，可以利用BIM 技術(shù)的3D 模擬功能，逐個展示設(shè)計圖紙存在的問題，并提出修改意見，必要時可現(xiàn)場模擬修改方案，以確定最佳方案，這既有助于提升相關(guān)方的溝通效率，又能為問題的解決找到最佳途徑。

3.3 BIM+VR 技術(shù)安全體驗

在傳統(tǒng)的公路改擴建工程中，VR 技術(shù)主要用于安全體驗和高空墜落模塊，但這些體驗通常是通用的，不具備針對性，不能結(jié)合項目的實際需求與特點進行針對性調(diào)整。一般來說，在公路改擴建項目中，為達到工程對建筑材料的要求，必須修建一個大型的綜合性場站。為保證施工安全，可以利用Unity3D 技術(shù)，以第一人稱視角研究龍門起重機的正確使用方法，并通過安全風險模擬總結(jié)防范經(jīng)驗，提高對進場工人的安全教育效果，促進工人安全意識的提升。

除滿足基本建設(shè)需求外，還可以利用BIM 技術(shù)與VR 技術(shù)開發(fā)道路虛擬駕駛模塊、橋梁構(gòu)件爆炸模塊等[2]。由于相關(guān)部門對公路改擴建施工障礙的布置要求較高，因此建設(shè)方案需要經(jīng)過交通管理部門的審核。設(shè)置路障位置、間距時，可參考該路段交警的布置經(jīng)驗，并通過道路虛擬駕駛體驗?zāi)K實現(xiàn)立體表達，幫助相關(guān)部門進行快速驗收。此外，為提升工程品質(zhì)，可研發(fā)橋梁構(gòu)件爆炸模塊，用于查看橋梁內(nèi)部不同構(gòu)件關(guān)鍵部位的構(gòu)成及其他信息。

3.4 BIM+協(xié)同管理平臺

基于BIM 技術(shù)的協(xié)同管理平臺是一個多終端集成系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)跨平臺數(shù)據(jù)存儲、調(diào)用，也能夠搭建3D 模型、實時采集數(shù)據(jù)，該平臺在公路改擴建工程中的應(yīng)用主要覆蓋面圖1 所示內(nèi)容。

圖1 BIM+協(xié)同管理平臺

3.4.1 施工質(zhì)量管理

第一，物料管理是建筑工程質(zhì)量管理的基礎(chǔ)，其重點在于對原材料、半成品等進行質(zhì)量控制[3]。相關(guān)人員需要提前在移動App 上對進場的物料進行登記，待系統(tǒng)成功識別進場材料的批次、編碼，并生成物料檢驗清單后，才能獲得進場許可。該協(xié)同管理平臺會全程監(jiān)控材料進場登記、入庫等過程，并將上述影像資料同步到PC 端、Web 端，以便信息調(diào)用與物料質(zhì)量追溯。

第二，施工質(zhì)量管理還涉及工藝標準化驗收。結(jié)合首件工程的開展情況，編寫標準化工藝流程卡，施工人員可通過手機App 查詢各子工程的標準化操作流程及注意要點。監(jiān)管部門也可以按照App 端的標準工序流程及操作要求進行檢驗，并將各班組作業(yè)的具體情況記錄下來，上傳到PC 端的BIM 構(gòu)件上，同步做好公路改擴建工程的質(zhì)量溯源與責任溯源工作。

第三，要對分項工程進行質(zhì)量檢查，該環(huán)節(jié)必須由有關(guān)部門的工作人員在App 或PC 端提交質(zhì)量檢測申請，之后可以通過App 查看施工情況、原始記錄和質(zhì)量檢測記錄等。不僅如此，基于BIM 技術(shù)的分項工程質(zhì)量管理也能實現(xiàn)3D 模擬。在PC 端將上傳的各項目工程檢測數(shù)據(jù)與最后的檢測結(jié)果相結(jié)合，可形成可視化模型，便于質(zhì)量跟蹤。

3.4.2 移動隱患排查

移動隱患的檢查主要涉及檢查質(zhì)量和安全問題。用戶可以在App 上發(fā)布自己發(fā)現(xiàn)的安全隱患，發(fā)布成功后會自動生成追蹤單據(jù)，相關(guān)部門可同步啟動隱患整改程序，最終邀請客戶進行整改驗收。在隱患排查與整改過程中，移動App 每日會更新整改動態(tài)，并以日志的方式推送給相關(guān)干系人。至于施工現(xiàn)場存在的安全隱患，除顯示在移動App 端以外，還可同步到BIM 平臺，由BIM 平臺生成技術(shù)管理規(guī)格規(guī)范，并針對具體的問題提出整改要求。

3.4.3 三維進度管控

傳統(tǒng)的工程管理大多以二維圖像為參考。施工單位按周或月的進度向主管部門報告，匯報形式以表格和文字為主。管理人員綜合以上資料，估計公路改擴建項目的具體進展[4]。但由于公路改擴建工程的線路長，施工路段較多，僅通過表格、文字等進行進度統(tǒng)計，復(fù)雜度較高，且誤差較大，難以開展有效的進度管控。為改變這一現(xiàn)狀，可通過BIM 協(xié)同管理平臺，利用三維模型展示施工進度，用戶可在App 端對進度數(shù)據(jù)進行采集與確認，PC 端與Web 端也會同步更新工程進度，如此能夠很大程度上解決信息滯后的問題。除上述功能以外，BIM 技術(shù)的協(xié)作管理平臺也可以統(tǒng)計任意進度區(qū)間的工程工作量和日工作進度（施工人員也具備查看進度計劃的權(quán)利）。結(jié)合已經(jīng)上傳的施工數(shù)據(jù)，該管理平臺還能夠進行自動對比，計算實際進度與計劃進度之間的差距，并提出合理的改進建議。對于在計劃期限內(nèi)沒有完成或已經(jīng)超出計劃時間的任務(wù)，該管理平臺會向相關(guān)干系人發(fā)出提醒。針對公路改擴建工程建設(shè)中提出的不同施工計劃方案，也可以通過4D 虛擬施工形象進行進度模擬，將不同施工計劃方案的執(zhí)行時間與具體安排錄入時間管理模型，從而更加直觀地分析不同施工方案的優(yōu)缺點，為偏差糾正指明方向。

3.4.4 橋梁施工監(jiān)控

在公路改擴建工程施工過程中，大橋及其他特殊結(jié)構(gòu)橋梁的受力情況復(fù)雜，新舊結(jié)構(gòu)銜接是必須面臨的問題，而這會增加公路改擴建工程的施工風險與控制難度，也對現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)控、傳輸提出了更高的要求[5]。橋梁的線性檢測是公路改擴建施工監(jiān)控的重點，需要關(guān)注主梁應(yīng)變、位移的發(fā)生及支撐結(jié)構(gòu)傾斜度的變化等。監(jiān)管部門需要在現(xiàn)場布置傳感器，以此進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與傳輸，最終將收集到的數(shù)據(jù)通過無線信號發(fā)射系統(tǒng)同步到云數(shù)據(jù)庫。在基于BIM技術(shù)的協(xié)調(diào)管理平臺，可以通過PC 端構(gòu)建3D 模型，該3D 模型中有多個監(jiān)控傳感器，每一個傳感器的身份編碼不同，且傳感器與云數(shù)據(jù)庫可直接關(guān)聯(lián)。監(jiān)管部門可以通過App 端對工程管理數(shù)據(jù)進行實時更新、查找，編制施工監(jiān)控分析報告。BIM 平臺可依據(jù)監(jiān)控分析報告中的相關(guān)數(shù)據(jù)自動生成3D 模型，更加直觀地對不同數(shù)據(jù)結(jié)果下的工程開展情況進行模擬。

相較于傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)控，基于BIM 技術(shù)的協(xié)調(diào)管理平臺的監(jiān)控更具時效性、客觀性。相關(guān)人員能通過多種途徑實時上傳監(jiān)控報告及相關(guān)數(shù)據(jù)，且一經(jīng)上傳，不可隨意修改，施工人員及監(jiān)管部門相關(guān)人員均能通過APP 實時查看數(shù)據(jù)信息，施工監(jiān)控的時效性能由此得到顯著提升。此外，基于BIM 技術(shù)的協(xié)調(diào)管理平臺中的相關(guān)數(shù)據(jù)也能為后續(xù)的工程養(yǎng)護提供指導(dǎo)。

3.5 BIM+GIS 場景分析研究

路線狹長是公路普遍具有的特點，公路改擴建工程沿線可能涉及諸多房屋拆遷，且征拆協(xié)調(diào)難度較高[6]。若公路穿越河流或高壓線，還需要對線路進行遷改，地形復(fù)雜，施工難度大，施工人員面臨的考驗與挑戰(zhàn)更多。而將BIM 技術(shù)與GIS 結(jié)合，則可通過InfraWorks 閱讀由無人機協(xié)助產(chǎn)生的點云模型，也可以利用內(nèi)置的產(chǎn)生器觀測建筑工地的衛(wèi)星圖像和相關(guān)資料。

通過點云模型進行在線瀏覽，有助于施工總平面布置管理的優(yōu)化，對沿線便道和場站位置選擇十分有利。此外，通過點云模型能夠快速對路線紅線內(nèi)的征地情況、建筑物數(shù)量等進行統(tǒng)計，從而為征地、拆遷等準備工作的開展提供參考。

4 結(jié)語

綜上所述，BIM 技術(shù)在公路改擴建工程中的應(yīng)用有助于管理水平、施工質(zhì)量的提升，也能在很大程度上提升施工的安全性。但就BIM 技術(shù)在公路建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀來看，二者之間的融合尚處于起步階段，仍需要結(jié)合不同行業(yè)的發(fā)展標準進行完善，促進我國交通運輸事業(yè)可持續(xù)發(fā)展的同時，提升公路工程的社會效益。