BIM 技術(shù)在高速公路隧道機(jī)電工程中的應(yīng)用

譚靜霓，曾麗娟

（廣西經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530021）

自“交通強(qiáng)國”戰(zhàn)略實施以來，我國高速公路建設(shè)得到飛速發(fā)展，截至2022 年底，中國高速公路總里程已達(dá)17.73 萬公里，居世界第一。根據(jù)《廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃（2019-2035）》為有效支持廣西經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，全區(qū)高速公路將建成“1 環(huán)12 橫13 縱25 聯(lián)”的布局建設(shè)，至2030 年全區(qū)高速公路總規(guī)模15200 公里，高速公路網(wǎng)密度將達(dá)6.4 公里/百平方公里。截至2022 年12 月29 日，全區(qū)高速公路里程突破8000公里，全區(qū)111 個縣（區(qū)）全部通達(dá)高速公路。而廣西地貌多山地、丘陵，隧道對公路建設(shè)至關(guān)重要。本文以廣西崇左某高速隧道機(jī)電工程為例，研究BIM 技術(shù)在其設(shè)計、施工、運維中的應(yīng)用。

1 項目概況

廣西崇左某高速對接“一帶一路”倡議及融入中南半島的新通道，是生態(tài)優(yōu)美、景觀綺麗的風(fēng)景線，是連接西南與東盟最便捷的通道，全長146 公里。主線為雙向四車道，共有40 余座隧道，包含監(jiān)控系統(tǒng)、通風(fēng)消防系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)等機(jī)電工程項目。其中，監(jiān)控系統(tǒng)又包含中央控制系統(tǒng)、交通監(jiān)控系統(tǒng)、閉路電視系統(tǒng)、緊急電話系統(tǒng)、有限廣播系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等子系統(tǒng)。由于隧道施工環(huán)境復(fù)雜，而其機(jī)電系統(tǒng)為多系統(tǒng)、多專業(yè)相融合，各系統(tǒng)、各施工單位的施工人員流動性大，且信息溝通不及時、不順暢，多專業(yè)同時施工易導(dǎo)致施工技術(shù)交底質(zhì)量低、施工作業(yè)不規(guī)范，項目的整體施工質(zhì)量隱患多、項目工程后期維護(hù)難度高等問題頻發(fā)，影響機(jī)電系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，增加維護(hù)維修成本[1]。

與傳統(tǒng)的隧道機(jī)電工程施工及管理辦法相比，BIM能有效解決機(jī)電管線綜合、設(shè)計圖與施工現(xiàn)場不一致等機(jī)電工程難題，創(chuàng)造智能化的隧道施工管理環(huán)境，提高質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)、社會效益。

2 BIM 在項目中的應(yīng)用

目前隧道的設(shè)計施工基本上仍采用二維的CAD 圖紙，由于每個專業(yè)設(shè)計精度不同，各種管線錯、漏、碰、缺在所難免，現(xiàn)場施工人員需要做大量的協(xié)調(diào)和變更工作，不僅影響工程進(jìn)度，而且施工場地混亂給管理增加難度。BIM 技術(shù)是在工程項目設(shè)計、施工、管理、運維等全過程采用三維實時動態(tài)模型對項目進(jìn)行全周期全方位的管理。它具有可視化、模擬、仿真等技術(shù)，能在工程項目中起到預(yù)測和控制的作用，采用BIM 工程建模不僅能有效解決傳統(tǒng)機(jī)電工程安裝中工程美觀度不足、管線碰撞、預(yù)留空洞位置偏移、預(yù)制件誤差或漏項等常見問題，更能提早發(fā)現(xiàn)施工管理中可能出現(xiàn)的問題，以便盡早溝通、控制，避免返工、整改而影響工程施工進(jìn)度。

1.本項目模型需創(chuàng)建隧道機(jī)電設(shè)備族庫，族庫包括隧道所需中央控制系統(tǒng)、交通監(jiān)控系統(tǒng)、閉路電視系統(tǒng)、緊急電話系統(tǒng)、有限廣播系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、通風(fēng)消防系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)等各專業(yè)的各種設(shè)備。其次，根據(jù)規(guī)范及初步設(shè)計文件，精確定位隧道及設(shè)備機(jī)房等體量中所有機(jī)電設(shè)備的空間位置，讓機(jī)電設(shè)備、橋架、管線與隧道結(jié)構(gòu)模型相結(jié)合，檢查設(shè)備與隧道結(jié)構(gòu)之間是否存在沖突，根據(jù)反饋信息調(diào)整設(shè)備、管線的模型，優(yōu)化設(shè)備族庫[2]。

2.技術(shù)人員必須深入了解機(jī)電系統(tǒng)的實際情況，梳理每條管道的分布及走向，隨后按照“小管讓大管，有壓管讓無壓管，無坡度讓有坡度，風(fēng)管為主，橋架次之，水管為輔”的原則布置管線，并盡量避免管線交叉，優(yōu)化管線凈高，初步形成隧道機(jī)電工程模型。隨后進(jìn)行碰撞檢查、空間凈高分析、模型優(yōu)化、管線綜合排布等操作使得模型更合理化。其中，空間凈高分析主要完成以下兩點：（1）分析項目現(xiàn)場空間能否滿足施工要求，管線走向是否合理，是否存在明顯的誤差以便及時調(diào)整；（2）分析凈高是否滿足設(shè)計、施工需要，哪個節(jié)點的支架可以綜合排布，哪個節(jié)點的需要上下分別排布，明確可以預(yù)制的支架和管件。

3.不同專業(yè)可以通過BIM 模型觀察到管線之間的空間距離，也能看到施工完成后的效果圖，從而確定管線的規(guī)格、分布、走向，再次進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以達(dá)到最合理、最完善的效果。

2.1 隧道機(jī)電工程深化設(shè)計

設(shè)備機(jī)房由于設(shè)備眾多、管線密集，不可避免地會出現(xiàn)管道與設(shè)備、管道與管道、管道與建筑結(jié)構(gòu)之間的碰撞，還會有因臨時變更而導(dǎo)致的布局不合理、項目竣工圖紙與實際不符等，通過BIM 建立的三維立體化模型不僅能確定設(shè)備外形尺寸、設(shè)備基礎(chǔ)、管線的擺放、支架的位置、預(yù)留孔洞的位置等具體參數(shù)，還能精確設(shè)計閥門、管件、儀表及預(yù)制加工配件的長、寬、深等具體參數(shù)。此外，還可以對支架進(jìn)行整體綜合設(shè)計，避免各專業(yè)雜亂無章的支架安裝，不僅節(jié)約鋼材，節(jié)約成本，也節(jié)約空間，提升凈高。按照BIM設(shè)計的模型來施工不僅能有效避免各部件的誤差、錯漏，使設(shè)計更加精確，減少返工，也能減少現(xiàn)場打磨、修理設(shè)備安裝配件的時間，加速設(shè)備安裝，并使設(shè)備機(jī)房布局更合理、簡潔、美觀[3]。

機(jī)房深化設(shè)計是BIM 機(jī)電應(yīng)用的核心內(nèi)容，在優(yōu)化過程中需各專業(yè)協(xié)調(diào)溝通，其建模步驟如下：（1）各專業(yè)各系統(tǒng)疊加，找出碰撞點；（2）調(diào)整及優(yōu)化管線及設(shè)備、閥門等位置，消除碰撞；（3）檢查管線布置是否符合規(guī)范，是否合理、美觀。優(yōu)化管線可以遵循合理、便于操作、便于維修的原則來確定設(shè)備、閥門的位置及朝向。管線布局應(yīng)橫平豎直，盡量貼近墻和梁以取得更大的凈高。深化設(shè)計完成后應(yīng)現(xiàn)場確認(rèn)并預(yù)制配件以節(jié)約工期；（4）在優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上，導(dǎo)出各系統(tǒng)、各專業(yè)預(yù)留孔洞的施工圖，用以指導(dǎo)現(xiàn)場建筑結(jié)構(gòu)洞口的位置，精確預(yù)留預(yù)埋，避免后期開鑿，為機(jī)電工程施工提供便利，也使機(jī)房更加合理、美觀[4]。

2.2 可視化技術(shù)交底

利用BIM 的三維模型漫游功能或虛擬動畫功能為項目全過程的現(xiàn)場安裝作業(yè)提供可視化、立體化的現(xiàn)場技術(shù)交底，也可以分階段、分步驟地進(jìn)行交底，可以讓施工人員身臨其境般地感受復(fù)雜點的管線排布，對復(fù)雜部位的施工技術(shù)、施工工藝與工序了如指掌，也可以提前了解施工過程所需的施工機(jī)械設(shè)備、材料、施工重難點、注意事項等，極大地減輕了項目對一線施工隊伍技術(shù)交底的難度[5]。此外，管理人員還可以通過BIM 管理平臺實時掌握項目的工程進(jìn)度及施工動態(tài)，以便各專業(yè)及時溝通調(diào)整。

第一，BIM 的可視化技術(shù)交底可以通過計算機(jī)動態(tài)顯示整個項目的施工、運營環(huán)節(jié)，并進(jìn)行模擬施工，比如：根據(jù)施工進(jìn)度及施工方案合理布置不同專業(yè)的進(jìn)場時間，庫房、材料區(qū)、加工區(qū)的物資擺放，避免二次搬運造成的物料損失。第二，還可以根據(jù)優(yōu)化的BIM 模型在主體結(jié)構(gòu)中標(biāo)注預(yù)留空洞的具體參數(shù)，如孔洞直徑、標(biāo)高等。第三，在模擬施工過程中還有一項重要工作，即確定施工過程是否準(zhǔn)確、安全，施工方案是否存在安全隱患。如果有施工不利因素則應(yīng)優(yōu)化調(diào)整施工方案與技術(shù)，以達(dá)到最優(yōu)施工方案。第四，利用BIM 三維模型的可視化技術(shù)交底和模擬施工還可以根據(jù)施工工序列出各施工步驟的重點、難點，以制定相應(yīng)的安全管理措施，保證工程項目安全進(jìn)行。例如，利用BIM 模型：（1）制定隧道的大型機(jī)械設(shè)備消防管道連接及其支架預(yù)制的施工方案及安全管理方案；（2）制定通風(fēng)系統(tǒng)射流風(fēng)機(jī)安裝及其支架預(yù)制的施工方案及安全管理方案；（3）消防與通風(fēng)等大型系統(tǒng)共同進(jìn)場安裝的工作面、材料堆放布置方案等。第五，BIM 還能對某些特殊情況進(jìn)行模擬操作，比如：高速公路隧道發(fā)生火災(zāi)后消防聯(lián)動報警系統(tǒng)如何工作？消防報警聯(lián)動系統(tǒng)、隧道風(fēng)機(jī)、車道指示燈、視頻監(jiān)控聯(lián)動系統(tǒng)、未進(jìn)洞車輛預(yù)警等系統(tǒng)的啟動模式及工作狀態(tài)是否符合以人為本的原則，逃生路線及逃生方案是否合理等問題都可以通過模擬操作獲得更好的體驗感。

可視化的技術(shù)交底加強(qiáng)了項目全生命周期各專業(yè)、各系統(tǒng)之間的溝通理解，及時發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，有效降低人為理解偏差造成的返工，預(yù)測了項目施工、運行、維護(hù)過程中可能出現(xiàn)的問題，并加以調(diào)整控制，提高項目建設(shè)施工管理水平與質(zhì)量。

2.3 工程量統(tǒng)計及材料精細(xì)化管理

機(jī)電安裝專業(yè)多、系統(tǒng)多，呈現(xiàn)多元化特征。各系統(tǒng)的配件、耗材不勝枚舉，傳統(tǒng)的通過人工測量以計算工程量的統(tǒng)計方法不可避免地會出現(xiàn)偏差。引用BIM 技術(shù)，對隧道及其內(nèi)部設(shè)備分布情況進(jìn)行3D 建模后，可同步設(shè)計各類管線、預(yù)制加工配件及手孔位置并生成各專業(yè)準(zhǔn)確的工程量及各種附屬工程的明細(xì)表，如：各類通風(fēng)管道及管件的規(guī)格型號，各種光、電線纜的規(guī)格型號、電纜橋架、配件、消防管道的附件及管道防腐、刷油等，避免人工現(xiàn)場測量的錯漏，還能根據(jù)工程進(jìn)度生成材料統(tǒng)計表，從而制定科學(xué)的機(jī)械、材料采購方案，以提升施工進(jìn)度，為現(xiàn)場材料使用提供更精細(xì)化的管理，進(jìn)一步降低材料損耗。BIM 生成的各專業(yè)工程量明細(xì)表不但減少了現(xiàn)場管理人員的工程量計算還能實現(xiàn)動態(tài)控制跟蹤，使他們對工程變更及施工成本增減更敏感，更能有效把控成本，及時評估、監(jiān)控項目。

2.4 施工成本管理

BIM 技術(shù)在成本管理中依然能發(fā)揮非常重要的作用。首先，在設(shè)計階段，選用性價比高，施工安全、進(jìn)度、質(zhì)量關(guān)系協(xié)調(diào)的設(shè)計方案能減少項目資金投入，降低工程成本。在施工模擬過程中將項目所需人員、材料、機(jī)械等數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，完成施工進(jìn)度、裝配、材料跟蹤等操作，從而獲取最優(yōu)的成本控制方案。如果施工過程中出現(xiàn)工程變更，可以在BIM 管理平臺調(diào)整通過調(diào)整施工工序參數(shù)等措施保證其他相關(guān)工作順利變更，防止因變更出現(xiàn)返工，增加施工成本。其次，不再使用傳統(tǒng)的出入庫登記形式的材料管理方法，在施工過程中管理人員將每天消耗的施工材料輸入BIM 模型中，與實際成本進(jìn)行比較分析，可以直觀地看到工程實際成本與預(yù)算之間的差距，隨時掌握材料的使用情況，從而動態(tài)控制成本。如若出現(xiàn)施工變更，可以通過BIM修改相關(guān)工序的參數(shù)，以確保其他后續(xù)工序的參數(shù)同步調(diào)整，防止出現(xiàn)返工而增加施工成本[6]。

2.5 機(jī)電設(shè)備運維管理

隧道機(jī)電工程各子系統(tǒng)設(shè)備的安全運行關(guān)系到整條高速公路的安全通行，在引入BIM 技術(shù)前，這些設(shè)備的運行與維護(hù)都要靠高速公路工作人員人工完成，定時巡查并記錄，按周期對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)維修，工作復(fù)雜且繁重。引入BIM 技術(shù)后可以在BIM 系統(tǒng)上獲取設(shè)備運行的相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行統(tǒng)計分析，將其按運行狀態(tài)分區(qū)管理，重點設(shè)備重點區(qū)域進(jìn)行重點檢測。為了提高高速公路機(jī)電設(shè)備運維管理的效率和準(zhǔn)確性，可以利用BIM 模型構(gòu)建一個由運維系統(tǒng)。

該系統(tǒng)由三部分組成：一是由傳感器、I/O 模塊（輸入輸出模塊）、控制器、執(zhí)行器等組成的前端數(shù)據(jù)采集部分。它通過傳感器采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、流量等傳輸給控制器，控制器收集、整理、分析這些數(shù)據(jù)，并將其邏輯運算的結(jié)果發(fā)送給執(zhí)行器以執(zhí)行管理層傳來的命令；二是網(wǎng)絡(luò)通信部分，它承擔(dān)現(xiàn)場設(shè)備層與管理層之間的數(shù)據(jù)傳輸；三是管理層，由交換機(jī)、服務(wù)器、工作站等設(shè)備組成，負(fù)責(zé)監(jiān)控及分析、存儲設(shè)備的運行狀態(tài)，并可以控制及調(diào)整現(xiàn)場設(shè)備的工作，及時發(fā)現(xiàn)問題并提醒相關(guān)工作人員進(jìn)行維護(hù)維修，保證高速公路隧道機(jī)電工程的設(shè)備安全高效運行[7]。

3 結(jié)語

本文引入BIM 技術(shù)優(yōu)化高速公路隧道機(jī)電工程的設(shè)計方案，提升技術(shù)交底效率，對施工項目的材料、設(shè)備及成本進(jìn)行精細(xì)化管理，并利用物聯(lián)網(wǎng)與BIM 技術(shù)提升高速公路機(jī)電設(shè)備運營維護(hù)效力，不斷探索BIM技術(shù)在施工進(jìn)度、成本、施工動態(tài)管理及設(shè)備設(shè)施運行維護(hù)方面的應(yīng)用，為提升高速公路隧道機(jī)電工程效能提供較大幫助。