BIM技術在高速公路機電工程施工中的應用

摘要 高速公路機電工程是高速公路建設中不可或缺的一部分，機電設備和系統的穩定性和可靠性對于高速公路的正常運轉非常重要。BIM技術應用于高速公路機電工程施工中，可以提高工程效率、優化資源管理，確保工程質量。文章重點介紹BIM技術在高速公路機電工程施工過程中的關鍵應用，包括BIM機電模型數字設計、工程管理兩個重點環節，期望促進研究可以提高BIM技術的成熟，實現現代建筑技術的數字化發展。

關鍵詞 BIM技術；高速公路；機電工程

中圖分類號 U495文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）02-0078-03

0 引言

BIM技術是一種通過建立虛擬三維立體模型解決建設問題的技術，被廣泛應用于建筑、工程和基礎設施的規劃、設計、建造和管理[1]。BIM技術通過整合數字信息，實現協同設計和管理，對項目的成本和進度進行模擬和優化，減少了建筑過程中的錯誤和沖突，提高了設計和施工的效率，為建筑項目提供全生命周期的支持。為研究BIM技術在高速公路機電工程施工中的應用，該文從建立三維模型、碰撞檢測兩個方面介紹BIM機電模型數字設計，并從工程模擬和BIM干涉檢測兩個方面介紹工程管理，以期為相關技術人員提供參考，提高高速公路建設的質量。

1 BIM機電模型數字設計

1.1 建立三維模型

創建機電系統的幾何模型是BIM中的關鍵步驟，涉及對管道、電纜、設備等元素進行幾何建模，以確保布局和空間需求符合設計要求和標準[2]。以下是在BIM中創建機電系統幾何模型的一般步驟。

（1）導入設計文檔和參數。首先，需要收集與項目相關的所有設計文檔，包括機電系統的平面圖、工藝流程圖、設備清單等，將這些文檔導入BIM平臺中，并對文檔中的參數進行提取，這些參數包括管道直徑、設備尺寸、電纜規格等，這些參數將用于后續的三維模型創建，其中數據處理層的具體步驟如圖1所示。

由圖1可知，BIM平臺利用傳感器采集數據，并對原始數據進行數據清洗、去噪、壓縮和采樣等一系列操作，確保數據的質量和準確性，減少傳輸負擔。然后，將處理好的數據儲存到BIM平臺的儲存設備中，確保數據不會丟失。最后，利用有線通信設備將數據傳輸到BIM的模型集成層，進行下一步數據處理。

（2）創建管道幾何模型。首先，使用BIM技術根據設計要求繪制管道路徑和截面，利用直線參數公式描述管道路徑，如公式（1）所示：

（1）

式中，P（t）——直線上的點；P0——直線上的一個已知點；——直線的方向向量；t——參數。在繪制過程中，考慮管道的彎曲、連接、附件等元素。完成管道繪制后，添加管道附件，如閥門、法蘭、彎頭等，并為管道分配相應的材質和屬性，如金屬、非金屬、管道內襯等[3]。同時，根據電纜布置需求，繪制電纜通道和槽道的幾何形狀，并為電纜通道和槽道分配相應的材質和屬性，利用圓的參數公式描述電纜布置的幾何形狀，如公式（2）所示：

P（u）=[xc+r·cos（u）， yc+r·sin（u）] （2）

式中，（xc， yc）——圓心坐標；r是半徑；u是參數。根據設計文檔，利用BIM平臺創建設備的幾何模型，如發動機、泵、風機等，設置設備尺寸和位置，同時考慮設備之間的相對布局。在確保管道與設備之間的幾何關系正確的情況下，添加連接件并更新管道的元數據，包括管道材質、厚度、管道等級等。最后，檢查電纜通道和槽道與設備的連接情況，確保電纜敷設的合理性[4]。幾何模型創建完成后，BIM模型集成層負責將來自數據采集處理層的實時數據集成到BIM（建筑信息模型）中。

（3）創建建筑物的基本形狀。使用BIM軟件繪制建筑物或結構的基本形狀，如墻體、樓板、柱子等。在繪制過程中，考慮建筑物的尺寸、層高、結構類型等。在基本形狀的基礎上，添加窗戶、門、樓梯等建筑元素[5]。同時，根據設計要求設置建筑元素的屬性，如材質、顏色、尺寸等。根據項目需求，添加三維信息，如高程數據、材質信息、設備參數等，這些信息將增加模型的準確性和詳細程度。利用BIM工具的實時預覽和交互功能，檢查模型的外觀，并及時進行調整和優化。在項目進展過程中，不斷更新和完善模型，以滿足不斷變化的需求。

1.2 碰撞檢測

建造出三維模型圖后，要利用BIM技術對三維模型圖進行碰撞檢測，以便幫助設計團隊及早發現并解決不同系統之間的碰撞和沖突。

首先，需要將各專業（如建筑、結構、機電工程）的BIM模型導入BIM軟件，并確保它們在坐標系、比例尺等方面一致，以實現有效地整合。通過構建的三維模型視圖，利用BIM軟件的功能，導入包括建筑物、結構、機電設備、管道等系統的整體三維模型。在進行碰撞測試前，需要在BIM軟件中設定碰撞檢測條件，包括最小間距和碰撞敏感度等參數，這些參數的設定決定了檢測的精度和對碰撞的敏感程度[6]。隨后，執行碰撞檢測，通過BIM軟件自動分析各構件的幾何形狀，再利用有限元算法中的剛度矩陣公式檢測是否存在碰撞或相互干擾的情況，如公式（3）所示：

（3）

式中，ke——單元剛度矩陣；B——應變和位移之間的關系矩陣，其將位移場映射到應變場；D——彈性矩陣，是材料的彈性性質矩陣，包含了材料的彈性模量、泊松比等信息；Ve——在碰撞檢測中的作用，指的是單元的體積，描述結構在外部載荷作用下的強度和剛度；BT描述了結構中的彎曲和拉伸等變形對應力的響應。在碰撞檢測中，這樣的剛度矩陣可以用于模擬結構在受力時的變形，以及各個元素之間的相互作用。檢測完成后，利用射線追蹤算法的射線反射計算公式判斷射線與物體是否相交以及交點處的反射和折射行為，如公式（4）所示：

R=D?2（D·N）N （4）

式中，R——鏡面反射；D——射線的方向向量；N——表面法線，其可以在BIM的三維模型中模擬光線的傳播、反射和折射，用于更真實地模擬光照、陰影和視覺效果。然后，將結果生成碰撞報告，生成碰撞報告是碰撞檢測關鍵的一步，BIM軟件會詳細列出檢測到的碰撞信息，包括碰撞的位置、專業責任、碰撞程度等，為后續的解決和調整提供了基礎。可視化展示則通過BIM平臺將碰撞結果以標記或顏色的形式呈現在三維模型中，以便設計團隊直觀了解問題的性質和分布。最后，設計團隊成員在BIM平臺上協同解決問題，查看和討論碰撞結果，進行解決方案的協商。根據碰撞報告，進行設計的調整或施工計劃的優化。并在項目的不同設計階段和施工階段，定期進行碰撞檢測的迭代，以確保及時發現和解決潛在的碰撞問題。

2 工程管理

2.1 工程模擬

工程模擬是利用BIM技術在建筑和工程項目中進行虛擬模擬，以模擬和預測項目在不同階段的執行過程、性能和效果。這種模擬有助于項目團隊更好地了解項目的動態變化，提前識別潛在問題，并優化設計施工過程。以下是工程模擬的具體步驟和關鍵方面。

（1）時間軸模擬：利用BIM平臺的時間軸功能，模擬整個項目的建設和施工過程。將不同設計階段、施工階段和設備安裝過程的時間節點納入模擬，形成動態的項目時間軸。

（2）施工流程模擬：模擬項目的施工流程，包括建筑結構的搭建、設備的安裝、管道系統的鋪設等，確保考慮各個施工步驟的順序、時序和協同性。在BIM平臺上，通過集成MEP模型、進度和成本的數據，可以建立起構建信息與成本數據的關系，以時間為參照軸實現實時動態的工程量查詢，使承建方能夠方便地查詢實際工程量，并在工程量查詢中根據自定義的關鍵條件進行靈活的篩選，如時間、進度、構建類型、規格型號等。

（3）資源優化：在模擬中考慮資源的分配，包括人力、材料、設備等因素。通過模擬優化資源的利用，提高施工效率，降低成本。資源優化管理圖，如圖2所示。

由圖2可知：在BIM平臺中，首先，通過傳感器和監測設備實時采集人工、能源、機械等多種數據源，并將其整合到BIM平臺。隨后，利用BIM平臺的圖形可視化功能，實時展示消耗量與計劃成本的曲線圖，強調關鍵數據點和趨勢。通過趨勢分析，對資源消耗的未來趨勢進行預測。建立靈活、強大的查詢系統，支持多維度查詢，包括時間、類型、地點等。實現實際消耗量與預算的對比分析，突出差異并生成資金曲線圖。最后，利用數據分析工具進行成本分析，為項目部提供詳細的報告，并將BIM中的數據與圖表融合，實現對關鍵數據的直觀呈現，展示機電系統的性能、能源消耗等數據，項目部根據數據進行資源優化分配。這些技術點的整合使BIM平臺成為項目資源與成本管理的強大工具，為項目部提供全面的實時支持，提高決策的準確性和效率。

（4）動態演示和調整：資源優化后，利用動態模擬展示機電系統的運作過程，包括設備運轉、管道流動等。通過演示功能，呈現資源施工過程的動態變化，幫助項目相關方更好地理解整體流程。首先設定動態模擬的參數，包括設備的運轉速度、流體在管道中的流速等。這涉及對工程實際運行情況的了解和模擬參數的精確調整。然后，利用BIM平臺實現系統的交互性與控制，使得用戶根據需要調整模型中的參數，觀察實時的系統響應。接著，運行動態模擬，觀察系統在不同階段的動態變化，設備的啟動、運轉，管道中流體的流動，以及其他關鍵元素的相互影響。最后，利用演示功能實時展示施工過程的動態變化。在演示過程中，團隊成員可以根據需要進行調整，驗證設計的合理性，發現潛在問題。同時，收集動態模擬過程中的數據，進行必要的調整和優化，以改進項目的執行計劃、設計參數和資源分配。

2.2 偏差分析

在BIM環境中，偏差分析可以通過對BIM模型中的實際數據與預期計劃的數據進行對比來實現，用于檢查項目的實際進度、質量和其他關鍵指標與最初計劃之間的差異。對這些差異的深入分析有助于識別問題、制定糾正措施，并提高未來項目的規劃準確性。以下是在BIM中進行偏差分析的一般步驟。

首先，從BIM模型中提取實際執行過程中的數據，包括實際工程進度、成本、材料使用等方面的信息，確保數據的準確性和一致性。并重新審視項目計劃，明確原始的項目計劃和預期值，包括項目的時間表、成本估算等，可以是項目啟動時的計劃，也可以是項目執行過程中進行的中期或階段性計劃。然后，利用穩定分析算法中的歐拉公式，將實際數據與BIM模型中的預期數據進行對比計算，確保BIM模型中的信息準確且反映了實際的工程狀態，包括施工進度、材料使用、構件數量等，具體如公式（5）所示：

（5）

式中，Pcr——臨界壓力，結構失穩的最大壓力；K——屈曲因子，結構的穩定性系數；I——截面慣性矩，描述截面形狀對抗彎曲的能力；L——結構長度；E——彈性模量，描述材料的彈性性質。利用此公式識別實際結果與計劃之間的差異，這些差異可以涉及進度滯后、成本超支、材料浪費等方面。接著，分析偏差的根本原因，確定導致偏差的具體因素。考慮BIM模型可以包含多個方面的數據，可以對各個專業領域進行更詳細的根本原因分析。基于根本原因的分析，制定糾正措施，以調整項目計劃或實施其他改進。BIM模型可以用于模擬和評估不同的糾正措施的效果。繼而，根據實際的項目執行情況，調整BIM模型中的信息，以反映當前的項目狀態，包括更新建筑模型、成本模型、進度模型等。最后，在項目的后續階段持續監控實際數據與調整后的計劃之間的偏差。根據監控結果進行反饋，調整項目管理策略，確保項目能夠按計劃順利進行。

通過在BIM環境中進行偏差分析，項目管理團隊可以更及時地發現問題、采取糾正措施，以確保項目在規定的時間和成本范圍內順利完成，這有助于提高項目的整體管理效能。

3 結束語

綜上所述，BIM技術在高速公路機電工程中的應用為提升工程質量、降低成本以及提高效率提供了有力支持。從構建模型、工程管理兩個方面來看，BIM技術都能夠發揮關鍵作用，為機電工程的穩定性和可靠性提供強有力的保障，確保高速公路的正常運轉。數字化設計方面，BIM技術允許工程團隊創建精確的三維模型，從而更好地理解和規劃機電系統，減少設計錯誤，優化系統布局。工程管理方面，BIM技術可用于可視化功能進行工程模擬，幫助發現潛在問題并優化施工方案，減少設計變更。此外，BIM還能夠進行偏差分析，將BIM中的實際數據與預期計劃數據進行對比分析，進一步優化施工方案。總體而言，BIM技術在高速公路機電工程中的應用將數字化和智能化引入工程領域，為提高工程質量、降低成本和提高效率創造了良好的條件。隨著科技的不斷發展，BIM技術的應用前景將更加廣泛，為建筑行業帶來更多創新和便利。

參考文獻

[1]楊海霞. BIM技術在高速公路機電工程施工中的應用研究[J]. 智能建筑與智慧城市， 2021（11）： 164-165.

[2]張麗. BIM技術在高速公路機電工程項目管理中的應用[J]. 交通世界， 2018（8）： 139-140.

[3]韋懿玲. 基于大數據和BIM技術的工程造價管理研究[J]. 中國科技期刊數據庫 工業A， 2023（6）： 113-116.

[4]趙強. BIM技術在現代高速公路機電工程建設中的應用[J]. 中文科技期刊數據庫（全文版）工程技術， 2022（5）： 52-55.

[5]郭軍梅. 高速公路機電工程施工中BIM技術的應用分析[J]. 中文科技期刊數據庫（文摘版）工程技術， 2022（4）： 163-165.

[6]李靖宇. BIM技術在高速公路機電工程中的實踐分析[J]. 中文科技期刊數據庫（引文版）工程技術， 2022（12）： 185-188.

收稿日期：2023-11-23

作者簡介：何佳珈（1991—），女，本科，工程師，研究方向：計算機科學與技術。