BIM技術應用于高速公路機電工程的技術方案研究

摘要 BIM技術應用于高速公路機電工程，將提高機電工程施工的智慧化管理水平，對施工進度、質量、成本的管理起到積極促進作用。文章研究了高速公路機電工程的BIM建模方式、信息的編碼及存儲、子模型的劃分等，分析如何基于BIM技術開發高速公路機電工程施工智慧管理平臺，探討了工程建設數字化管控平臺和數字化交付的實現方案，提出整體的系統架構。

關鍵詞 BIM技術；機電工程；智慧管理平臺；系統架構

中圖分類號 U417文獻標識碼 B文章編號 2096-8949（2024）02-0105-03

0 引言

BIM即建筑信息模型（Building Information Model-ing），是一種包含多個維度的建筑信息的集成管理技術，它匯總了建筑工程項目各個方面的海量數字信息，使信息能夠在項目的規劃、設計、施工、運維各階段被充分地傳遞及運用，為建設項目信息化提供廣闊的發展空間。通過BIM軟件把工程項目的所有信息進行數字化表達并集成到數據庫模型中，建立信息的有機聯系，方便了在工程各階段對工程信息的查詢、使用、修改和傳遞。由于在工程各個階段，各參建主體使用信息的目的和方式各有不同，從而各參建主體對一個工程項目可能創建出不同的BIM模型。按照工程階段的不同，可以將BIM模型分為：規劃階段BIM模型、設計階段BIM模型、施工階段BIM模型、運維階段BIM模型。

當前，我國交通運輸行業正在加快交通強國建設，大力建設智慧高速基礎設施。BIM技術在我國高速公路行業中的深入應用，將促進高速公路工程項目在設計、施工、運維各階段協調發展，加速推動高速公路行業的數字化發展[1-4]。交通運輸部于2021年2月26日發布了三個公路工程行業推薦性標準：《公路工程信息模型應用統一標準》（JTG/T 2420—2021）《公路工程設計信息模型應用標準》（JTG/T 2421—2021）《公路工程施工信息模型應用標準》（JTG/T 2422—2021）。這三個行業標準確定了高速公路基礎設施模型架構、模型編碼、數據格式等問題，規范了BIM模型在高速公路工程全生命周期應用的技術要求，對推動高速公路工程BIM技術的良性發展、提高高速公路工程整個項目生命周期的數字化水平、實現下一步的高速公路工程數字化交付具有重要意義。

1 信息的編碼和存儲

《公路工程信息模型應用統一標準》（JTG/T 2420—2021）中規定，公路工程信息模型的信息按照成果、過程、資源、屬性和其他方面進行分類，如表1所示。這個分類方法參照了《建筑信息模型分類和編碼標準》（GB/T 51269—2017）。公路工程的主要成果包括路基、路面、橋梁、隧道、交通工程及沿線設施等，統稱為設施，這些主要設施構成了一級類；交通工程及沿線設施又由交通安全設施、管理設施、服務設施3個子設施組成，這些子設施構成二級類。其中，機電工程主要關注的管理設施主要包括監控設施、收費設施、通信設施、供配電設施、照明設施等，這些管理設施稱為構件，這些構件構成了三級類，例如，收費設施構件的編碼為18-07.02.03.00。進一步細分，收費設施構件又可以劃分為收費亭、收費島、欄桿、費額顯示器、ETC門架系統等構件，例如，收費亭構件的編碼為18-07.02.03.01。公路工程信息模型的信息根據這樣的分類編碼標準，就能整合規劃、設計、施工、運維階段的各種詳細的海量信息，包括設施、構件、建設過程、專業信息、工具信息、材料信息、專業屬性、地質地形信息等，實現了工程海量信息的分類索引，便于信息的標準化處理和快速傳遞。

公路工程信息模型的信息按照《工業基礎類平臺規范》（GB/T25507—2010）的規定，使用類對數據進行逐級封裝并存儲。工業基礎類即IFC標準（Industry Foundation Class），是1994年由國際協同工作聯盟（即IAI，現已更名為buildingSMART）制定的，是一個公開的建筑信息模型數據存儲標準，被業界廣泛采用[2]。該文以收費設施構件里面的ETC門架系統構件為例，簡要介紹構件的類封裝方法。ETC門架系統構件使用IfcBuildingElementProxy類進行封裝，該構件的幾何表達在IfcProductDefinitionShape、IfcLocalPlacement中進行定義，也可以使用超類IfcBuildingElement中的表達類型，可以允許使用多種方式進行幾何表達。ETC門架系統構件的局部坐標使用超類IfcProduct中的IfcLocalPlacement來進行定義。

2 施工各階段的子模型

根據我國公路工程行業的特點，《公路工程信息模型應用統一標準》（JTG/T 2420—2021）中將公路工程項目全生命周期階段劃分為設計、施工、運維階段，其中施工階段涉及施工準備、施工過程、交工驗收三個子階段。針對高速公路機電工程而言，施工階段信息模型可以繼承使用設計階段交付的信息模型，也可以通過二維設計圖紙創建。

施工深化模型是在施工準備階段，通過對設計階段交付模型的繼承、擴展和補充，進行深化設計和施工組織意圖表達的子模型。其模型精細度不低于L3.5，用于滿足施工準備階段對施工場地進行布置、對施工工藝進行模擬、對施工方案進行優化、對關鍵技術進行交底等活動的需要。施工過程模型是在施工過程中產生的，分為施工組織信息模型、安全信息模型、質量信息模型、進度信息模型、成本信息模型等子模型。其模型精細度不低于L4.0，運用在施工組織管理、施工安全管理、施工質量管理、施工進度管理和計量支付管理等方面。交工驗收模型是在交工驗收階段，對施工過程模型進行增加、篩選或細化合并后，同時增加質量驗收等過程信息，滿足交工驗收要求形成的子模型。其模型精細度不低于L5.0，用于滿足交工驗收等應用需要。公路工程項目全生命周期各階段模型的精細度要求如表2所示。

3 基于BIM技術的高速公路機電工程施工智慧管理平臺

以某高速公路的機電工程施工智慧管理平臺為例（見圖1），BIM可視化模型是基礎，它集成了機電工程各項設施、子設施、構件的幾何表達和屬性信息，可以通過3D可視化技術和加載GIS地理信息系統（GIS，Geographic Information System）把高速公路機電工程的施工場景高度還原出來，形成一個可視化的GIS+BIM虛擬施工場景，讓機電工程的各級管理者對施工現場的施工組織、施工進度、施工質量等信息有直觀的感受。例如ETC門架系統構件，當它的屬性信息中的安裝屬性是“抵達現場”時，施工場景里將出現灰色透明的ETC門架系統構件圖像；當它的安裝屬性是“安裝調試完成”時，施工場景里它的圖像就變成彩色高亮顯示，并能夠調取門架設備實時輸出的數據如ETC卡號、車牌號、通過時間、車輛圖像等運維信息[5]。智慧管理平臺還能對管道敷設、基礎制作、設備安裝等進度進行匯總統計，在3D場景里動態展示出來或者輸出各種統計圖表，全方位地反映施工的進度信息，并能對即將到達截止時間仍未完成的分項工程進行預警，提醒各級管理者及時進行進度控制，提前調整施工組織，保證各項工程按期完工。

技術交底是機電工程施工中的一個關鍵環節，通過BIM技術，可以實現技術交底過程的可視化。例如，可以在BIM可視化模型中計重設備構件的屬性信息里存儲計重設備基礎制作的標準施工過程動畫視頻，包括基坑開挖、接地極制作、鋼筋鋪設綁扎、底板混凝土澆筑、墩柱支模、墩柱澆筑、混凝土養生的動畫視頻。對計重設備施工進行技術交底時，可以向生產主管人員、作業班組播放標準施工過程動畫視頻，讓作業人員直觀地理解掌握標準施工過程，科學進行施工，從而保證分項工程的施工質量[6]。

當前，云南省公路行業竣工文件的編制和交付遵循《云南省公路工程竣工文件編制及立卷歸檔實用范本（2013版）》的規定，需要整理和移交的文件包括：竣工圖表、工程管理文件、工程質量文件、材料及標準實驗資料、工程質量檢驗評定資料、施工原始記錄，以及施工進度、安全、環保、水保、合同管理文件等。引入BIM模型后，上述資料的部分或全部信息可以以數據記錄或數據文件的形式存儲在BIM數據庫中。向業主交付時，可以移交BIM全套模型及數據庫，從而完成竣工文件和過程資料的數字化交付[7]。

4 機電工程施工智慧管理平臺的功能層級和系統架構

機電工程施工智慧管理平臺的數字化功能層級如圖2所示，其數字化水平是在系統實現過程中逐層推進，逐步完善的。

首先，利用BIM參數化設備建庫工具，把機電工程各項構件（包括基礎、設備、材料）建成矢量化的3D材料庫，包含基本外形、尺寸參數、安裝屬性等。其次，通過BIM建模工具、可視化引擎和GIS信息系統，打造一個三維的虛擬機電工程施工可視化環境。隨后，在工程建設數字化管控平臺上建立施工深化模型、施工過程模型等子模型，進一步實現施工組織管理、施工安全管理、施工質量管理、施工進度管理和計量支付管理等功能。BIM模型的特點是信息集中、直觀可視，可以進行構件碰撞檢查[8]，也可以進行施工組織過程預覽。最后，機電工程施工智慧管理平臺數字化水平的最高層次就是數字化交付。交工驗收BIM模型（精細度L5.0）囊括了機電工程各項設施、子設施、構件的地理坐標、屬性信息、安裝調試信息、施工過程信息、質量檢驗評定信息等，可視化模塊可以將上述信息用數字地圖基礎上的虛擬三維場景直觀展示出來。數字化交付也對接收方即運維單位的信息化水平提出了較高的要求。

機電工程施工智慧管理平臺的整體系統架構如圖3所示。在系統的實現過程中，應根據項目的功能需求和數字化層級水平，選擇適合的系統架構，以達到節約系統資源、提高系統運行速度的目的。

5 結語

BIM技術在高速公路機電工程施工階段的應用，為機電工程的智慧化建設打造了全新的發展領域，為機電工程實現智慧化管理、數字孿生和數字化交付提供了更多的技術手段。當然，BIM技術的應用方法和應用領域還有待行業同仁的進一步探索。隨著BIM技術和其他新技術的不斷融合發展，高速公路機電工程的智慧化建設水平將不斷邁向更高的層次。

參考文獻

[1]趙元龍. BIM技術在高速公路機電工程項目管理中的應用[J]. 中國公路， 2018（14）： 115-116.

[2]郭傳樂. BIM技術在高速公路機電工程中的應用分析[J]. 交通世界， 2017（28）： 166-167.

[3]李斌強. BIM技術在高速公路機電工程中的應用探討[J]. 中國交通信息化， 2015（5）： 33-34.

[4]劉軍生， 石韻， 王寶玉， 等. BIM技術在施工管理中的應用研究[J]. 施工技術， 2015（s1）： 785-787.

[5]王婷， 池文婷. BIM技術在4D施工進度模擬的應用探討[J]. 圖學學報， 2015（2）： 306-311.

[6]田云峰， 祝連波. 基于三維激光掃描和BIM模型在橋梁施工階段質量管理中的研究[J]. 建筑設計管理， 2014（8）： 87-90.

[7]汪再軍， 周迎. 基于BIM的建設工程竣工數字化交付研究[C]//中國圖學學會土木工程圖學分會. 第八屆BIM技術國際交流會——工程項目全生命期協同應用創新發展論文集. 《土木建筑工程信息技術》編輯部（Journal of Information Technology in Civil Engineering and Architecture）， 2021： 10.

[8]華昕若. BIM技術在高速公路跨線橋施工安全管理中的應用研究[J]. 公路工程， 2017（1）： 147-151.

收稿日期：2023-11-20

作者簡介：呂剛（1975—），男，碩士，工程師，研究方向：公路交通工程。