BIM在大型交通工程中的應用

(重慶交通大學　重慶　400074)

一、引言

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)自從 2002 年引入工程建設行業(yè)，至今已有十多年歷程，目前已經(jīng)在全球范圍內(nèi)得到業(yè)界的廣泛認可，被譽為建筑業(yè)變革的革命性力量[1]。對于BIM的定義，各自的見解都有所不同，較為完整的定義來自美國國家BIM標準[2-4]。建筑信息模型是設施具有物理和功能特征的數(shù)字化表達，因此是設施的共享信息資源，并且在全生命周期提供決策的可靠基礎(chǔ)[2-4]。

基于這些特點，學者們紛紛構(gòu)想如何合理的將BIM技術(shù)應用于交通工程中來。吳守榮等，運用BIM 技術(shù)建立三維可視化施工模型，從控制施工風險、進度、安全、質(zhì)量和施工全過程5D虛擬建造等5個應用方面進行詳細闡述[7]；張建平等根據(jù)我國施工管理特點和實際需求，提出了工程施工BIM應用的技術(shù)架構(gòu)、系統(tǒng)流程和應對措施，并將BIM與4D 技術(shù)相結(jié)合，自主研發(fā)建筑施工BIM建模系統(tǒng)和基于BIM的4D施工項目管理系列軟件，從而形成一套工程施工BIM 應用整體實施方案[8]，等等。

本文結(jié)合國內(nèi)外的文獻資料，分別闡述BIM在城市軌道交通工程、公路工程、橋梁工程中的具體應用，指出目前還存在的一些問題以及展望國內(nèi)BIM技術(shù)在今后的發(fā)展方向。

二、BIM在城市軌道交通工程中的應用

城市軌道交通作為城市公共交通系統(tǒng)的重要組成部分，它的出現(xiàn)緩解了各種“城市病”，由于其運量大、效率高、能耗低、集約化、乘坐方便、安全舒適等特點[9]，迅速發(fā)展成為城市交通的主動脈。但同時對于城軌建設又有許多難題擺在面前，城市軌道交通多為地下工程，我國地幅遼闊，跨距大，大地構(gòu)造、地形地貌、水文氣象等基礎(chǔ)條件在各地都有所不同，地質(zhì)現(xiàn)象眾多，導致各地城軌施工都變得較為復雜；城市軌道交通的周邊環(huán)境復雜，要充分考慮建筑與建筑以及地下管線之間的相互影響[10]；城市軌道交通作為一種人們出行的長期必備工具，它的后期運營養(yǎng)護也變得尤為重要。

由于BIM技術(shù)的能較好的解決這些問題，所以BIM在城軌建設工程中應用將成為未來的趨勢[11-12]。目前BIM在軌道交通設計中的研究應用主要有以下幾個方面：

1.方案研究中的應用

(1)場地分析

BIM模型與三維地面模型融合，利用Infraworks等工具軟件，分析地鐵站與商業(yè)開發(fā)的空間關(guān)系；分析地鐵出入口、風亭等附屬設施與周邊環(huán)境的關(guān)系。

(2)地下空間分析

通過BIM模型反映地下管線現(xiàn)狀，分析項目實施方案的合理性。

(3)方案調(diào)整

在BIM模型中直接對設計方案進行調(diào)整

(4)疏散模擬

運用BIM技術(shù)驗證逃生通道設計的合理性。

2.設計階段的應用

(1)模型構(gòu)建

運用BIM軟件建立3D模型。

(2)溝通協(xié)調(diào)

為項目參與方提供高效的三維可視化溝通平臺。

(3)管綜優(yōu)化設計

管綜優(yōu)化設計由 BIM團隊直接在模型中完成，真正做到管線零碰撞[13-14]，極大簡化了BIM團隊與設計師溝通的過程。

(4)機電深化設計

對施工圖設計階段的BIM模型更進一步深化，確保施工階段機電與內(nèi)裝無沖突。

(5)建筑出圖以及工程量統(tǒng)計

利用Revit中明細表功能，對車站構(gòu)件進行精確統(tǒng)計，為概預算提供依據(jù)。

(6)施工配合

可視化交底，對施工進行指導；施工過程進行4D模擬[15]，直觀準確地進行施工組織技術(shù)交底；通過移動設備將BIM模型與施工現(xiàn)場進行對比，及時發(fā)現(xiàn)施工中的問題。

三、BIM在公路工程中的應用

公路作為連接各地的重要基礎(chǔ)設施，為國家的經(jīng)濟發(fā)展帶來了騰飛[16]。公路具有不同于建筑工程的特點，它量大面廣線長、地質(zhì)條件復雜，需要長距離的表示空間地理位置關(guān)系、大面積的地表模型、地質(zhì)模型等。由于BIM技術(shù)在公路工程設計中的應用剛剛起步，國內(nèi)可供借鑒的案例不多，目前BIM在公路工程中的應用主要包括兩個方面：

1.基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的整合

(1)地形數(shù)據(jù)

地形數(shù)據(jù)是三維模型建立的基礎(chǔ)，根據(jù)不同需求所需的模型精度，地形和既有道路的幾 何信息與紋理屬性采集有以下幾種方式(精度依次提高)：高分辨率衛(wèi)星測量、航空攝影測量、三維激光測量。

(2)地物數(shù)據(jù)

對于改擴建道路工程中的既有植被、道路、橋梁、隧道等地物，采用機載激光三維測量獲取既有道路的地表信息，數(shù)據(jù)解析后形成地物三維模型。

通過上述手段，對地形、地物信息進行采集，最后將這些不同精度、不同類型的數(shù)據(jù)進 行整合，形成BIM基礎(chǔ)模型，同時還是其他應用開發(fā)的基礎(chǔ)和平臺。

2.設計方法

(1)在JSL-路線專家系統(tǒng)中進行設計，將路線平縱數(shù)據(jù)導出到三維設計軟件。

(2)對路基、橋梁和隧道等進行參數(shù)化設計；參數(shù)化設計完成后，形成公路三維設計成果。

(3)與地形和影像模型融合，并對路面、邊坡等添加材質(zhì)，添加其它屬性信息，形成BIM模型

四、BIM在橋梁工程中的應用

1.設計階段

(1)BIM方案設計

在預可工可以及投標階段，利用衛(wèi)星或無人機對場地進行快速建模，對橋 梁設計方案選擇、優(yōu)化與調(diào)整。通過VR眼鏡進行身臨其境的瀏覽。

(2)BIM協(xié)同設計

通過BIM協(xié)同設計系統(tǒng)，將設計人員按專業(yè)分工，統(tǒng)一納入系統(tǒng)進行協(xié)同設計，可以提高設計信息流轉(zhuǎn)效率；協(xié)同設計系統(tǒng)管理整個設計流程，并可與企業(yè)其他信息管理系統(tǒng)集成，形成設計企業(yè)信息化的構(gòu)架。

(3)參數(shù)化建模

實現(xiàn)常規(guī)標準化橋梁的參數(shù)化，主橋主要構(gòu)件的參數(shù)化；建立三維上、下部構(gòu)件的標準化庫，如箱梁、墩身、基礎(chǔ)等。根據(jù)原始基礎(chǔ)資料及線路設計資料，自動化、批量化完成全線引橋橋梁的設計建模。

(4)碰撞檢查

設計過程中鋼筋及預應力筋的碰撞檢測，橋上橋內(nèi)設施、隧道內(nèi)機電管線的碰撞檢測，以及設計階段其他構(gòu)件的干涉檢測。

(5)BIM與計算分析軟件結(jié)合

將BIM三維模型局部導入有限元計算軟件計算，通過計算結(jié)果修訂三維模型，從而實現(xiàn)建模和分析計算的高效統(tǒng)一。

(6)輔助設計工具

實現(xiàn)橋梁與線路、地形、地質(zhì)的關(guān)聯(lián)化，借助地質(zhì)模型，實現(xiàn)地基承載力的自動計算，隨著結(jié)構(gòu)的移動，可以自動計算樁長。通過輔助軟件保證設計變更的快速完成，如二維出圖、交通流量分析、工程量統(tǒng)計等功能。

(7)BIM數(shù)據(jù)庫

建立BIM數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)一管理勘察、設計、建模、分析中的工程數(shù)據(jù)，為施工以及運維階段數(shù)據(jù)庫建立奠定基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實現(xiàn)設計階段數(shù)據(jù)的輸入、查看與管理。

2.施工階段

(1)制造與預拼裝

將三維模型以中間數(shù)據(jù)格式的方式同數(shù)控設備進行直接對接，以自動化方式完成對零部件的精確制造；運用BIM技術(shù)在虛擬環(huán)境中進行拼裝測試，提前發(fā)現(xiàn)問題，減少返工和整改而造成的經(jīng)濟損失。

(2)4D施工策劃

①施工過程模擬

在施工之前就能看到并了解整個項目施工的詳細過程和結(jié)果，避免不必要的返工所帶來的人力物力消耗，為實際工程項目施工提供經(jīng)驗和最優(yōu)的可行方案。

②施工工藝模擬

為關(guān)鍵施工步驟模擬提供可視化解決方法，解決施工中存在的錯漏碰；通過BIM技術(shù)結(jié)合施工作業(yè)指導書、施工仿真動畫，快速地表達施工步 驟，可大大減少誤讀，避免質(zhì)量問題、安全問題，減少返工和整改。

(3)4D施工管理

①施工進度管理

將BIM模型附加施工進度計劃屬性參數(shù)，形成4D模型。分別通過手機端和網(wǎng)頁端上傳施工進度數(shù)據(jù)。直觀展現(xiàn)計劃建造過程，分析實際施工與進度計劃的偏差，合理糾偏并調(diào)整進度計劃，使管理者對工程量及進度影響一目了然。

②施工質(zhì)量驗收管理

施工方利用App錄入提交質(zhì)量檢驗相關(guān)信息，系統(tǒng)推送至監(jiān)理方，再經(jīng)審核后推送至業(yè)主驗收，實現(xiàn)施工過程管理無紙化，提高管理效率

(4)結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)控與動態(tài)更新

通過結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，利用已建BIM模型進行仿真分析，并利用橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別機理和云端數(shù)據(jù)庫及時更新結(jié)構(gòu)自身狀態(tài)和力學性能信息，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全評估和智能預警，并最終為運維階段提供真實可靠的BIM模型信息。

3.運維階段BIM技術(shù)應用

(1)橋梁BIM建養(yǎng)一體化云平臺

應用4D建模、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成及移動互聯(lián)技術(shù)，建立橋建養(yǎng)一體化平臺，實現(xiàn)建養(yǎng)全過程的信息共享和動態(tài)模擬，進行橋梁運維的準確評估、快速預警和高效決策。建立基于BIM技術(shù)的橋梁管養(yǎng)一體化平臺，解決全壽命周期的可視化信息共享，實現(xiàn)橋梁精細化、動態(tài)化管理；堅持以“全壽命周期內(nèi)的監(jiān)管養(yǎng)護”為目標，通過數(shù)字化養(yǎng)護，建立橋梁全壽命期的數(shù)字化、信息化檔案；及時“感知橋梁”，在結(jié)構(gòu)危險萌芽階段發(fā)出預警。

(2)橋梁全壽命周期成本計算及評估

橋梁全壽命周期成本是指橋梁整個壽命期內(nèi)用于橋梁的規(guī)劃、研究、設計、實驗、施工、養(yǎng)護、檢測、維修、管理、拆除等各階段作業(yè)所支付的成本總稱，可利用BIM技術(shù)建立計算模型，用社會折現(xiàn)率和物價波動水平來表征計算。

五、總結(jié)

BIM的熱潮已從建筑行業(yè)蔓延到基礎(chǔ)設施行業(yè)，本文結(jié)合目前BIM技術(shù)在大型交通工程中的一些應用理論，展示了BIM在工程建設中的一些可應用面。我們不難發(fā)現(xiàn)無論是在設計、施工還是運維階段，理論基礎(chǔ)都已準備得較為完善，框架已基本構(gòu)建完成，但在近幾年，實際的工程數(shù)量卻很少，其主要原因是支撐理論的核心軟件沒有及時開發(fā)出來，應用平臺的兼容性不好，這就需要我們向國外學習先進的研發(fā)技術(shù)，并大膽在實踐中踐行，敢于在實踐中創(chuàng)新。我國的BIM技術(shù)還處在發(fā)展階段，與國外高水平還有一定差距，只有更多學習，更多的運用到工程實踐中，才能讓理論更可行，我們才能成為一個正真的BIM強國。同時可以發(fā)現(xiàn)BIM技術(shù)無論在城市軌道交通、公路、還是橋梁中的應用都是朝著一個方向在發(fā)展——全生命周期應用，在未來幾年里，BIM的發(fā)展將致力于實現(xiàn)全生命周期應用，致力于更加國際化標準化的應用。BIM是一門還在普及當中的新技術(shù)，學習好這門技術(shù)對我們未來的職業(yè)發(fā)展有著莫大的幫助，BIM應用廣泛，無論將來我們在業(yè)主、施工單位還是設計院都可能涉及，如果我們現(xiàn)在在校園階段就較好的熟悉了這方面技術(shù)，未來的發(fā)展是不可限量的。

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