道路工程中BIM應(yīng)用技術(shù)研究

陳 明

(廣西交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，廣西 南寧 530001)

0 引言

BIM是代表建筑信息模型(Building Information Modeling)的首字母縮略詞，是一個(gè)借助三維數(shù)字化模型將工程項(xiàng)目的幾何特性、構(gòu)件要素、施工進(jìn)度等信息集合在一起方便項(xiàng)目各方參與者進(jìn)行協(xié)同作業(yè)以提高效率的共享平臺(tái)，而不單單只是一個(gè)軟件。BIM使用模型來(lái)傳遞信息，并體現(xiàn)出各方參與者協(xié)同作業(yè)而產(chǎn)生的巨大優(yōu)勢(shì)[1]。

美國(guó)總務(wù)管理局(GSA)自2003年起開(kāi)始實(shí)施一項(xiàng)被稱為3D-4D-BIM計(jì)劃的項(xiàng)目。自2014年歐盟頒布了《公共采購(gòu)指令》鼓勵(lì)所有成員國(guó)采用BIM來(lái)提高公共項(xiàng)目的應(yīng)用價(jià)值；其中英國(guó)于2016年明確授權(quán)國(guó)家投資公共項(xiàng)目需采用BIM技術(shù)進(jìn)行；法國(guó)推行BIM國(guó)家數(shù)字化技術(shù)；德國(guó)建設(shè)改革委成立了BIM工作組，為德國(guó)制定BIM戰(zhàn)略，并在項(xiàng)目上增加BIM的采用；奧地利已經(jīng)出版了國(guó)家BIM標(biāo)準(zhǔn)。

新加坡政府也成立了BIM基金。韓國(guó)政府計(jì)劃于2016年前實(shí)現(xiàn)全部公共工程的BIM應(yīng)用。日本的建筑信息技術(shù)軟件產(chǎn)業(yè)成立國(guó)家級(jí)國(guó)產(chǎn)解決方案軟件聯(lián)盟。我國(guó)住建部分別于2011年、2013年將BIM列為“十二五”中國(guó)建筑業(yè)重點(diǎn)推廣技術(shù)與頒布《關(guān)于推進(jìn)BIM技術(shù)在建筑領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的指導(dǎo)意見(jiàn)》(征求意見(jiàn)稿)，明確指出“2016年，所有政府投資的2萬(wàn)m2以上的建筑的設(shè)計(jì)、施工必須使用BIM技術(shù)”；并于2015年，政府把BIM和工程造價(jià)大數(shù)據(jù)應(yīng)用列入《關(guān)于推進(jìn)建筑業(yè)發(fā)展和改革的若干意見(jiàn)》中。

BIM技術(shù)在建筑行業(yè)應(yīng)用的成果較為豐富，但在交通行業(yè)的應(yīng)用仍處于起步階段，雖然已經(jīng)展現(xiàn)了一定的效益，并吸引了很多關(guān)注，但多數(shù)人仍然認(rèn)為BIM技術(shù)只是對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)和提高，并未引起行業(yè)的革新變化。鑒于此，本文從BIM的技術(shù)特點(diǎn)及在道路領(lǐng)域中的應(yīng)用兩個(gè)方面進(jìn)行闡述，希望引起更多道路從業(yè)者對(duì)BIM在道路領(lǐng)域所起作用的重視。

1 BIM的技術(shù)特點(diǎn)

1.1 BIM技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)

BIM技術(shù)因其顯著的三維技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在建筑道路行業(yè)中引發(fā)了一場(chǎng)影響巨大的設(shè)計(jì)技術(shù)革命，道路行業(yè)應(yīng)用BIM技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

(1)三維可視化

真正的BIM模型由用于建造建筑物的實(shí)際建筑部件和部件的虛擬等價(jià)物組成。這些元素具有其真實(shí)對(duì)應(yīng)物的所有特征——無(wú)論是物理的還是邏輯的。這些智能元素是墻體、立柱、窗戶、門(mén)、樓梯等實(shí)體建筑元素的數(shù)字原型，它們使我們能夠在實(shí)際施工開(kāi)始之前以計(jì)算機(jī)環(huán)境模擬建筑并了解其行為。

(2)建筑模擬

BIM模型不僅包含建筑數(shù)據(jù)，還包含建筑信息的全部深度，包括所有建筑學(xué)科有關(guān)的數(shù)據(jù)，甚至包括可持續(xù)發(fā)展信息，借此可以很好地模擬建筑物的所有特性。

(3)數(shù)據(jù)管理

BIM包含完全沒(méi)有可視化表現(xiàn)的信息。例如，調(diào)度信息闡明了必要的人力，協(xié)調(diào)任何可能影響項(xiàng)目進(jìn)度的內(nèi)容。成本也是BIM的一部分，它使我們能夠看到項(xiàng)目期間任何給定時(shí)間點(diǎn)項(xiàng)目的預(yù)算或估計(jì)成本。

(4)建筑運(yùn)營(yíng)

所有數(shù)據(jù)都采用BIM模型，不僅在建筑項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工階段效果顯著，而且可以在整個(gè)建筑生命周期中使用，有助于降低建筑物的運(yùn)營(yíng)和管理成本。

(5)信息完備性

BIM技術(shù)可描述工程對(duì)象的3D幾何信息和拓?fù)潢P(guān)系以及完整的工程信息。

1.2 相關(guān)軟件

BIM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要一系列功能與之對(duì)應(yīng)的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，相關(guān)軟件的名稱及特點(diǎn)如表1所示。

表1 BIM軟件產(chǎn)品介紹表

2 BIM技術(shù)在道路領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 策劃應(yīng)用

BIM技術(shù)在該階段的主要應(yīng)用有以下幾個(gè)方面。

(1)BIM與GIS對(duì)設(shè)計(jì)條件判斷分析

BIM和GIS的集成可以更深入地了解更好的決策，溝通和理解。通過(guò)將BIM和GIS與時(shí)間信息一起使用，項(xiàng)目參與者可以更好地了解項(xiàng)目建設(shè)之前、期間和之后的決策影響。

(2)基于BIM和GIS道路成本估計(jì)系統(tǒng)

成本估計(jì)系統(tǒng)由三個(gè)模塊組成，分別是建設(shè)成本估計(jì)模塊、土地收購(gòu)成本模塊和運(yùn)營(yíng)維護(hù)模塊，原理是基于道路路線，通過(guò)對(duì)地形上截面進(jìn)行系統(tǒng)分析，確定道路、橋梁和隧道大致位置以及這些項(xiàng)目的成本。而且數(shù)據(jù)表明，使用BIM技術(shù)進(jìn)行成本估計(jì)，可以減少40%的預(yù)算，估算的精度和傳統(tǒng)估算方法相比在3%以內(nèi)，成本估算的時(shí)間減少80%，同時(shí)，減少了10%的花費(fèi)與7%的項(xiàng)目時(shí)間。

(3)實(shí)現(xiàn)互動(dòng)漫游的可視化

BIM提供詳細(xì)的三維可視化和擁有組織大量有關(guān)建筑物的數(shù)據(jù)的能力。GIS具有高度的可定制性，能夠進(jìn)行分析。BIM與GIS的結(jié)合能夠?qū)㈨?xiàng)目與周邊環(huán)境存在著的形體、色彩、朝向、可視度等多方面聯(lián)系進(jìn)行分析對(duì)比，提供帶有數(shù)據(jù)支撐的、直觀的依據(jù)進(jìn)行下一步方案設(shè)計(jì)，使策劃方案更加合理化。

2.2 設(shè)計(jì)應(yīng)用

在該階段，道路工程師可以將道路幾何信息直接傳達(dá)給結(jié)構(gòu)工程師，以便其在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件中設(shè)計(jì)其他交通結(jié)構(gòu)物，達(dá)到多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)的目的。BIM數(shù)據(jù)的正確利用將有助于實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有成本效益的設(shè)計(jì)解決方案，并提高項(xiàng)目利益相關(guān)者之間的溝通效率[2]。整個(gè)設(shè)計(jì)階段流程包括：(1)三維數(shù)字地形模型建立與分析；(2)基于BIM和3S(RS、GIS、GPS)一體化技術(shù)，提出道路信息模型；(3)路線平面、縱斷面設(shè)計(jì)；(4)路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面設(shè)計(jì)；(5)道路模型生成；(6)景觀和環(huán)境分析；(7)管線綜合設(shè)計(jì)；(8)相關(guān)圖表成果生成。

2.3 造價(jià)應(yīng)用

工程造價(jià)是工程建設(shè)項(xiàng)目管理中一項(xiàng)主要工作，是工程施工中為各環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化控制調(diào)整的重要依據(jù)，可利用工程造價(jià)對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行較好考核，工程造價(jià)的管理主要分為工程量統(tǒng)計(jì)與成本預(yù)算兩個(gè)方面，其又稱為BIM的5D應(yīng)用(3D空間+4D時(shí)間+5D造價(jià))。主要包括：(1)投資決策階段造價(jià)應(yīng)用；(2)設(shè)計(jì)階段的造價(jià)應(yīng)用；(3)施工階段的造價(jià)應(yīng)用。

2.4 施工應(yīng)用

道路工程項(xiàng)目的施工過(guò)程是一個(gè)周期長(zhǎng)、資源消耗數(shù)量大的過(guò)程。我國(guó)的施工階段的投資控制，是施工方根據(jù)設(shè)計(jì)方提供的施工圖來(lái)進(jìn)行工程量和造價(jià)計(jì)算，然后進(jìn)行招投標(biāo)。然而建設(shè)是分階段進(jìn)行的，對(duì)于同一項(xiàng)工程，施工人員可能比設(shè)計(jì)人員對(duì)場(chǎng)地和施工工藝的認(rèn)識(shí)更加深刻，可能會(huì)提出更適宜的施工方案，但是為了適應(yīng)工程項(xiàng)目的不同要求，施工方與設(shè)計(jì)方進(jìn)行協(xié)調(diào)的可能性較小，變更設(shè)計(jì)方案更是難上加難。采用BIM技術(shù)將道路施工分六個(gè)方面來(lái)更加細(xì)化地理解這個(gè)問(wèn)題。

(1)工程量自動(dòng)分析

公路施工按照各標(biāo)段進(jìn)行管理，如土石方工程、橋梁工程、隧道工程等，本文以土石方工程為例，傳統(tǒng)不使用三維建模高速公路計(jì)算填挖方往往消耗大量時(shí)間，并且不精確的土石方計(jì)算將導(dǎo)致公路項(xiàng)目總成本增加[3]。本文介紹一種基于DEM土石方量計(jì)算的基本思想，將地面網(wǎng)格模型和頂面網(wǎng)格模型通過(guò)平面網(wǎng)格模型和離散點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行插值計(jì)算得到，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

hx，y=Zsx，y-Zcx，y

V=?∑hx，ydS

式中：hx，y——網(wǎng)格點(diǎn)高程差值；

V——土石方體積。

(2)路基施工三維動(dòng)態(tài)進(jìn)度模型

BIM和GIS技術(shù)之間存在著根本的區(qū)別。BIM是一個(gè)高度標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)，而GIS是一個(gè)用戶定義的結(jié)構(gòu)。BIM中的數(shù)據(jù)交換主要是基于文件的，而GIS是基于服務(wù)器的[4]。但基于BIM原理建立的核心模型與數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)利用GIS的數(shù)據(jù)融合分析功能，在建立公路設(shè)計(jì)施工信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，搭建三維高精度地形影響可視化平臺(tái)，開(kāi)發(fā)二維GIS數(shù)據(jù)庫(kù)以及三維高精度地形影響可視化平臺(tái)的聯(lián)動(dòng)模版，可以將BIM與GIS有機(jī)結(jié)合最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)更新功能。

(3)路面施工形象進(jìn)度模型

“路面施工形象進(jìn)度模型”可與三維高精度地形模型一起聯(lián)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)更新功能。本文以Civil 3D軟件為例，將車行道路面工程一小段的施工模擬截圖，后期渲染圖展示如圖1所示。

圖1 路面施工模擬圖

(4)自動(dòng)經(jīng)緯儀與Revit集成

利用自動(dòng)經(jīng)緯儀與BIM的Revit軟件進(jìn)行集成如圖2所示，由此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)放樣點(diǎn)和周邊環(huán)境的可視化，可以提高放樣精度，而且在模型建好后，可以使用3D打印技術(shù)，得到小規(guī)模的實(shí)體，并由此檢查模型的結(jié)構(gòu)完整性[5]。

圖2 自動(dòng)經(jīng)緯儀與Revit集成示意圖

(5)道路施工進(jìn)度優(yōu)化

將異構(gòu)環(huán)境下任務(wù)調(diào)度理論與BIM技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)異構(gòu)環(huán)境下任務(wù)調(diào)度理論，實(shí)現(xiàn)道路施工計(jì)劃任務(wù)的分包與調(diào)度優(yōu)化。有研究提出了MCEFT(Modified Constrained Earliest Finish Time)算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)問(wèn)題優(yōu)化的有效解決。該算法能給出優(yōu)化后的建議施工進(jìn)度計(jì)劃任務(wù)調(diào)度與資源組分配方案，并求出近似最小化施工進(jìn)度計(jì)劃的完成時(shí)間[6]。

(6)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)安裝模擬

在復(fù)雜項(xiàng)目的施工過(guò)程中，可通過(guò)4D虛擬模型的創(chuàng)建，看清楚復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的三維布置，解決圖紙復(fù)雜部位表達(dá)不清與施工交底不清楚的問(wèn)題。提高操作員崗位培訓(xùn)的效率，在崗位培訓(xùn)時(shí)可以更加直觀、方便、快捷地了解掌握裝置的工藝流程、設(shè)備的屬性[7]。

2.5 運(yùn)營(yíng)與維護(hù)應(yīng)用

在施工結(jié)束后需要和各參建方進(jìn)行溝通和信息分享，設(shè)想如果有一個(gè)龐大的、完整的、實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)庫(kù)，作為運(yùn)維階段的技術(shù)支撐，可能極大降低維護(hù)的困難[8]。

采用BIM模型與運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理系統(tǒng)相結(jié)合，能夠發(fā)揮其在空間定位和數(shù)據(jù)記錄方面的優(yōu)勢(shì)，更合理地制定維護(hù)計(jì)劃，提高維護(hù)效率。主要包括：(1)全景激光雷達(dá)公路路況采集技術(shù)集成；(2)建立公路路況數(shù)據(jù)采集與技術(shù)狀況評(píng)定系統(tǒng)；(3)平整度、車轍自動(dòng)檢測(cè)解算；(4)實(shí)現(xiàn)隧道運(yùn)營(yíng)管理；(5)公路預(yù)防性養(yǎng)護(hù)等。國(guó)外已有美國(guó)Ⅰ-15州級(jí)公路改擴(kuò)建工程項(xiàng)目，我國(guó)已有BIM技術(shù)在大連市疏港路拓寬改造的創(chuàng)新應(yīng)用[9]。

3 工程實(shí)例

3.1 國(guó)外實(shí)例

BIM技術(shù)在國(guó)外應(yīng)用的時(shí)間長(zhǎng)，積累的經(jīng)驗(yàn)豐富，有以下的具體工程用到相關(guān)的BIM技術(shù)。自芬蘭首都到西部的Kt51路采用移動(dòng)地圖設(shè)備(Trimble MX8)對(duì)所選擇的特殊道路部分進(jìn)行測(cè)量，然后使用Terrasolid Oy(TerraScan，TerraMatch)提供的軟件和工具對(duì)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析和建模，進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)采用BIM技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)調(diào)查與道路設(shè)計(jì)進(jìn)行應(yīng)用后可以獲取更為準(zhǔn)確的信息模型，效果如圖3，做到?jīng)]有重大事故延誤[10]。

圖3 芬蘭Kt51路三維分析建模圖

韓國(guó)Lee通過(guò)BIM建模制作某條高速公路的二維設(shè)計(jì)圖，比較2D設(shè)計(jì)和3D設(shè)計(jì)，從中可以確定BIM應(yīng)用的可能性。Kim等人(2009)分析了通過(guò)使用商業(yè)化BIM建模工具構(gòu)建的BIM數(shù)據(jù)模型的IFC兼容性。另外，通過(guò)國(guó)內(nèi)外進(jìn)行的類似高級(jí)研究的比較，提出了通過(guò)國(guó)際金融公司進(jìn)行BIM數(shù)據(jù)兼容的問(wèn)題以及解決這些問(wèn)題的手段。Moon等人針對(duì)道路涵洞和護(hù)坡結(jié)構(gòu)構(gòu)建基于BIM模型庫(kù)的公路涵洞護(hù)坡設(shè)計(jì)模型。

美國(guó)加利福尼亞州的道路項(xiàng)目進(jìn)行到填挖施工階段，其BIM模型如圖4所示。發(fā)現(xiàn)通過(guò)BIM建立詳細(xì)模式，能夠?yàn)榭蛻糇鰞r(jià)值工程，嘗試各種選項(xiàng)來(lái)匹配計(jì)劃目標(biāo)和預(yù)算。

圖4 加利福尼亞州道路BIM模型圖

英國(guó)Ramboll實(shí)施BIM二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的試點(diǎn)項(xiàng)目——倫敦交通運(yùn)輸Hammersmith采用BIM建模對(duì)622 m長(zhǎng)的16跨段預(yù)制混凝土柱斜拉橋改建項(xiàng)目進(jìn)行后張力加固和更換現(xiàn)有軸承結(jié)構(gòu)如圖5所示。該模型詳細(xì)展示了使加固結(jié)構(gòu)獨(dú)立于現(xiàn)有系統(tǒng)的后加新系統(tǒng)。

圖5 斜拉橋加固結(jié)構(gòu)新系統(tǒng)BIM建模圖

3.2 國(guó)內(nèi)實(shí)例

雖然我國(guó)BIM技術(shù)起步較晚，但在一些具體工程中用到了相應(yīng)的技術(shù)。浙江省臺(tái)州市開(kāi)發(fā)大道采用Civil 3D、Revit軟件進(jìn)行路基設(shè)計(jì)比較分析，得出Civil 3D更適合路基BIM設(shè)計(jì)。在夜郎河雙線特大橋施工中使用BIM技術(shù)進(jìn)行虛擬施工和對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D可視化交底，對(duì)多處施工工序沖突提前示警并進(jìn)行了優(yōu)化，回避了由于施工方因交底理解不清導(dǎo)致相應(yīng)的施工錯(cuò)誤而造成的返工。實(shí)現(xiàn)了工程量有效提取，為物資采購(gòu)計(jì)劃及項(xiàng)目成本分析提供了準(zhǔn)確依據(jù)，產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[11]。上海市豐翔路規(guī)劃建設(shè)采用面向異構(gòu)資源環(huán)境的BIM道路施工進(jìn)度優(yōu)化方法整體合計(jì)減少施工用時(shí)173 d，整體可以平均節(jié)省成本3 564.16萬(wàn)元[12]。

武漢市跨京廣鐵路斜拉橋建設(shè)過(guò)程中研究了BIM技術(shù)在該變截面橋梁的施工應(yīng)用，建立了該跨鐵路橋各結(jié)構(gòu)構(gòu)件族、施工階段臨時(shí)構(gòu)件族，整體效果如圖6所示，形成了本工程三維模型族庫(kù)[13]。

圖6 武漢市跨京廣鐵路斜拉橋模型圖

吉林省某高速公路改擴(kuò)建工程項(xiàng)目采用車載激光3D測(cè)量技術(shù)，獲取了道路基礎(chǔ)設(shè)施信息、道路構(gòu)造物等信息，同時(shí)對(duì)公路BIM可視化進(jìn)行了應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了施工圖協(xié)同設(shè)計(jì)，提高了公路勘察設(shè)計(jì)的質(zhì)量，使公路擴(kuò)修進(jìn)展順利[14]。

香港沙田至中環(huán)線路擴(kuò)建采用BIM模型進(jìn)行線路設(shè)計(jì)以及項(xiàng)目信息管理，使整體項(xiàng)目可視化，工作流程透明化，優(yōu)化了整體項(xiàng)目部門(mén)合作。

河北省京港澳高速公路涿州(京冀界)至石家莊段改擴(kuò)建工程進(jìn)行了公路BIM可視化應(yīng)用，用于公路設(shè)計(jì)路線方案比選、路線初步設(shè)計(jì)等，在Bently環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了基于3D產(chǎn)品、三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)施工圖協(xié)同設(shè)計(jì)[15]。

4 結(jié)語(yǔ)

BIM自身顯著的三維技術(shù)相對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)更簡(jiǎn)單、方便、節(jié)省成本、具有預(yù)見(jiàn)性，使得傳統(tǒng)道路設(shè)計(jì)、施工、后期運(yùn)營(yíng)管理過(guò)程變得可視化，提前消除因各方信息不通的情況下造成的不必要的成本浪費(fèi)，并對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控設(shè)計(jì)等，對(duì)建筑和道路行業(yè)而言是一場(chǎng)影響巨大的技術(shù)革命。

借助BIM技術(shù)，公路策劃、設(shè)計(jì)、造價(jià)、施工等應(yīng)用功能的一個(gè)或多個(gè)精確虛擬模型可以數(shù)字化構(gòu)建。它們支持公路領(lǐng)域的各個(gè)階段，比手動(dòng)過(guò)程更好地進(jìn)行分析和控制。完成后，計(jì)算機(jī)生成的模型包含精確的幾何圖形和數(shù)據(jù)，以支持建筑施工。

通過(guò)國(guó)內(nèi)外相關(guān)的具體工程實(shí)例可以看出，BIM技術(shù)不僅能夠應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，在道路工程應(yīng)用中提供了一種在構(gòu)建生命周期過(guò)程內(nèi)各個(gè)方面同時(shí)開(kāi)展工作的方法，提供改變傳統(tǒng)架構(gòu)階段和數(shù)據(jù)共享的方式，其建模過(guò)程集成了實(shí)際的施工件和零件，可用作估算和完成施工成本預(yù)測(cè)的工具，能夠提高道路建設(shè)的合理性及科學(xué)性。

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