BIM技術(shù)在公路工程建設(shè)與管理中的應(yīng)用及展望

李卓燦，馮 曉

（重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074）

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)公路建設(shè)走上了高速發(fā)展的快車道，在這期間公路設(shè)計(jì)制圖實(shí)現(xiàn)了由紙筆設(shè)計(jì)計(jì)算到應(yīng)用CAD 技術(shù)的第一次飛躍。較之手工繪圖而言，CAD 制圖不僅速度快、質(zhì)量高、節(jié)約成本，而且通過數(shù)據(jù)的信息化，可以方便地對(duì)資料存檔進(jìn)行修改。

BIM技術(shù)的出現(xiàn)是科技進(jìn)步的再一次集中體現(xiàn)，BIM技術(shù)不僅僅是從平面到立體制圖的突破，就工程建設(shè)領(lǐng)域而言，它是從項(xiàng)目立項(xiàng)、工程可行性研究、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)、工程項(xiàng)目組織實(shí)施到運(yùn)營(yíng)管理全方位的技術(shù)管理水平的提升。相對(duì)于CAD技術(shù)而言，在設(shè)計(jì)階段BIM應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了從平面圖紙到立體數(shù)據(jù)模型的轉(zhuǎn)變，更加直觀具體；在施工階段將設(shè)計(jì)方案與施工組織管理進(jìn)行融合與對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了對(duì)施工組織計(jì)劃的優(yōu)化；在運(yùn)維階段則是通過數(shù)據(jù)承接把設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維管理相統(tǒng)一，形成了具有可追溯性的系統(tǒng)化評(píng)價(jià)體系。BIM技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展為我們呈現(xiàn)了一個(gè)全新的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，在國(guó)家的大力推廣應(yīng)用下必將帶來(lái)巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，具有重大的社會(huì)意義。

1 BIM技術(shù)的特點(diǎn)

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是以三維數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)[1]，將建設(shè)項(xiàng)目整個(gè)壽命周期內(nèi)全部幾何特性信息以及施工進(jìn)度等過程控制信息綜合到單一模型中[2]，并應(yīng)用數(shù)字化模型進(jìn)行項(xiàng)目規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)管維護(hù)的數(shù)字集成技術(shù)，具有可視化、協(xié)同性與模擬性等特點(diǎn)。它起源于1975年查克·伊士曼博士（Chuck Eastman，Ph.D.）提出的建筑描述系統(tǒng)（Building Description System，BDS）[3]，并在2002年首次作為一個(gè)專業(yè)術(shù)語(yǔ)被Autodesk 公司副總裁菲利普·伯恩斯坦（Phil Bernstein）公開提出并使用[4]。

1.1 可視化

BIM技術(shù)最突出的特點(diǎn)便是其可視性，將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中二維抽象的平面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為三維立體的模型，不但可以形象直觀地展示平面圖紙中無(wú)法呈現(xiàn)的構(gòu)件細(xì)節(jié)，還可以清晰了解各構(gòu)件之間的互動(dòng)與反饋關(guān)系，有利于提高參建項(xiàng)目各方的交流溝通效率，并為管理者決策提供科學(xué)準(zhǔn)確的參考。

1.2 協(xié)同性

公路工程項(xiàng)目參與方眾多、工程復(fù)雜、耗時(shí)較長(zhǎng)，因此需要協(xié)調(diào)參建項(xiàng)目各方的工作，加強(qiáng)不同專業(yè)間的溝通以提高工作效率，減少?zèng)_突和錯(cuò)誤的產(chǎn)生。通過應(yīng)用BIM技術(shù)，整合相關(guān)數(shù)據(jù)資料以及文件，使參建各方的工作內(nèi)容以數(shù)據(jù)的方式統(tǒng)一展示在BIM模型中并實(shí)時(shí)更新，通過碰撞檢查在項(xiàng)目實(shí)施前便發(fā)現(xiàn)并解決沖突。

1.3 模擬性

BIM的模擬性可應(yīng)用于公路工程全壽命周期中。在設(shè)計(jì)階段通過進(jìn)行駕駛員仿真駕駛模擬，了解道路設(shè)計(jì)中的平縱橫斷面設(shè)置是否合理，為后續(xù)線型優(yōu)化工作提供依據(jù)；在施工階段對(duì)施工過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，優(yōu)化施工組織計(jì)劃，減少事故發(fā)生的可能性；在運(yùn)維階段對(duì)緊急情況發(fā)生時(shí)的處理方式進(jìn)行模擬，提高運(yùn)維人員應(yīng)對(duì)事故的快速反應(yīng)能力。

2 BIM在公路全壽命周期的應(yīng)用

由于現(xiàn)有公路BIM應(yīng)用技術(shù)尚不完善，直接設(shè)計(jì)出包含項(xiàng)目全周期所有用途的BIM模型并不現(xiàn)實(shí)。利用項(xiàng)目在不同階段模型應(yīng)用側(cè)重點(diǎn)不同的特點(diǎn)，采用公路BIM模型等級(jí)，從幾何精細(xì)度、模型顆粒度以及信息深度幾方面對(duì)模型進(jìn)行分級(jí)[5]，使用不同建模軟件及建模方法分別建立環(huán)境模型以及工程模型，分級(jí)完善BIM模型是現(xiàn)有BIM應(yīng)用的一種可行方式。圖1 是基于公路BIM模型等級(jí)的公路全壽命周期3D 建模方案。對(duì)各階段公路BIM模型等級(jí)要求見表1。

圖1 基于公路BIM模型等級(jí)的公路全壽命周期3D 建模方案

表1 各階段公路模型等級(jí)

2.1 在勘察設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

公路工程的勘察設(shè)計(jì)可分為工程可行性研究、初步設(shè)計(jì)以及施工圖設(shè)計(jì)等幾個(gè)階段。在不同階段設(shè)計(jì)的主要目的不同，其BIM設(shè)計(jì)的應(yīng)用側(cè)重點(diǎn)也不一樣。在工可階段，重點(diǎn)在于路線布局，通過應(yīng)用BIM技術(shù)的可視性特點(diǎn)，可清晰了解路線布局中存在的問題并進(jìn)行修改。而初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)階段，重點(diǎn)在于對(duì)路線方案的不斷優(yōu)化修改，利用BIM技術(shù)的協(xié)同性和優(yōu)化性，可大量減少設(shè)計(jì)中的工作量。

2.1.1 在工可階段的應(yīng)用

在工程可行性階段，需要對(duì)項(xiàng)目是否可行進(jìn)行分析論證，只有確定項(xiàng)目是確實(shí)可行的，才能開展下一步的工作。公路工程是一種線性工程，施工時(shí)涉及的施工范圍很大，地理環(huán)境條件是確定項(xiàng)目是否可行時(shí)必須考慮的因素。因此BIM技術(shù)應(yīng)用的首個(gè)工作便是建立三維地形模型，通過多種方式（如衛(wèi)星遙感技術(shù)、航空攝影、激光掃描、GPS 測(cè)量、傳統(tǒng)外業(yè)測(cè)量等）收集地理環(huán)境數(shù)據(jù)，并建立小比例DEM/TIN模型，將公路走廊帶的地貌、地形、地質(zhì)、生態(tài)等環(huán)境因素直觀地展現(xiàn)出來(lái)[6]，方便公路設(shè)計(jì)人員對(duì)路線布局及施工方案進(jìn)行規(guī)劃。建立好三維地面模型后，在其上建立路線規(guī)劃/選線方案的二維模型，并利用BIM仿真模擬技術(shù)進(jìn)行道路可行性分析，可以減少大量繁瑣的計(jì)算和論證工作。

2.1.2 在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

在道路設(shè)計(jì)階段，首先要對(duì)工可階段時(shí)建立的三維地面模型進(jìn)行細(xì)化，在已經(jīng)建立的小比例DEM/TIN 模型基礎(chǔ)上，通過導(dǎo)入并整合在外業(yè)勘測(cè)期間記錄的各種數(shù)據(jù)，得到精度更高的大比例DEM/TIN 模型。與傳統(tǒng)勘察設(shè)計(jì)方法相比，由于在前期工作中已經(jīng)得到了高精度的大比例DEM/TIN模型，在后期反復(fù)修改優(yōu)化平縱橫線路時(shí)便不必重新進(jìn)行野外測(cè)設(shè)，線路更改變動(dòng)后利用大比例DEM/TIN 模型便可得到任意縱橫斷面數(shù)據(jù)，使公路勘察設(shè)計(jì)更加科學(xué)化、人性化。同時(shí)，由于采用高精度的大比例DEM/TIN 模型，得到的土石方量較傳統(tǒng)方法而言也更接近實(shí)際填挖量[7]。表2 為不同測(cè)量模式設(shè)計(jì)效果的對(duì)比。

表2 不同測(cè)量模式設(shè)計(jì)效果的對(duì)比

由于公路工程具有點(diǎn)多線長(zhǎng)的特點(diǎn)[8]，對(duì)線路整體進(jìn)行高精度建模并不現(xiàn)實(shí)，目前較為可行的BIM應(yīng)用方式是對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行分級(jí)建模。將道路模型分為3 個(gè)細(xì)度等級(jí)進(jìn)行建模。首先是線路整體模型，即工可階段完成的整體線路2D 模型。在此基礎(chǔ)上，分標(biāo)段建立道路路段3D 模型及橋梁隧道簡(jiǎn)易模型。最后，進(jìn)一步細(xì)化并建立精密的橋梁、隧道及道路施工圖設(shè)計(jì)模型以及道路附屬設(shè)施模型。通過將模型分為不同細(xì)度等級(jí)進(jìn)行建模，既可以減少設(shè)計(jì)所需的工作量，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量；還可以從整體到細(xì)部分層次安排施工組織計(jì)劃，為后續(xù)施工管理做好準(zhǔn)備。

2.1.2.1 協(xié)同工作

一個(gè)完整的道路建設(shè)項(xiàng)目往往會(huì)涉及到道路、橋梁、隧道、交通工程等各個(gè)不同專業(yè)。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，項(xiàng)目的不同部分分別由不同專業(yè)各自完成，交流渠道的缺乏往往會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)中沖突和矛盾的產(chǎn)生，并由此產(chǎn)生大量不必要的工作。而在應(yīng)用BIM的設(shè)計(jì)流程中，通過架構(gòu)一個(gè)協(xié)同管理平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)碰撞檢查，避免沖突的發(fā)生。不同專業(yè)在統(tǒng)一的空間坐標(biāo)系統(tǒng)下設(shè)計(jì)各自的專業(yè)BIM子模型，這些子模型統(tǒng)合于同一設(shè)計(jì)管理平臺(tái)的同一模型數(shù)據(jù)層中。在該平臺(tái)下，通過對(duì)不同對(duì)象進(jìn)行權(quán)限設(shè)置，保證在不干涉他人數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模型的實(shí)時(shí)更新共享。通過建立協(xié)同設(shè)計(jì)管理平臺(tái)，不但提高了數(shù)據(jù)輸入、查詢、修改的效率，還使決策者可以根據(jù)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行快速?zèng)Q策[9]。

2.1.2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

道路設(shè)計(jì)過程中往往需要進(jìn)行反復(fù)的修改與優(yōu)化，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式下，一旦產(chǎn)生變更，便意味著大量的圖紙信息需要進(jìn)行修改。這一點(diǎn)在大型橋梁和隧道設(shè)計(jì)上體現(xiàn)的尤為明顯，由于大型橋梁隧道由大量的構(gòu)件組成，而這些構(gòu)件間又相互關(guān)聯(lián)，對(duì)一個(gè)構(gòu)件信息進(jìn)行變更，就需要對(duì)大量關(guān)聯(lián)信息進(jìn)行變更，從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)時(shí)間和成本的大量增加。而在BIM設(shè)計(jì)模式下，通過參數(shù)化建模的方法，在設(shè)計(jì)過程中將結(jié)構(gòu)實(shí)體與尺寸、材質(zhì)等參數(shù)結(jié)合在一起，修改一個(gè)參數(shù)便可調(diào)整所有和該參數(shù)關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合BIM自動(dòng)輸出二維圖紙的功能，在三維模型上的修改可以實(shí)時(shí)反映在二維圖紙中，實(shí)現(xiàn)“一處修改，處處關(guān)聯(lián)”，這將極大提高設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。

2.1.2.3 方案選擇

對(duì)于公路工程建設(shè)項(xiàng)目而言，在設(shè)計(jì)階段往往需要設(shè)計(jì)數(shù)個(gè)可能的方案，對(duì)其在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)可行性、施工難易度等方面進(jìn)行比選以得出最優(yōu)方案作為最終采用的施工方案。利用BIM技術(shù)，可以直觀地看到線型的走向、坡度等，為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行路線方案比選提供參考；同時(shí)，由于公路行業(yè)BIM的工程模型是嚴(yán)格按照實(shí)際尺寸在高精度的大比例DEM/TIN 環(huán)境模型上建立的，利用軟件可以簡(jiǎn)單清楚地統(tǒng)計(jì)出包括填挖方在內(nèi)的各種工程量，方便概預(yù)算統(tǒng)計(jì)工作的展開，從而看出各比選方案在經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)劣，為設(shè)計(jì)人員選擇方案提供參考。

2.1.2.4 碰撞檢查

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法下采用的平面圖紙面對(duì)公路工程中復(fù)雜的構(gòu)件連接問題如鋼筋布設(shè)時(shí)不夠直觀，設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)構(gòu)件容易產(chǎn)生碰撞；同時(shí)不同構(gòu)件的平面設(shè)計(jì)圖紙由各自專業(yè)分別完成，相互間沒有直接聯(lián)系，構(gòu)件間的沖突不易被發(fā)現(xiàn)。利用BIM技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行碰撞檢查可以提早發(fā)現(xiàn)并解決這些問題。碰撞檢查的本質(zhì)是對(duì)建立模型的集成分析[10]，通過在統(tǒng)一的坐標(biāo)系下嚴(yán)格按照實(shí)際尺寸對(duì)公路工程構(gòu)件進(jìn)行建模，可以清晰直觀地觀察到碰撞點(diǎn)的位置、類型等信息，之后專業(yè)設(shè)計(jì)人員對(duì)碰撞進(jìn)行核對(duì)與修改，在設(shè)計(jì)階段就將沖突問題解決，有效提高了工作的效率。圖2 是對(duì)某構(gòu)件的鋼筋進(jìn)行的碰撞檢查，其中顏色加深部分為產(chǎn)生碰撞的部位。

圖2 構(gòu)件碰撞檢查示例圖

2.2 在施工階段的應(yīng)用

公路工程在施工階段的重點(diǎn)在于對(duì)項(xiàng)目的管理，這既包括對(duì)項(xiàng)目施工進(jìn)度的管理與優(yōu)化，也包括對(duì)項(xiàng)目建設(shè)所用物料的管控。如果說在設(shè)計(jì)階段是在解決建設(shè)什么的問題，那么在施工階段就是在解決如何建設(shè)的問題。應(yīng)用BIM技術(shù)的施工管理方法由于采用了信息化的三維立體模型，相較傳統(tǒng)施工組織計(jì)劃中的的平面圖表而言，更加直觀與具體。同時(shí)較之傳統(tǒng)項(xiàng)目使用的厚重圖紙集而言，BIM模型的載體可以采用手機(jī)或者平板電腦，更有利于施工人員攜帶與隨時(shí)查看項(xiàng)目相關(guān)情況，提高工作效率。

BIM技術(shù)可以應(yīng)用于工程項(xiàng)目的方方面面。首先是對(duì)施工方案的靜態(tài)模擬，利用BIM技術(shù)的可視性，可以對(duì)施工場(chǎng)地的布置進(jìn)行模擬，通過充分利用已有建筑和周圍環(huán)境，找到各設(shè)備最適合的安裝位置，減少臨時(shí)設(shè)施的使用，使場(chǎng)地的規(guī)劃更加完善。將設(shè)計(jì)階段完成的三維模型按照施工方案切分為單獨(dú)的構(gòu)件，并為各構(gòu)件賦予時(shí)間軸信息、成本信息、位置信息等施工所需信息，可以在計(jì)算機(jī)中對(duì)整個(gè)施工過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬[11]。基于可視化BIM技術(shù)的施工過程動(dòng)態(tài)模擬生動(dòng)而直觀，可以在工程實(shí)際開工前便發(fā)現(xiàn)工程中存在的問題，優(yōu)化施工方案，加快施工進(jìn)度，減少人機(jī)料的浪費(fèi)，提高施工管理的水平與效率。

2.3 在運(yùn)維階段的應(yīng)用

進(jìn)入運(yùn)維階段后，公路工程項(xiàng)目的重點(diǎn)在于項(xiàng)目日常的養(yǎng)護(hù)管理決策工作。通過建立基于BIM技術(shù)的運(yùn)維管理平臺(tái)，可以有效提高運(yùn)維工作的效率，并對(duì)決策工作提供支持。該平臺(tái)將運(yùn)維階段采用的多個(gè)信息系統(tǒng)統(tǒng)合在一起，將產(chǎn)生的所有信息進(jìn)行數(shù)字化處理，減少了信息的異構(gòu)及分散儲(chǔ)存[12]。同時(shí)，將數(shù)字化的信息集成到相關(guān)聯(lián)的BIM模型構(gòu)件中，提高了整個(gè)管理過程的可視性、精確性以及交互性。例如，在結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)中，通過移動(dòng)端接口將道路維護(hù)過程中產(chǎn)生的病害類型、位置、時(shí)間以及嚴(yán)重程度等信息輸入到運(yùn)維管理平臺(tái)中，在PC 端就可以很清楚地看到病害所處樁號(hào)，其與周圍結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)性等傳統(tǒng)管理模式下難以了解的信息，這有助于運(yùn)維人員了解構(gòu)件在其生命周期內(nèi)演變的規(guī)律，并對(duì)其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)做出預(yù)測(cè)，并據(jù)此作出養(yǎng)護(hù)管理決策。將視頻監(jiān)控系統(tǒng)及報(bào)警系統(tǒng)與BIM模型構(gòu)件集成在一起，便可以在事故發(fā)生時(shí)提醒管理者事件發(fā)生的位置及詳情，方便管理者對(duì)此作出快速反應(yīng)。

3 公路工程BIM應(yīng)用的難點(diǎn)

目前我國(guó)公路工程BIM應(yīng)用中存在缺乏統(tǒng)一應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、缺乏專業(yè)的核心設(shè)計(jì)軟件、設(shè)計(jì)模式落后、BIM平臺(tái)開發(fā)維護(hù)成本較大、缺乏專業(yè)BIM人才等問題。

在應(yīng)用BIM進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，單一的軟件很難直接滿足需求，需要運(yùn)用不同的軟件相互配合來(lái)完成設(shè)計(jì)。而不同軟件的底層代碼和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存格式均有所差異，無(wú)法完全兼容，數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)換難以直接進(jìn)行。同時(shí)，由于BIM應(yīng)用起源于建筑業(yè)，其核心建模軟件均主要為建筑行業(yè)服務(wù)，由國(guó)外軟件商設(shè)計(jì)的BIM軟件其編碼主要是依據(jù)國(guó)外建筑業(yè)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行編寫的，對(duì)我國(guó)公路行業(yè)的支持相對(duì)不足。

為解決這一系列的難題，不但需要我國(guó)大力支持和推廣BIM應(yīng)用，也需要我國(guó)盡快編寫屬于公路行業(yè)BIM應(yīng)用的IFC、IDM以及IFD 標(biāo)準(zhǔn)[13]，通過使用這些標(biāo)準(zhǔn)，可以解決不同軟件編碼存在的差異，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與共享，減少數(shù)據(jù)傳輸過程中的損耗。

4 BIM發(fā)展展望

20 世紀(jì)80年代興起的甩圖板運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了從紙筆設(shè)計(jì)計(jì)算到應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的飛躍，可以稱之為公路行業(yè)的第一次革命，而目前正在蓬勃發(fā)展的BIM技術(shù)應(yīng)用便可以稱之為是公路行業(yè)的第二次革命了。隨著信息化技術(shù)的不斷革新發(fā)展和國(guó)家相關(guān)部門的大力支持與推廣，公路行業(yè)的BIM應(yīng)用發(fā)展必將邁上一個(gè)新的臺(tái)階。

BIM誕生已有40 余年，引進(jìn)我國(guó)也有20 多年的歷史了，但就公路行業(yè)而言BIM應(yīng)用尚處于起步階段，仍有很大的發(fā)展空間。從國(guó)家層面而言，應(yīng)當(dāng)大力推進(jìn)BIM產(chǎn)業(yè)發(fā)展，制定BIM行業(yè)規(guī)范，培養(yǎng)BIM技術(shù)人才；從軟件商方面來(lái)說，應(yīng)當(dāng)與國(guó)家合作一同研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的BIM軟件平臺(tái)；從企業(yè)方面而言，應(yīng)當(dāng)挖掘BIM技術(shù)潛力，最終實(shí)現(xiàn)運(yùn)用BIM技術(shù)的正向設(shè)計(jì)。

總的來(lái)說，BIM應(yīng)用前景廣闊，值得相關(guān)科研工作者共同努力研究。

5 結(jié)語(yǔ)

本文著眼于公路工程建設(shè)管理的新趨勢(shì)，在了解BIM技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)其在公路工程建設(shè)管理全生命周期內(nèi)的應(yīng)用進(jìn)行了探討與總結(jié)，并對(duì)其存在的問題及未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行展望，為BIM技術(shù)在公路工程中的實(shí)際應(yīng)用提供參考。