BIM 技術(shù)在市政工程應(yīng)用上的研究

殷茂源

（中國建筑第八工程局，河北 張家口 100097）

0 引言

市政工程是包含建筑業(yè)的城市道路、橋梁、地鐵、各種管線的專業(yè)工程?，F(xiàn)如今建筑業(yè)的技術(shù)整體架構(gòu)都在從 2 D 圖紙邁入 3 D 模型，市政工程也是必然。BIM 技術(shù)又稱為建筑信息模型，它可以實(shí)現(xiàn)從建筑的設(shè)計(jì)、施工等各種信息整合于信息數(shù)據(jù)庫中協(xié)同工作，提高效率、節(jié)省資源，以實(shí)現(xiàn)施工可持續(xù)發(fā)展。運(yùn)用 BIM 技術(shù)，可以輔助設(shè)計(jì)人員在三維設(shè)計(jì)中搭建準(zhǔn)確的模型，使設(shè)計(jì)質(zhì)量能夠更加穩(wěn)定，成果更加直觀，圖紙更為準(zhǔn)確，從而提升了企業(yè)施工水平，保證了工程施工質(zhì)量。從 Bentley 到 Open Roads Designer，這些形形色色的 BIM 軟件越來越多地出現(xiàn)在了市政工程中。BIM 技術(shù)是目前建筑業(yè)內(nèi)最為先進(jìn)的信息化技術(shù)，誰先掌握了該技術(shù)就占據(jù)了先機(jī)。換句話說，誰擁有 BIM 就等于擁有了行業(yè)“話語權(quán)”，市政單位需要重視 BIM 技術(shù)在市政工程中的應(yīng)用，這樣才可以借助 BIM 獲得更大的企業(yè)競爭力。

1 BIM 技術(shù)在市政工程上的應(yīng)用

1.1 BIM 技術(shù)輔助地形勘察

市政工程通常關(guān)系到各項(xiàng)城市道路、橋梁。無論是在無人區(qū)進(jìn)行道路開辟，還是城市內(nèi)重新規(guī)劃，建設(shè)之前都離不開地形勘察。作為市政建設(shè)的首要步驟，工程勘察尤其是前期勘察，可以對目標(biāo)地形做出詳細(xì)描述，對項(xiàng)目可行性研究進(jìn)行論證，確保設(shè)計(jì)及施工的可實(shí)施，對于市政工程，更是重中之重。以往的勘查階段，都需要人工采樣，對地形、地質(zhì)及水文等狀況進(jìn)行測繪、勘探測試，勘探員需要手持 GPS 逐個(gè)取點(diǎn)以保證高程以及地形的準(zhǔn)確。由于是人工采樣，在面對復(fù)雜地形地勢時(shí)，勘探人員的行動(dòng)容易受到限制，對人員的安全也有一定威脅；而且手持器械的不方便性，即便在平原地帶，對勘探人員的體力也有很大的考驗(yàn)。這些不利因素反作用于數(shù)據(jù)本身，影響數(shù)據(jù)精確度。而運(yùn)用 BIM 技術(shù)可以做到在勘察階段利用遙控?zé)o人機(jī)獲取鳥瞰影像或斜攝影像，采用激光照射反饋雷達(dá)獲取定位，由此獲得的高程數(shù)據(jù)更真實(shí)。因?yàn)槭菬o人機(jī)采樣，可以一次性獲取多個(gè)點(diǎn)位，回傳電腦的地標(biāo)高程導(dǎo)入 BIM 軟件中，可以構(gòu)建實(shí)景標(biāo)的模型（見圖1），降低了人工采樣的風(fēng)險(xiǎn)，提高了工作效率?；诳碧叫纬傻牡乇砟Ｐ?，可以輔助設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)最優(yōu)方案，優(yōu)化道路選線合理性，分析施工范圍影響周邊自然物的情況，方便地形圖出圖、場地平整工程量計(jì)算等。此外結(jié)合 VR 技術(shù)，通過可視化展示進(jìn)行項(xiàng)目漫游，展示設(shè)計(jì)方案更快捷、更直觀，完善設(shè)計(jì)評審及交底更便捷（見圖2）。

圖1 將高程數(shù)據(jù)導(dǎo)入 Revit 軟件中生成的等高線地形

圖2 經(jīng) BIM 軟件實(shí)時(shí)渲染后的某道路樣圖

1.2 BIM 技術(shù)在市政商務(wù)上的應(yīng)用

1.2.1 輔助工程量計(jì)算

市政工程由于多分布在地形地勢的不均勻地帶，無論場地平整或是土方開挖、回填等工程量的計(jì)算對于人工手算誤差較大，而運(yùn)用 BIM 技術(shù)出圖的地形圖，依據(jù)回填高度及方位，可以精確計(jì)算土方量（見圖3）。此外傳統(tǒng)的市政工程尤其在道路橋梁施工中，工程量的計(jì)算也很難做到精準(zhǔn)，工程量與實(shí)際結(jié)算值的差額只能依據(jù)“經(jīng)驗(yàn)公式”去考量，這也對現(xiàn)場施工管理水平提出考驗(yàn)。套用公式，最終得到的預(yù)估量不夠精確，且不容易控制各項(xiàng)損耗，無法做到成本精準(zhǔn)把控，這是市政施工常年的難題。在這里，運(yùn)用 BIM 技術(shù)精細(xì)化建模，通過模型計(jì)算工程量可以解決。通過構(gòu)建異形參數(shù)化“族”，無論橋墩或者橋跨結(jié)構(gòu)，做到所見即所得（見圖4）。這個(gè)所得工程量，就是施工所必需的凈用量，以凈用量為底限，獲取施工真實(shí)成本。

圖3 某工程經(jīng)建模后場地平整的工程量

圖4 某橋墩構(gòu)件建模即得工程量凈用量

1.2.2 BIM 技術(shù)輔助項(xiàng)目資金管理

市政工程資金周期一般較長，運(yùn)用 BIM5D 平臺結(jié)合資金計(jì)劃得到計(jì)劃資金與實(shí)際資金曲線（見圖5），實(shí)時(shí)表達(dá)當(dāng)前時(shí)間下資金結(jié)余或虧損，及時(shí)做好盈虧平衡分析，對實(shí)際多于計(jì)劃的月份進(jìn)行比對，找出差異項(xiàng)，輔助商務(wù)人員完成成本分析。此外，BIM5D 平臺亦可以對實(shí)際工日、機(jī)械臺班與計(jì)劃工日、臺班實(shí)時(shí)對比（見圖6），找到工日、臺班浪費(fèi)原因，及時(shí)向施工人員反映，幫助提高現(xiàn)場的管理水平，以減少窩工損耗，控制施工成本。

1.3 BIM 技術(shù)輔助市政施工

1.3.1 優(yōu)化施工現(xiàn)場管理

圖5 通過 BIM5D 平臺所列實(shí)際資金與計(jì)劃資金的實(shí)施對比

圖6 BIM5D 所列的某市政項(xiàng)目實(shí)際工日、機(jī)械與計(jì)劃工日、機(jī)械對比

市政施工中，通過 BIM 建模使得二維圖紙更為直觀，形象更立體。通過場布建模，方便施工管理人員更全面地了解施工現(xiàn)場，優(yōu)化場地布置，在三維地形上完成施工現(xiàn)場平面的策劃、布局及協(xié)調(diào)工作。同時(shí)有助于施工人員模擬多項(xiàng)施工方案，通過渲染漫游，動(dòng)畫制作等在施工隊(duì)前展示對應(yīng)施工工藝，便于勞務(wù)人員更好地理解工藝復(fù)雜的構(gòu)造等，做好施工交底工作（見圖7）。

圖7 某橋墩基礎(chǔ)運(yùn)用 BIM 技術(shù)的鋼筋放樣示意

1.3.2 施工進(jìn)度控制

利用 BIM 的可視化運(yùn)作的 BIM5D，添加時(shí)間維， 便能實(shí)時(shí)了解到項(xiàng)目的運(yùn)作情況。結(jié)合 P r o j e c t 和 BIM 三維的 5D 模型，可以對預(yù)先制定的施工計(jì)劃與實(shí)際工期進(jìn)行比對，以便于施工管理人員分析進(jìn)度情況，找出工期延誤工序，為后續(xù)的進(jìn)度管理提供處理方案和指導(dǎo)意見，便于工期的動(dòng)態(tài)控制（見圖8）。

1.3.3 安全管控

圖8 運(yùn)用 BIM5D 云平臺對施工進(jìn)度計(jì)劃校核

施工必須考慮安全管理。借助BIM構(gòu)建的三維信息模型，對模板腳手架搭建進(jìn)行優(yōu)化，迅速地預(yù)知項(xiàng)目存在的施工問題和難點(diǎn)，綜合考慮施工過程中容易出現(xiàn)的安全質(zhì)量問題；結(jié)合地形模型考慮土護(hù)降施工方案，并開展模擬實(shí)驗(yàn)，論證方案的可行性；通過精準(zhǔn)定位跟蹤分析問題原因制定處理措施；依附智慧工地合理安插現(xiàn)場監(jiān)控，對市政項(xiàng)目中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全天候觀察?，F(xiàn)場勞務(wù)人員學(xué)歷較低，認(rèn)懂圖紙困難，借助 BIM 技術(shù)可以對現(xiàn)場勞務(wù)人員在開工前進(jìn)行高危操作施工交底，及時(shí)了解施工過程中的危險(xiǎn)部位，最大程度降低作業(yè)人員不知情危險(xiǎn)，減少施工過程中安全事故的發(fā)生率。

1.4 BIM 技術(shù)消除技術(shù)孤島

市政施工是一項(xiàng)土建系統(tǒng)與安裝系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)作的工程。由于專業(yè)不同限制，大多市政工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段的土建和安裝的設(shè)計(jì)人員推出的圖紙?jiān)跇?gòu)件定位和尺寸上便有些許矛盾。在兩個(gè)系統(tǒng)沒有充分對接的情況下，施工中造成的尺寸錯(cuò)誤，預(yù)留預(yù)埋問題造成返工幾乎成了必然的結(jié)果。由于兩者的施工工序?qū)儆谙嗷ヅ浜嫌窒嗷ブ萍s，一定會造成的工期浪費(fèi)、人材機(jī)浪費(fèi)。

通過構(gòu)建 BIM 各專業(yè)模型綜合預(yù)覽，讓不懂其他專業(yè)的人員也能直觀地了解整體工程的情況，在項(xiàng)目各專業(yè)部門間建立信息處理平臺，使溝通更為便捷，協(xié)作更為緊密，管理更為有效，減少了時(shí)間流失和交錯(cuò)施工的一些難題。如管線碰撞及凈空分析，可以有效地解決錯(cuò)漏碰缺（見圖9）；土建預(yù)留預(yù)埋位置對于給排水管網(wǎng)，可以進(jìn)一步評估管道承載能力。BIM 模型能夠提供精準(zhǔn)的工程量，圖紙階段的切剖和軸測圖能夠有效地提高圖紙可讀性。

圖9 某工程市政管溝與管樁碰撞檢查

2 難點(diǎn)與措施

市政工程有其不同于工民建工程的幾個(gè)特點(diǎn)使得目前的 BIM 系統(tǒng)不能完全適配市政項(xiàng)目。首先它與工民建不同，一般不位于集中區(qū)域。市政工程的特點(diǎn)是呈帶狀分布，長度一般從百米到千米都有可能；其次市政工程一般與地質(zhì)狀況關(guān)系密切，往往地質(zhì)勘探的結(jié)果會影響其設(shè)計(jì)長度以及位置變化，甚至設(shè)計(jì)質(zhì)量，從而導(dǎo)致建筑BIM 標(biāo)準(zhǔn)不能完全應(yīng)用于市政工程。截止目前市政工程的 BIM 技術(shù)應(yīng)用率太低就充分地反映了這一點(diǎn)。

2.1 BIM 技術(shù)自身限制性

現(xiàn)在市場上 BIM 軟件應(yīng)用范疇更偏向于工民建，不僅在工程施工方面，包括應(yīng)用面比較廣泛的 BIM 算量軟件廣聯(lián)達(dá)、斯維爾等計(jì)算規(guī)則與計(jì)算范圍也是如此。對橋梁隧道等市政算量軟件開發(fā)投入不足，導(dǎo)致市政電算化普及率低，市政算量需投入龐大的人力與精力。此外 BIM 建模樣板族庫中市政族庫較少也導(dǎo)致了橋梁隧道無法直接照搬工業(yè)、民用建筑的 BIM 技術(shù)路線。因此針對特殊復(fù)雜的構(gòu)件現(xiàn)場常用的 BIM 系統(tǒng)無法很好地做到精細(xì)化建模。為此，建議當(dāng)下 BIM 軟件市場的開發(fā)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)當(dāng)加緊開發(fā)專為市政建模算量的系統(tǒng)，對已有的市政軟件進(jìn)行革新與升級，使其具備更好的應(yīng)用價(jià)值。市政工程具有一般工民建不具備的高產(chǎn)值、高利潤，把控算量成本，提高施工效率是當(dāng)下的主要命題。

2.2 BIM 技術(shù)沉沒成本較高

沉沒成本，顧名思義是指以往發(fā)生的但與當(dāng)前決策無關(guān)的費(fèi)用，反映到 BIM 技術(shù)在市政工程體系中便是：由于軟件具備時(shí)效性和人才具有的流動(dòng)性導(dǎo)致市政公司為了使用 BIM 系統(tǒng)花費(fèi)的資金具有不確定性，前期投入的 BIM 資金未見收益時(shí)有發(fā)生，且由于軟件在市政工程中所展現(xiàn)的利潤空間尚不夠可觀，也使得很多公司望而卻步。

2.3 專業(yè)型人才斷層

市政 BIM 系統(tǒng)的人才斷層也是需要面對的一項(xiàng)問題。如同工民建初引入 BIM 技術(shù)一樣，現(xiàn)如今的市政 BIM 人才出現(xiàn)了培養(yǎng)斷層，青年員工掌握 BIM 技術(shù)但缺乏市政工程施工經(jīng)驗(yàn)，BIM 技術(shù)應(yīng)用不夠成熟，老一輩市政人缺乏積極性的原因，共同導(dǎo)致了既有經(jīng)驗(yàn)又有技術(shù)的綜合性人才缺失，也為 BIM 技術(shù)在市政項(xiàng)目的推廣增加了難度。應(yīng)提倡理論與實(shí)際的結(jié)合，通過青年員工與老一輩骨干的導(dǎo)師帶徒行動(dòng)，做好傳幫帶，相互學(xué)習(xí)，鼓勵(lì)公司積極參加 BIM 應(yīng)用的國內(nèi)外大賽。通過以賽代學(xué)、以練代推的模式做好 BIM 軟件在各工齡層的熟識度。此外還可以通過獎(jiǎng)金及獎(jiǎng)勵(lì)等激勵(lì)員工考取相關(guān)證書，以提高 BIM 技術(shù)在市政公司的應(yīng)用率等。

3 結(jié)語

從 2018 年中鐵四局的《BIM 技術(shù)在溫州市中心片污水處理廠遷建工程 BOT 項(xiàng)目的綜合應(yīng)用》一舉拿下buildingSMART HK 的最佳 PPP 項(xiàng)目應(yīng)用獎(jiǎng)中可以看到，目前我國國內(nèi) BIM 技術(shù)在市政工程上的應(yīng)用已經(jīng)具備了一定的實(shí)力和深度。利用 BIM 技術(shù)涵蓋到市政工程的全生命周期中，可以最大化提升市政項(xiàng)目的工期、質(zhì)量、利潤效益。從前期地形勘察階段利用 BIM 模型提高勘探精度和勘探效率，輔助方案設(shè)計(jì)，到過程中高效的資金管理、工程量結(jié)算乃至現(xiàn)場和施工進(jìn)度管理，BIM 技術(shù)都是市政工程的最佳應(yīng)用方向。盡管 BIM 技術(shù)在市政工程上的交互性有待提高，應(yīng)用技術(shù)型人才數(shù)量短缺，但這并不能影響其優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿Γ唧w表現(xiàn)在項(xiàng)目上 BIM 應(yīng)用已經(jīng)有大面積試點(diǎn)，而 BIM 人才的培養(yǎng)模式也在逐步優(yōu)化。無論從國內(nèi) BIM 軟件的革新還是國內(nèi)外大獎(jiǎng)的參與上，我國國內(nèi)市政項(xiàng)目的獲獎(jiǎng)?wù)急仍谥鹉晟?，通過系統(tǒng)創(chuàng)新和軟件升級進(jìn)一步完善人才隊(duì)伍和技術(shù)硬實(shí)力，我國 BIM 技術(shù)在市政工程上創(chuàng)造的價(jià)值會越來越高。