基于BIM技術(shù)的公路協(xié)同管理平臺(tái)研究

孫建誠,任浩

(河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津市 300401)

中國(guó)的公路工程具有投資大、周期長(zhǎng)、施工管理復(fù)雜等特點(diǎn)，在公路的整個(gè)生命周期中會(huì)產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，種類繁多，難以管理，但是其信息化管理程度卻相當(dāng)?shù)?。BIM技術(shù)的廣泛應(yīng)用為解決當(dāng)前問題提供了可能。2017年9月，交通運(yùn)輸部辦公廳發(fā)布了《關(guān)于開展公路BIM技術(shù)應(yīng)用示范工程建設(shè)的通知》，提出了目前示范工程的主要任務(wù)。國(guó)內(nèi)外的軟件公司，如Bentley、Autodesk、廣聯(lián)達(dá)、魯班等，都在基于BIM技術(shù)基礎(chǔ)上，不斷探討、研發(fā)適用于工程實(shí)踐的一體化管理系統(tǒng)。胡振中等提出了一種4D BIM模型，通過各專業(yè)的建模，可以用于檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)中的碰撞問題；張建平等對(duì)BIM技術(shù)、方法、標(biāo)準(zhǔn)和軟件進(jìn)行深入研究，提出了工程施工BIM應(yīng)用的技術(shù)架構(gòu)、應(yīng)用系統(tǒng)、功能模塊以及應(yīng)用流程，突破了中國(guó)BIM技術(shù)在施工管理方面的應(yīng)用。

如上文所述，目前針對(duì)公路工程領(lǐng)域已經(jīng)研發(fā)出一些BIM管理平臺(tái)，但都只是面向公路工程中的某一個(gè)領(lǐng)域，沒有覆蓋公路工程的整個(gè)生命周期。該文將從工程的各個(gè)階段、工程維度、面向?qū)ο蟮确矫骊U述公路全生命周期管理平臺(tái)的搭建框架，為以后的平臺(tái)研發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 階段架構(gòu)

公路協(xié)同管理平臺(tái)貫穿公路工程整個(gè)生命周期，包括公路工程的規(guī)劃階段、設(shè)計(jì)階段、施工階段和運(yùn)維階段。規(guī)劃階段主要是對(duì)整個(gè)工程的前期規(guī)劃安排，包括地形分析、路線選擇、整體布局優(yōu)化等，通過與GIS技術(shù)的結(jié)合分析周圍地形地貌，準(zhǔn)確掌握地形數(shù)據(jù)信息，規(guī)劃道路線形，合理選擇變坡點(diǎn)，避免巖層傾角小于坡面傾角的順向坡等不利地形。設(shè)計(jì)階段涉及平面設(shè)計(jì)、橫縱斷面設(shè)計(jì)以及道路鋪設(shè)分層設(shè)計(jì)等內(nèi)容。施工階段主要是公路施工組織設(shè)計(jì)、施工方案的模擬、施工進(jìn)度計(jì)劃安排的管理，通過管理平臺(tái)合理安排人、物、料，根據(jù)模擬施工進(jìn)度合理變更施工進(jìn)度安排。運(yùn)維階段是公路建成投入使用后的公路維護(hù)管理，包括維修計(jì)劃、病害監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)警等。圖1為公路系統(tǒng)管理平臺(tái)階段架構(gòu)示意圖。

2 功能架構(gòu)

傳統(tǒng)的大型公路項(xiàng)目的信息管理，通常采用表格、文字、圖片等格式，圖紙也采用二維平面形式，不能給使用者直觀的視覺感受，對(duì)于專業(yè)性不是很強(qiáng)、沒有實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)的使用者，無法在拿到圖紙的短時(shí)間內(nèi)理解圖紙內(nèi)容，更無法對(duì)整個(gè)公路工程的施工有一個(gè)完整的把控，存在延誤工期的風(fēng)險(xiǎn)，造成一定程度的人力資源浪費(fèi)。

圖1 公路系統(tǒng)管理平臺(tái)階段架構(gòu)示意圖

隨著BIM技術(shù)的不斷發(fā)展與不斷應(yīng)用，BIM技術(shù)對(duì)工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)階段的管理起到不可替代的作用。3D-BIM模型以多種數(shù)字信息技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)公路工程進(jìn)行管理建設(shè)。傳統(tǒng)觀念的打破，使人們不再拘束于3D、4D概念，BIM的應(yīng)用也是一個(gè)由3D逐步發(fā)展到nD的過程，在三維可視化與三維幾何空間管理的基礎(chǔ)上，增加了時(shí)間、質(zhì)量、成本、安全等因素，使BIM技術(shù)的內(nèi)涵更加豐富。圖2為“3D～nD”公路系統(tǒng)管理平臺(tái)架構(gòu)圖。

圖2 “3D～nD”公路系統(tǒng)管理平臺(tái)架構(gòu)圖

依照上文提出的nD協(xié)同管理平臺(tái)，該文主要將公路運(yùn)維管理平臺(tái)分為7大模塊系統(tǒng)。公路協(xié)同管理平臺(tái)分為構(gòu)件庫管理系統(tǒng)、模型管理系統(tǒng)、三維地形管理系統(tǒng)、施工進(jìn)度管理系統(tǒng)、質(zhì)量管理系統(tǒng)、成本管理系統(tǒng)、安全管理系統(tǒng)，并配合使用移動(dòng)終端，通過“云”技術(shù)和iPad終端，使BIM應(yīng)用不僅僅局限在臺(tái)式電腦之中，也可在施工現(xiàn)場(chǎng)，直接面對(duì)移動(dòng)終端感受BIM技術(shù)的應(yīng)用。

2.1 構(gòu)件庫管理系統(tǒng)

公路工程的基礎(chǔ)設(shè)施各種各樣，所對(duì)應(yīng)各分解結(jié)構(gòu)也有著復(fù)雜的特點(diǎn)。相關(guān)企業(yè)在對(duì)道路構(gòu)件進(jìn)行建造前，應(yīng)制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范各構(gòu)件的基本信息，在標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的規(guī)范下對(duì)構(gòu)建進(jìn)行制造和存儲(chǔ)，并對(duì)構(gòu)件庫進(jìn)行規(guī)范管理，提高構(gòu)件庫的利用效率與開發(fā)潛能。

構(gòu)件庫可初步分為道路、橋梁、隧道、給排水、互通立交等專業(yè)大類，并隨著日后項(xiàng)目的需要可增加相應(yīng)專業(yè)進(jìn)一步細(xì)分以趨完善，無特殊情況最多不宜超過三級(jí)。以此分類方法建立BIM構(gòu)件庫，其框架結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 BIM標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫分類

2.2 模型管理系統(tǒng)

公路模型管理系統(tǒng)針對(duì)完整的公路模型，將Revit、Civil 3D等軟件繪制三維道路模型上傳到系統(tǒng)平臺(tái)，隨著模型數(shù)量的增加形成模型庫，使用者可隨時(shí)調(diào)用模型庫中的道路模型，并通過道路模型查看相關(guān)信息。通過查看道路模型，用戶可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題，利用BIM技術(shù)的參數(shù)化功能，直接修改原始模型，并可實(shí)時(shí)查看變更是否合理，減少變更后的再次變更，并將修改信息第一時(shí)間通知各參與方，避免在設(shè)計(jì)和施工過程中出現(xiàn)返工過程，節(jié)約金錢和時(shí)間成本。

2.3 三維地形管理系統(tǒng)

三維地形管理系統(tǒng)采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)準(zhǔn)確拍攝工程施工沿線地形地貌，并與BIM、三維建模技術(shù)相結(jié)合，對(duì)路基、路面、橋梁、互通立交、隧道等結(jié)構(gòu)按照實(shí)際工程控制需求，根據(jù)實(shí)際的平、豎曲線、實(shí)際坐標(biāo)系以及工程構(gòu)件的設(shè)計(jì)圖紙，建立完整的三維模型，可以在三維場(chǎng)景中的任意視角、任意高度、角度觀看和操作，實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體模型查看、構(gòu)建信息查詢、BIM模型查看、顯示/隱藏等高線、飛行模擬等功能。

對(duì)于在山區(qū)建造的橋梁結(jié)構(gòu)，要在建設(shè)前勘測(cè)地形地貌與地質(zhì)情況，了解各土層的土壤特性。針對(duì)這個(gè)問題，該平臺(tái)基于GIS技術(shù)形成數(shù)字化地面模型及三維地質(zhì)模型，在平臺(tái)中可直觀表示地質(zhì)分層情況。

2.4 項(xiàng)目進(jìn)度管理系統(tǒng)

通過BIM技術(shù)對(duì)進(jìn)度計(jì)劃實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)管理，合理規(guī)劃施工內(nèi)容，實(shí)時(shí)監(jiān)管工程進(jìn)度，對(duì)施工資源進(jìn)行合理分配，對(duì)項(xiàng)目施工過程進(jìn)行數(shù)字化管理，減少施工風(fēng)險(xiǎn)，避免施工延誤。

施工進(jìn)度管理系統(tǒng)為項(xiàng)目施工進(jìn)度提供了直觀的參考依據(jù)，進(jìn)度管理系統(tǒng)根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)時(shí)進(jìn)度進(jìn)行數(shù)據(jù)的更新。在進(jìn)度控制BIM應(yīng)用中，應(yīng)基于進(jìn)度管理模型和實(shí)際進(jìn)度信息完成進(jìn)度對(duì)比分析，并基于附加或關(guān)聯(lián)到進(jìn)度管理模型的實(shí)際進(jìn)度信息、項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃和與之關(guān)聯(lián)的資源及成本信息，對(duì)比項(xiàng)目實(shí)際進(jìn)度與計(jì)劃進(jìn)度，輸出項(xiàng)目的進(jìn)度時(shí)差；進(jìn)行進(jìn)度預(yù)警時(shí)，應(yīng)制定預(yù)警規(guī)則，明確預(yù)警提前量和預(yù)警節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)進(jìn)度時(shí)差，對(duì)應(yīng)預(yù)警規(guī)則生成項(xiàng)目進(jìn)度預(yù)警信息。項(xiàng)目后續(xù)進(jìn)度計(jì)劃應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目進(jìn)度對(duì)比分析結(jié)果和預(yù)警信息及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)度管理模型也相應(yīng)地進(jìn)行更新。圖3為項(xiàng)目進(jìn)度管理流程圖。

2.5 質(zhì)量管理系統(tǒng)

利用相關(guān)BIM軟件對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行建模，在全部專業(yè)整合后，將完整模型導(dǎo)入BIM質(zhì)量管理系統(tǒng)中，然后按照流程依次進(jìn)行質(zhì)量管理中的驗(yàn)收計(jì)劃確定、執(zhí)行驗(yàn)收過程和質(zhì)量問題的分析與處理。具體的質(zhì)量驗(yàn)收流程詳見圖4。

在整個(gè)過程中，各個(gè)環(huán)節(jié)的執(zhí)行都需要嚴(yán)格把控：① 在創(chuàng)建質(zhì)量管理模型過程中，要對(duì)導(dǎo)入系統(tǒng)的模型(預(yù)制加工模型或深層設(shè)計(jì)模型)進(jìn)行細(xì)致全面的檢查和調(diào)整；② 確定驗(yàn)收計(jì)劃的過程，根據(jù)第一步所導(dǎo)入的模型，確定出整個(gè)項(xiàng)目的驗(yàn)收計(jì)劃，同時(shí)要將主要驗(yàn)收檢查點(diǎn)關(guān)聯(lián)或附加到導(dǎo)入模型中與之對(duì)應(yīng)或相關(guān)的元素上；③ 在質(zhì)量驗(yàn)收環(huán)節(jié)以及質(zhì)量問題處理環(huán)節(jié)，同樣也需要把驗(yàn)收信息或問題處理信息與相關(guān)模型元素構(gòu)建關(guān)聯(lián)；④ 在質(zhì)量問題分析環(huán)節(jié)，可以根據(jù)導(dǎo)入模型，按照時(shí)間、部位及施工人員等分類依據(jù)來歸納或展示質(zhì)量信息和問題，為整個(gè)工程項(xiàng)目質(zhì)量管理的優(yōu)化提供建議和對(duì)策。

圖3 項(xiàng)目進(jìn)度管理流程

圖4 質(zhì)量驗(yàn)收流程示意圖

2.6 成本管理系統(tǒng)

基于BIM的成本測(cè)算和控制，可以實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目成本測(cè)算與控制的全過程、全要素的動(dòng)態(tài)管理，有利于提升施工企業(yè)成本管理的水平和效益，提高項(xiàng)目成本管理相關(guān)人員的工作效率及工程項(xiàng)目的動(dòng)態(tài)管控能力。成本管理系統(tǒng)通過導(dǎo)入的模型，計(jì)算整個(gè)公路工程的工程量，包括土石方調(diào)配、鋪設(shè)路面所用材料清單等，并根據(jù)工程量計(jì)算出最優(yōu)的工程造價(jià)方案，有助于降低工程造價(jià)，優(yōu)化方案設(shè)計(jì)。

2.7 安全管理系統(tǒng)

安全管理系統(tǒng)主要任務(wù)是對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行有關(guān)安全的技術(shù)措施制定、方案策劃、過程監(jiān)管、動(dòng)態(tài)管理、隱患分析以及事故處理進(jìn)行控制與管理。具體來說，使用安全管理系統(tǒng)的過程和用途包括：① 在制定安全技術(shù)措施計(jì)劃的過程中，安全管理模型能夠幫助安全管理人員對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行識(shí)別；② 在安全技術(shù)措施計(jì)劃的實(shí)施過程，安全管理模型可以向安全管理人員提供安全技術(shù)交底，同時(shí)在這個(gè)過程中，還要將安全交底記錄與導(dǎo)入的相關(guān)模型元素之間構(gòu)建起關(guān)聯(lián)；③ 在安全事故或隱患的處理過程中，安全管理模型能夠幫助相關(guān)人員制定出應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)和事故的整改對(duì)策，同時(shí)將整改信息與導(dǎo)入的相關(guān)模型元素之間構(gòu)建起關(guān)聯(lián)；④ 在安全事故發(fā)生后，要把此次事故的調(diào)查報(bào)告以及采取的處理方案導(dǎo)入到相關(guān)模型元素之間構(gòu)建起關(guān)聯(lián)；⑤ 在安全問題分析過程，可以根據(jù)導(dǎo)入模型，按照時(shí)間、部位以等分類依據(jù)來歸納或展示質(zhì)量信息和問題，為整個(gè)工程項(xiàng)目安全管理的優(yōu)化提供建議和對(duì)策。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

公路協(xié)同管理平臺(tái)的覆蓋范圍包含設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、業(yè)主等所有相關(guān)單位，縱向涵蓋工程項(xiàng)目管理過程中的各級(jí)機(jī)構(gòu)中的各主要工作人員；橫向?yàn)楦骷?jí)機(jī)構(gòu)提供橫向交流的機(jī)會(huì)，使得機(jī)構(gòu)與機(jī)構(gòu)之間能夠進(jìn)行一定程度上的經(jīng)驗(yàn)共享、資源共享、資源調(diào)度和技術(shù)交流等。

信息管理平臺(tái)最重要的就是信息的表達(dá)，在數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上，可以對(duì)整個(gè)公路進(jìn)行完整、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)。平臺(tái)要能夠與其他多款軟件的數(shù)據(jù)融合，通過數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換進(jìn)行存儲(chǔ)、共享。圖5為公路協(xié)同管理平臺(tái)框架圖，此平臺(tái)的平臺(tái)層，分為文件管理、數(shù)據(jù)庫訪問、模型管理、權(quán)限管理4個(gè)方面。對(duì)于所有的合同文件、維修記錄等以文件格式存儲(chǔ)的內(nèi)容，都要在此平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)分析，應(yīng)用到其他各個(gè)對(duì)應(yīng)的施工環(huán)節(jié)及部門；權(quán)限管理平臺(tái)將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分級(jí)別開放，對(duì)不同部門的不同工種的工作人員進(jìn)行不同程度的開放，確保工程信息的保密性，另外對(duì)向外開放的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，選擇可開放共享數(shù)據(jù)進(jìn)行行業(yè)內(nèi)部的共享利用。應(yīng)用層是對(duì)公路施工建設(shè)過程中涉及到的所有類別進(jìn)行管理，每種類別又可具體分類管理，使數(shù)據(jù)系統(tǒng)達(dá)到具體詳細(xì)而又簡(jiǎn)明、有序的效果。為了方便現(xiàn)場(chǎng)施工人員更加快速地接收任務(wù)，更為高效地反饋現(xiàn)場(chǎng)的施工情況，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員配備移動(dòng)終端。通過移動(dòng)終端，施工人員能夠?yàn)g覽三維地形、瀏覽BIM建設(shè)模型、查看工程施工進(jìn)度，采集與瀏覽施工影像、填寫查看施工日志。移動(dòng)終端與應(yīng)用層系統(tǒng)的配合應(yīng)用，大大提高了施工現(xiàn)場(chǎng)人員與施工單位、設(shè)計(jì)單位等部門之間的溝通效率，避免了同一問題反復(fù)傳達(dá)、不同人員傳達(dá)同一問題不統(tǒng)一的情況。

圖5 系統(tǒng)框架圖

4 結(jié)語

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨，數(shù)字化信息技術(shù)普遍運(yùn)用到各行各業(yè)，數(shù)字化、信息集成化成為未來公路交通發(fā)展的方向。BIM技術(shù)的可視化、信息化、可優(yōu)化性等特點(diǎn)，為公路交通信息化發(fā)展提供了助力，BIM公路協(xié)同管理平臺(tái)的研發(fā)，可以更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)公路工程的高效管理。該文分別從階段架構(gòu)、功能應(yīng)用、系統(tǒng)框架的搭建3個(gè)方面對(duì)公路協(xié)同管理平臺(tái)進(jìn)行闡述，為平臺(tái)今后的研發(fā)提供了完整的技術(shù)框架，以實(shí)現(xiàn)對(duì)公路工程項(xiàng)目管理及運(yùn)營(yíng)水平的提高。