BIM正向設(shè)計(jì)在道路工程全生命周期中的應(yīng)用研究

崔志勇，呂春磊，王艷晗，尹貽新

(1.泰安市交通運(yùn)輸局 泰安市 271000； 2.河南理工大學(xué) 焦作市 454000；3.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院 北京市 100083； 4.山東泰山路橋工程公司 泰安市 271000)

0 引言

BIM技術(shù)(Building Information Modeling)通過(guò)建筑工程項(xiàng)目的各相關(guān)方的信息協(xié)同，以數(shù)字信息仿真模擬建筑物全生命周期各階段的存在形態(tài)，從而指導(dǎo)建筑工程的設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)維階段，在為項(xiàng)目設(shè)計(jì)和施工提供有效支持的同時(shí)，也為項(xiàng)目各個(gè)參與方提供協(xié)同工作和交流的平臺(tái)。

交通行業(yè)有別于建筑行業(yè)，不同點(diǎn)在于其呈帶狀分布，具有與地形結(jié)合緊密、區(qū)域范圍廣、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)多、數(shù)據(jù)海量等特點(diǎn)，致使道路工程在傳統(tǒng)的CAD二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)與技術(shù)交底過(guò)程中易出現(xiàn)施工方審圖不便、交底不細(xì)、需要反復(fù)交底等情況，進(jìn)而導(dǎo)致施工進(jìn)度緩慢，安全、質(zhì)量問(wèn)題頻發(fā)，增加返工率等通病。面對(duì)這樣的狀況，改善項(xiàng)目施工管理方式顯得尤為重要。

通過(guò)BIM技術(shù)直接由三維建?？刂颇Ｐ托畔?，可以很大程度上減少設(shè)計(jì)階段由選線(xiàn)帶來(lái)的龐大工程量，把出現(xiàn)的工程問(wèn)題及時(shí)反饋給工程管理和設(shè)計(jì)人員，解決由施工現(xiàn)場(chǎng)難以模擬引發(fā)的施工質(zhì)量問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)建筑行業(yè)提出了BIM正向設(shè)計(jì)的理念，直接在三維環(huán)境下進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用三維模型和其中的信息，自動(dòng)生成所需要的圖檔。運(yùn)用BIM正向設(shè)計(jì)進(jìn)行道路工程中全生命周期的建設(shè)管理，為道路工程項(xiàng)目的BIM應(yīng)用又提供了新的視角。然而，運(yùn)用BIM正向設(shè)計(jì)進(jìn)行道路工程建設(shè)、施工及管理的研究及實(shí)例尚不多見(jiàn)，結(jié)合BIM正向設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及實(shí)例應(yīng)用，順應(yīng)道路精細(xì)化設(shè)計(jì)的需求，探討道路工程全生命周期的設(shè)計(jì)理論，為提出BIM正向設(shè)計(jì)在道路工程的應(yīng)用方案提供參考。

1 BIM正向設(shè)計(jì)在道路工程規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

1.1 建立虛擬地理環(huán)境建模平臺(tái)進(jìn)行選線(xiàn)設(shè)計(jì)

道路工程作為線(xiàn)形工程，跨山川、河流、峽谷是很難避免的，那么在設(shè)計(jì)階段的路線(xiàn)選擇是一項(xiàng)非常龐大的工作量。若建立一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)和三維地理信息系統(tǒng)的虛擬地理環(huán)境建模平臺(tái)(架構(gòu)圖見(jiàn)圖1)，將很大程度上解決道路選線(xiàn)的難題，同時(shí)可高效進(jìn)行線(xiàn)路模擬和綜合分析。

圖1 虛擬地理環(huán)境建模平臺(tái)架構(gòu)圖

一方面，可通過(guò)SRTM高程數(shù)據(jù)、Google Maps影像等開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)地理信息資源的獲取與利用技術(shù)的研究；另一方面，利用全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)，可通過(guò)航攝像片、衛(wèi)星遙感影像、傾斜攝影快速獲取數(shù)字地形模型、正射影像地圖及數(shù)字等高線(xiàn)地形圖等數(shù)字地形資料。然后將獲取的地理信息和地形數(shù)據(jù)通過(guò)Civil3D、SuperMap、Infraworks等軟件平臺(tái)建立公路線(xiàn)形模型，同時(shí)利用仿真技術(shù)和三維顯示設(shè)備進(jìn)行虛擬視景仿真體驗(yàn)，并可對(duì)多種線(xiàn)路進(jìn)行方案比選和對(duì)比分析。

1.2 利用DEM法進(jìn)行土方量計(jì)算

數(shù)字高程模型(DEM)是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的實(shí)體地面模型[1]。利用DEM法對(duì)土方量進(jìn)行計(jì)算實(shí)質(zhì)上是計(jì)算初始地面與設(shè)計(jì)地面之間的體積差值，通過(guò)Civil 3D運(yùn)用此方法將道路模型曲面與原有地形曲面相比較來(lái)計(jì)算土方量，和傳統(tǒng)方法相比，通過(guò)三維模式下兩個(gè)曲面的比較則更為準(zhǔn)確。計(jì)算的具體步驟見(jiàn)表1。

表1 土方量計(jì)算步驟

BIM通過(guò)建立3D關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù)，可以準(zhǔn)確、快速計(jì)算并提取工程量，提高工程算量的精度和效率。BIM遵循面向?qū)ο蟮膮?shù)化建模方法，利用模型的參數(shù)化特點(diǎn)，在表單域(Field)設(shè)置所需條件對(duì)構(gòu)件的工程信息進(jìn)行篩選，并利用軟件自帶表單統(tǒng)計(jì)功能(Schedule)完成相關(guān)構(gòu)件的工程量統(tǒng)計(jì)[2]。

2 BIM正向設(shè)計(jì)在道路工程施工建造階段的應(yīng)用

2.1 BIM技術(shù)在施工方案和施工進(jìn)度中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的道路施工方案及施工進(jìn)度多采用二維橫道圖進(jìn)行展示，并不能真實(shí)反映施工進(jìn)度的實(shí)施情況，加之施工方與設(shè)計(jì)方意圖理解不一，極容易造成計(jì)劃變更，延誤工期。運(yùn)用BIM技術(shù)可以針對(duì)高速公路多線(xiàn)長(zhǎng)的特點(diǎn)以及項(xiàng)目需求，進(jìn)行BIM施工模型以及多層次施工技術(shù)的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)施工的可視化管理[3]，利用4D虛擬施工是用廣聯(lián)達(dá)、斯維爾等提供的BIM5D的虛擬仿真環(huán)境，通過(guò)軟件平臺(tái)將道路模型導(dǎo)入，進(jìn)行施工段分區(qū)、施工方案設(shè)計(jì)和虛擬推演，加入時(shí)間進(jìn)度以動(dòng)態(tài)檢查方案可行性，并且系統(tǒng)自動(dòng)生成施工進(jìn)度橫道圖。施工過(guò)程中，可對(duì)工程量進(jìn)行實(shí)時(shí)查看，動(dòng)態(tài)掌控實(shí)際施工進(jìn)度與施工計(jì)劃的關(guān)系，及時(shí)調(diào)整施工順序，安排施工區(qū)段進(jìn)場(chǎng)時(shí)間，使高速公路施工技術(shù)管理實(shí)現(xiàn)科學(xué)性、規(guī)范性。

2.2 基于BIM模型進(jìn)行虛擬施工現(xiàn)場(chǎng)模擬

BIM技術(shù)與其他技術(shù)最大不同就是使用參數(shù)代替數(shù)據(jù)信息進(jìn)行建模。將公路工程中各種數(shù)據(jù)信息以參數(shù)的形式表示，對(duì)不同參數(shù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)公路工程三維、立體模型的建立，能夠準(zhǔn)確、清晰地將不同施工環(huán)節(jié)以不同參數(shù)的關(guān)系表現(xiàn)出來(lái)[4]。通過(guò)建立施工現(xiàn)場(chǎng)及設(shè)備布置模型，一比一模擬道路實(shí)際施工場(chǎng)地，自動(dòng)定義施工設(shè)施的4D屬性。點(diǎn)取任意設(shè)施實(shí)體，可查詢(xún)其名稱(chēng)、類(lèi)型、型號(hào)以及計(jì)劃設(shè)置時(shí)間等施工屬性，并可進(jìn)行場(chǎng)地設(shè)施的信息統(tǒng)計(jì)等，將場(chǎng)地布置與施工進(jìn)度對(duì)應(yīng)，形成4D動(dòng)態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)管理[5]。通過(guò)建立三維施工現(xiàn)場(chǎng)模型，布置設(shè)備放置位置、控制進(jìn)場(chǎng)時(shí)間、綜合管理料區(qū)、模擬吊裝過(guò)程，讓各區(qū)段參與方直觀了解工作進(jìn)度和施工流程，對(duì)機(jī)械配置、勞動(dòng)力配置、安裝時(shí)間進(jìn)行調(diào)控，將一定程度上解決因施工現(xiàn)場(chǎng)布置不當(dāng)造成的施工質(zhì)量和工期延誤問(wèn)題，施工現(xiàn)場(chǎng)模擬見(jiàn)圖2。

圖2 某路段施工過(guò)程模擬

2.3 BIM技術(shù)在道路施工安全、技術(shù)交底中的應(yīng)用

在公路施工過(guò)程中，需要對(duì)施工隊(duì)伍進(jìn)行具有可操作性、符合技術(shù)規(guī)范的分項(xiàng)工程施工和安全技術(shù)交底。BIM技術(shù)通過(guò)三維數(shù)字模型的建立與建筑工程項(xiàng)目相關(guān)的各項(xiàng)信息進(jìn)行集成，建立資源信息模型，構(gòu)建資源管理子系統(tǒng)和可視化安全管理平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)細(xì)部構(gòu)件的提取和可視化管理[6]。運(yùn)用BIM技術(shù)對(duì)道路工程分部、分段的分析，將重要的施工環(huán)節(jié)、工藝等進(jìn)行重點(diǎn)展示，提高管理人員和施工人員對(duì)施工工藝的理解和記憶。利用移動(dòng)終端采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，建立現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量缺陷、安全隱患等數(shù)據(jù)缺陷，與三維模型實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)更新，將問(wèn)題可視化，及時(shí)糾正，做好統(tǒng)計(jì)分析，保證施工正常進(jìn)行。

3 BIM正向設(shè)計(jì)在道路工程運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的應(yīng)用

3.1 BIM和GIS的集成實(shí)現(xiàn)道路養(yǎng)護(hù)和信息管理

三維地理信息系統(tǒng)基于空間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，可建立基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的快速采集和帶狀三維場(chǎng)景的無(wú)縫集成，通過(guò)對(duì)檢測(cè)設(shè)備和系統(tǒng)綜合集成，提高可視性和協(xié)同性[7]。IFC(Industry Foundation Classes)和CityGML(City Geography Markup Language)分別作為BIM和3DGIS領(lǐng)域通用的數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)[8]，兩類(lèi)數(shù)據(jù)模型的幾何、語(yǔ)義信息共享為BIM與GIS的集成提供了條件，現(xiàn)已論證了信息模型能夠在BIM和GIS領(lǐng)域和軟件平臺(tái)的無(wú)損轉(zhuǎn)換和無(wú)縫連接[10]，從而實(shí)現(xiàn)一種從BIM實(shí)體模型自動(dòng)提取多細(xì)度層次GIS表面模型的方法，為線(xiàn)形工程數(shù)據(jù)整合、輔助運(yùn)維管理奠定了良好基礎(chǔ)。

利用傳感器和移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)建立實(shí)景三維GIS系統(tǒng)，結(jié)合竣工模型對(duì)道路的每一個(gè)區(qū)段、設(shè)備、構(gòu)筑物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)調(diào)取數(shù)據(jù)參數(shù)，導(dǎo)入路網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，建立道路動(dòng)態(tài)養(yǎng)護(hù)平臺(tái)，有利于應(yīng)急搶險(xiǎn)的科學(xué)快速?zèng)Q策，實(shí)現(xiàn)道路工程全生命周期內(nèi)模型、數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)、分析。架構(gòu)圖見(jiàn)圖3。

圖3 道路養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.2 BIM技術(shù)在道路工程信息化運(yùn)營(yíng)管理中的應(yīng)用

道路工程的維護(hù)工作是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它需聯(lián)系到道路工程的建設(shè)、施工階段的信息資料，而且具有專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)化程度高，時(shí)效性強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)，國(guó)內(nèi)道路工程的維護(hù)存在新設(shè)備投入率低[9]，作業(yè)信息化程度低[6]，維護(hù)經(jīng)費(fèi)匱乏等現(xiàn)狀。因而，運(yùn)用BIM技術(shù)建立道路工程運(yùn)維管理平臺(tái)，整合道路設(shè)計(jì)、施工階段的工程信息資源，解決建設(shè)和養(yǎng)護(hù)階段的信息分離問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障報(bào)修，定期定段養(yǎng)護(hù)提醒以及智能化維護(hù)尤為必要。通過(guò)三維模型進(jìn)行設(shè)備設(shè)施的統(tǒng)一編碼，該編碼作為唯一標(biāo)識(shí)載入數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)保存道路建設(shè)、施工階段的信息資料，另外結(jié)合GIS數(shù)據(jù)庫(kù)信息形成數(shù)據(jù)庫(kù)，各個(gè)相關(guān)方對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中信息進(jìn)行提取、篩選，實(shí)時(shí)掌握道路運(yùn)行情況和設(shè)備維修位置，進(jìn)行健康檢測(cè)和信息化管理。道路工程運(yùn)維管理平臺(tái)的框架圖如圖4。

圖4 道路運(yùn)維管理平臺(tái)架構(gòu)圖

此外,模型管理也是極為重要的環(huán)節(jié)，需要將高速公路中的道路、橋梁等設(shè)施信息和BIM模型相互銜接，借助于點(diǎn)擊BIM模型，對(duì)模型內(nèi)的大量屬性做出可視化管理與查詢(xún)，用于形成更為完整的認(rèn)識(shí)，并將各種不同類(lèi)別的資源信息有效融合,形成更為完整的文件關(guān)聯(lián)系統(tǒng),最終獲取BIM模型數(shù)據(jù)庫(kù)，此后養(yǎng)護(hù)管理工作均可以借助于模型數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息技術(shù)，其能夠行之有效地提高工作質(zhì)量與工作效率。

4 總結(jié)

相較于BIM技術(shù)在工民建方面的廣泛應(yīng)用，在道路工程中的應(yīng)用仍需推廣和探索，而B(niǎo)IM正向設(shè)計(jì)是當(dāng)下BIM技術(shù)應(yīng)用的熱點(diǎn)。通過(guò)闡述BIM技術(shù)在道路工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工建造、運(yùn)維管理階段的理論依據(jù)和應(yīng)用實(shí)例，證實(shí)了BIM正向設(shè)計(jì)在道路工程中全生命周期各階段應(yīng)用的可行性，這對(duì)建立基于BIM正向設(shè)計(jì)理念的道路工程全生命周期協(xié)同工作平臺(tái)提供了參考。綜上論述，BIM正向設(shè)計(jì)在道路工程全生命周期的技術(shù)方案的確立具有前瞻意義和應(yīng)用價(jià)值。