高速公路機(jī)電工程施工中BIM技術(shù)的運(yùn)用

章紅斌

高速公路的建設(shè)是我國基礎(chǔ)建設(shè)中一項(xiàng)重要組成部分，如何提高對高速公路工程建設(shè)的管理是行業(yè)內(nèi)一直在思索的問題。而BIM技術(shù)是一種新興的計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過構(gòu)建工程信息數(shù)據(jù)庫與工程虛擬模型能優(yōu)化對高速公路機(jī)電工程施工的管理。本文以滁天高速項(xiàng)目為例，基于BIM技術(shù)中可視化、模擬性、協(xié)同性和兼容性的特點(diǎn)，探討了BIM技術(shù)在高速公路施工中的運(yùn)用方式。

一、BIM技術(shù)概念簡述

BIM技術(shù)全稱為building Information modeling，即“建筑信息模型”。BIM技術(shù)通過電腦輔助設(shè)計(jì)軟件來搭建3D建筑模型，并通過數(shù)字化手段建立信息數(shù)據(jù)庫，讓建筑工程模型的各項(xiàng)信息與真實(shí)建筑工程信息保持一致。工程隊(duì)能通過BIM技術(shù)中的信息庫實(shí)時(shí)了解建筑工程幾何、空間運(yùn)動狀態(tài)、材料屬性等信息，使建筑工程的信息集成化得到有效提高。而將BIM技術(shù)運(yùn)用到高速公路建設(shè)工程中，能通過構(gòu)建高速公路工程3D模型來對工程的施工計(jì)劃、施工進(jìn)度、施工成本等方面進(jìn)行管控，在保證工程施工質(zhì)量的同時(shí)，還能促進(jìn)各施工部門間的協(xié)同作業(yè)，優(yōu)化施工流程，最終提高工程施工速度。

二、BIM技術(shù)特點(diǎn)

在傳統(tǒng)的高速公路建設(shè)工程管理中，管理者多是通過二維圖紙對工程的流程、進(jìn)度與各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行施工管控。即使在管理過程中使用到電腦技術(shù)，也多是應(yīng)用于數(shù)據(jù)的分析與計(jì)算方面，這些數(shù)據(jù)最終還是以二維圖紙方式呈現(xiàn)。這種傳統(tǒng)的工程管理方式容易造成施工計(jì)劃與實(shí)際工程間的割裂，難以幫助工程管理人員實(shí)時(shí)把控工程細(xì)節(jié)，而BIM技術(shù)所具備的優(yōu)勢能滿足高速公路建設(shè)工程管理需要。

1. 可視化

如圖1所示，通過將建筑工程數(shù)據(jù)輸入BIM系統(tǒng)中，能使平面圖紙數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成3D立體模型。3D立體模型相比平面圖紙更能保證建筑工程的合理性，并且能幫助管理者與項(xiàng)目方通過可視化的建筑模型直觀了解工程內(nèi)容，對工程各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析。此外，當(dāng)在3D模型的基礎(chǔ)上輸入相應(yīng)的時(shí)間軸后，BIM系統(tǒng)可生成體現(xiàn)工程時(shí)間變化的4D模型，模擬工程在不同時(shí)間段的建設(shè)場景。4D模型可使管理者及項(xiàng)目方更好地管理工程施工進(jìn)度，并在施工前對工程流程進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 高速公路3D模型

2. 模擬性

BIM技術(shù)的核心功能是建立與現(xiàn)實(shí)工程一致的信息數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫不僅能對建筑工程的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，還能通過改變工程內(nèi)部構(gòu)造或?qū)傩詳?shù)據(jù)等方式對工程施工的效果進(jìn)行模擬。如圖2所示，工程隊(duì)通過BIM技術(shù)的模擬功能，可提前檢測工程項(xiàng)目各環(huán)節(jié)是否合理且滿足工程要求，然后及時(shí)對施工方案中的不足進(jìn)行修改，或找出工程實(shí)施的最優(yōu)方案，降低工程施工成本，保障工程施工質(zhì)量。

圖2 BIM技術(shù)工程模擬圖

3. 協(xié)同性

BIM技術(shù)本質(zhì)上是一個(gè)信息處理系統(tǒng)，通過對數(shù)據(jù)的分流與集成，能提高工程隊(duì)各部門間的協(xié)同能力，使工程項(xiàng)目的管理更科學(xué)有效。例如，道路建設(shè)工程受施工現(xiàn)場環(huán)境影響大，當(dāng)現(xiàn)場環(huán)境出現(xiàn)變化時(shí)，道路的施工設(shè)計(jì)也要隨之調(diào)整。如果使用傳統(tǒng)的項(xiàng)目管理方式，項(xiàng)目方就必須依次修改施工圖紙、通知施工隊(duì)員、重新商討施工方案等，修改過程中不可避免的會花費(fèi)額外的人力、資金與時(shí)間成本。而BIM技術(shù)能讓工程數(shù)據(jù)在各方間實(shí)時(shí)傳遞，當(dāng)施工技術(shù)人員將環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)中后，工程設(shè)計(jì)師與其他負(fù)責(zé)人就能及時(shí)對施工方案進(jìn)行修改，并將修改結(jié)果第一時(shí)間發(fā)送給現(xiàn)場施工人員。BIM技術(shù)對多方數(shù)據(jù)同步而高效的處理功能使部門間的合作溝通變得更便利，有效提高工程施工效率。

4. 兼容性

隨著工程信息技術(shù)的發(fā)展，在建筑工程施工中，工程隊(duì)往往會使用多種信息技術(shù)對工程項(xiàng)目展開測量。目前常見的工程文件格式以dwg、sat等為主，對工程數(shù)據(jù)進(jìn)行整合時(shí)還會使用odbc或excel等程序。而BIM技術(shù)能兼容多種格式的文件，并能對不同類型的工程文件進(jìn)行高效傳輸與交換，提高構(gòu)建信息數(shù)據(jù)庫的效率，減少因文件格式不互通而重復(fù)處理計(jì)算數(shù)據(jù)的麻煩。

三、BIM技術(shù)在高速公路機(jī)電工程施工中的具體應(yīng)用

1. 工程介紹

滁天高速項(xiàng)目路線起自來安縣水口鎮(zhèn)夾埂村，順接滁馬高速（滁州東樞紐）；向北跨越規(guī)劃的中央大道延伸線設(shè)置來安南互通，在玉代村西南側(cè)依次跨越規(guī)劃 F001、G345（原 S312），在玉代村北側(cè)與規(guī)劃的來六高速交叉，之后在仰山村西側(cè)繞過滁州市桃文化節(jié)景區(qū)，路線在長山林場北側(cè)下穿國道 G345，轉(zhuǎn)向東北展線，在南側(cè)避開長山峽谷漂流景區(qū)，于半塔鎮(zhèn)興隆鄉(xiāng)南上跨 G235 國道（原 S238 省道）設(shè)置半塔互通； 路線在釜山鎮(zhèn)南與 G25 長深高速交叉設(shè)置釜山樞紐互通，路線向東設(shè)置分離式立交上跨 G205；終點(diǎn)與宿揚(yáng)高速連接設(shè)置鄭集樞紐。路線全長 67.135km。

2. 技術(shù)架構(gòu)

由于項(xiàng)目工程情況復(fù)雜，為提高項(xiàng)目建設(shè)質(zhì)量，在項(xiàng)目建設(shè)過程中工程隊(duì)采取了多種BIM技術(shù)，并通過SpringBoot來架構(gòu)數(shù)據(jù)平臺，實(shí)現(xiàn)不同類型和格式間的數(shù)據(jù)互通，使工程各階段的系統(tǒng)數(shù)據(jù)能安全、有效、快捷的傳輸。在項(xiàng)目中具體應(yīng)用的BIM技術(shù)如下：

（1）BIM建模技術(shù)

工程隊(duì)在項(xiàng)目中主要通過Autodesk軟件來建立BIM三維模型。首先，根據(jù)工程設(shè)計(jì)圖紙中的數(shù)據(jù)來分別建立工程各構(gòu)件，并通過優(yōu)化渲染技術(shù)的方式來減小每個(gè)構(gòu)件的體量，確保在BIM系統(tǒng)在運(yùn)行中能保持流暢的速度，不會出現(xiàn)卡頓、穿?；驑?gòu)件造型缺失的情況。當(dāng)各構(gòu)件的三維模型建立完畢后，再將其進(jìn)行一一拼配。最后將拼配好的模型導(dǎo)入到BIM系統(tǒng)中，構(gòu)建相應(yīng)的模型基礎(chǔ)。

（2）可視化技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)中可視化功能，搭建高速公路項(xiàng)目周邊的實(shí)景模型，使工程隊(duì)能更清晰地了解工程地區(qū)的地理環(huán)境、居民建筑、植被河流等分布情況，可搭建GIS數(shù)據(jù)平臺，依托WebGL技術(shù)對工程地區(qū)進(jìn)行無人機(jī)航測，并對測量的數(shù)據(jù)與實(shí)景模型中的縱橫坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一，確保實(shí)景模型與現(xiàn)實(shí)情況相符。

（3）工程動態(tài)管理技術(shù)

BIM的工程動態(tài)管理系統(tǒng)主要包括施工動態(tài)管理、施工安全與沖突分析、施工過程模擬與優(yōu)化、施工碰撞與檢測四個(gè)子模塊。其系統(tǒng)的構(gòu)造是基于BIM三維建筑信息數(shù)據(jù)庫及加入時(shí)間軸的4D建筑信息模型技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。在該系統(tǒng)中，通過架構(gòu)以瀏覽器（Browser）/服務(wù)器（Server）為基礎(chǔ)的內(nèi)網(wǎng)及以客戶機(jī)（Client）/服務(wù)器（Server）為基礎(chǔ)的外網(wǎng)使BIM數(shù)據(jù)庫中的資料能夠?qū)崟r(shí)共享，最終為項(xiàng)目提供進(jìn)度管理和智能決策的功能。例如，在4D施工動態(tài)管理模塊中，通過BIM技術(shù)收集現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)，利用系統(tǒng)中的模擬功能對施工進(jìn)度進(jìn)行模擬，能幫助工程管理人員更改時(shí)間不合理的工期，把控每一階段的工程進(jìn)度，進(jìn)而提高工程施工的效率。

3. BIM技術(shù)具體應(yīng)用

（1）BIM技術(shù)在機(jī)電工程策劃中的應(yīng)用

在高速公路工程方案策劃的階段，通過將BIM技術(shù)與Infraworks軟件結(jié)合可構(gòu)建工程地區(qū)周邊地理環(huán)境、居民建筑、植被河流模型，在模型構(gòu)建過程中，要以施工區(qū)域內(nèi)的坡度、高程、流域數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。如圖3所示，通過參考高程數(shù)據(jù)信息，工程隊(duì)能夠利用BIM技術(shù)還原工程地區(qū)的原始地貌，使工程隊(duì)能夠深入了解施工現(xiàn)場實(shí)際地形，優(yōu)化項(xiàng)目策劃方案和機(jī)電設(shè)備布局方案。

圖3 利用BIM技術(shù)搭建工程三維模型

（2）BIM技術(shù)在公路布局中的應(yīng)用

為確保高速公路的設(shè)計(jì)等級與設(shè)計(jì)時(shí)速符合工程標(biāo)準(zhǔn)，工程隊(duì)可依托BIM技術(shù)來優(yōu)化調(diào)整高速公路設(shè)計(jì)方案中的具體參數(shù)。例如，在設(shè)計(jì)高速公路的縱斷面時(shí)，設(shè)計(jì)方案必須依據(jù)地形充分考慮公路的排水和凈空問題，然后依照平曲面準(zhǔn)則來控制公路的高程。此外，縱面的設(shè)計(jì)方案還必須要考慮道路交叉口的因素，通過BIM技術(shù)對現(xiàn)場工程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并使用Dynamo和RECIT軟件，參照曲面數(shù)據(jù)來對公路進(jìn)行建模，降低高速公路道路交叉點(diǎn)和轉(zhuǎn)彎處等重點(diǎn)部分的設(shè)計(jì)難度。通過使用BIM技術(shù)將高速公路二維的場地圖紙轉(zhuǎn)換成可視化三維模型，根據(jù)施工計(jì)劃添加相應(yīng)的時(shí)間軸，還能方便工程管理人員清晰的看到施工現(xiàn)場在不同時(shí)期的布局，合理布置機(jī)電設(shè)備的位置。

（3）BIM技術(shù)在管道碰撞檢測中的應(yīng)用

道路線纜管布局方案是高速公路機(jī)電工程中的一項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)容，而BIM技術(shù)能夠幫助工程隊(duì)優(yōu)化線纜管的布局方案。在設(shè)計(jì)布局時(shí)，通過在設(shè)計(jì)圖中標(biāo)準(zhǔn)線纜管的裝配位置，包括管道的起始點(diǎn)、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和中心線等，然后運(yùn)用BIM技術(shù)優(yōu)化線纜管的配置方案。此外，管道的碰撞情況容易在高速公路機(jī)電工程施工中出現(xiàn)，而BIM技術(shù)能對線纜管工中可能出現(xiàn)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行管控。通過輸入線纜管數(shù)據(jù)信息建立三維模型，能直觀地觀測線纜管系統(tǒng)中的各區(qū)域與各部分之間是否存在設(shè)計(jì)上的沖突，利用BIM技術(shù)對管線管網(wǎng)布局進(jìn)行沖突檢測和碰撞檢測，盡可能的優(yōu)化管道布局，保障工程質(zhì)量。

（4）BIM技術(shù)在機(jī)電設(shè)備施工中的應(yīng)用

BIM技術(shù)可將二維設(shè)計(jì)圖紙導(dǎo)出成三維施工效果圖，對高速公路中的監(jiān)控設(shè)備、收費(fèi)設(shè)備和通信設(shè)備等進(jìn)行分類標(biāo)注，并可通過BIM系統(tǒng)對公路中的機(jī)電設(shè)備進(jìn)行全方位的瀏覽，深入了解施工信息。例如，在進(jìn)行高速公路光纜安裝時(shí)，工程隊(duì)先通過BIM三維模型中篩選出涉及光纜安裝的構(gòu)件，對它們進(jìn)行標(biāo)注。然后通過將光纜配盤、光纜敷設(shè)、光纜接續(xù)和接地、光纜成端與配線架安裝接線、光纜標(biāo)識安裝這5個(gè)步驟預(yù)設(shè)成5種顏色，讓它們在BIM系統(tǒng)中分別顯示，能使工程隊(duì)通過系統(tǒng)直觀地把控光纜安裝的全過程。提高光纜安裝工作的效率。

（5）BIM技術(shù)在機(jī)電設(shè)備管理中的應(yīng)用

通過BIM的數(shù)據(jù)資料庫，工程隊(duì)可線上查看機(jī)電工程相關(guān)設(shè)備的品牌信息、造價(jià)、所在位置、計(jì)劃完工時(shí)間等信息，能有效幫助施工人員快速定位某一機(jī)電設(shè)備。在對機(jī)電設(shè)備進(jìn)行使用測試時(shí)，BIM系統(tǒng)還能自動生成測試與維護(hù)計(jì)劃，合理安排機(jī)電設(shè)備測試時(shí)間。當(dāng)檢測人員發(fā)現(xiàn)設(shè)備出現(xiàn)問題后，也可通過BIM技術(shù)快速對設(shè)備的問題進(jìn)行登記。在故障登記后，BIM系統(tǒng)會自動派發(fā)故障數(shù)據(jù)給維修人員，并將設(shè)備的構(gòu)件圖紙、產(chǎn)品信息、維修資料等同步提供給維修人員，方便人員進(jìn)行維修。在維修完成后，BIM系統(tǒng)還會自動生成維修記錄，對設(shè)備故障情況進(jìn)行整理，方便開展機(jī)電設(shè)備后續(xù)的管理工作。

四、結(jié)語

BIM技術(shù)是一種基于數(shù)據(jù)整合和三維模型建立的新興建筑信息模型分析技術(shù)，其可視化、模擬性、協(xié)同性和兼容性的優(yōu)點(diǎn)符合高速公路機(jī)電工程施工的需要。在高速公路機(jī)電工程施工中應(yīng)用BIM技術(shù)，能有效優(yōu)化施工方案、降低施工成本，并提高工程管理人員對于施工過程中的工程進(jìn)度、工程質(zhì)量、工程安全與工程資料的管理效率，為高速公路機(jī)電工程施工管理提供更好的支持。