BIM 技術(shù)在某高速公路項目建設(shè)管理中的應(yīng)用

饒 艦 龔 嘯 王興龍 許龍

（深圳高速工程顧問有限公司，深圳 518000）

引言

近些年，隨著國家政策加大對“互聯(lián)網(wǎng)+”和工程信息化的扶持，全國大部分省份公路交通信息化建設(shè)都以整合規(guī)劃為指導(dǎo)，圍繞交通運輸部對信息化建設(shè)提出的總體目標(biāo)，積極開展交通信息化建設(shè)，信息化平臺建設(shè)和BIM 等新技術(shù)應(yīng)用的步伐在不斷加快[1，2]。在此背景下，西部某省政府及省交通運輸廳出臺一系列針對本省高速公路發(fā)展扶持政策，推動本省交通運輸行業(yè)項目運用以BIM 技術(shù)為主，融合當(dāng)前市場先進(jìn)的GIS 技術(shù)[3]、傾斜攝影[4]、VR 技術(shù)[5]、全息投影技術(shù)[6]、大數(shù)據(jù)和云計算[7]等，通過調(diào)動和整合各種信息與資源，為公眾服務(wù)及行業(yè)治理提供有力支撐，使交通運輸變得更加智能化、精細(xì)化和人性化。

1 工程概況

1.1 項目簡介

本項目為國家高速公路建設(shè)重點項目，是西部某省交通突破行動的重點工程，局部效果如圖1 所示。項目主線全長196.335km，為雙向四車道高速公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計時速100km/h，概算批復(fù)金額為121.785 億，2016 年4 月開工建設(shè)，截止目前一階段已建成通車，2021 年底全線貫通。項目是深入貫徹落實國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略、加快“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”黃金段建設(shè)的重要舉措，對完善國家高速公路網(wǎng)的整體布局，積極發(fā)揮國家高速公路規(guī)模效益，完善區(qū)域路網(wǎng)布局等均具有戰(zhàn)略意義。

圖1 項目局部效果圖

1.2 工程重難點

本項目共設(shè)置特大橋3 座，大橋14 座，特長隧道2 座，分離式立交12 座，互通立交6 座，收費站5 處以及服務(wù)區(qū)和管理所12 處。項目線路長，跨越溝谷和山脈眾多，設(shè)計橋梁眾多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，隧道超長且埋深超大，沿線設(shè)施眾多。項目工程規(guī)模大，線性分布區(qū)域廣，僅土建合同段就分為7 個。項目涉及主要參建單位多達(dá)30 余家，施工協(xié)調(diào)和信息傳遞與共享難度極大，為工程建設(shè)管理帶來巨大挑戰(zhàn)。

項目包含單洞（右線）4.442km 和單洞（右線）7.527km 的兩座超長雙線分離式隧道，橫穿兩座大山，最大埋深達(dá)530m，地質(zhì)復(fù)雜性和施工難度為項目建設(shè)管理帶來極大的安全風(fēng)險。

本項目作為建設(shè)一體化服務(wù)平臺示范項目，承載著實現(xiàn)西部某省公路設(shè)施建管養(yǎng)一體化先期試點任務(wù)：開發(fā)項目建設(shè)管理信息化服務(wù)平臺，積極推動BIM 等新技術(shù)的應(yīng)用，為公路設(shè)施建管養(yǎng)一體化建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

1.3 BIM 技術(shù)實施原因

本項目實施BIM 技術(shù)應(yīng)用的主要原因是提高管理水平和應(yīng)用率：

（1）項目地處西部戈壁沙漠地區(qū)，所在地地理位置偏遠(yuǎn)，地形、地貌及地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，自然環(huán)境惡劣，氣候條件極差。項目橋梁數(shù)量大，隧道超長，施工難度大，風(fēng)險影響面廣，管理要求高，對傳統(tǒng)的項目建設(shè)管理方式帶來極大的挑戰(zhàn)，業(yè)主期望通過引入BIM技術(shù)等信息化管理手段提高管理效率和水平。

（2）BIM 技術(shù)在高速公路建設(shè)中的應(yīng)用已逐漸從部分經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)向全國范圍輻射。項目所在省份亟需借助優(yōu)質(zhì)項目資源來提升BIM 技術(shù)的應(yīng)用率，擴(kuò)大BIM 技術(shù)應(yīng)用成果，力求通過本項目推動全省范圍內(nèi)BIM 技術(shù)和信息化管理平臺的應(yīng)用。

2 BIM 技術(shù)應(yīng)用目標(biāo)及環(huán)境

2.1 BIM 應(yīng)用目標(biāo)

利用BIM 技術(shù)在高速公路項目應(yīng)用中的最新成果，將BIM 技術(shù)與建設(shè)管理平臺、企業(yè)信息化系統(tǒng)等有效整合，貫穿于項目一體化管理流程中，進(jìn)一步提升建設(shè)管理與運維養(yǎng)護(hù)的全過程、全業(yè)務(wù)、全產(chǎn)業(yè)鏈的數(shù)據(jù)繼承與應(yīng)用范圍及深度。

通過數(shù)據(jù)、系統(tǒng)及應(yīng)用的集成，實現(xiàn)BIM 與業(yè)務(wù)的深度融合，質(zhì)量、進(jìn)度、安全和計量等方面的管理效率提升，節(jié)約項目成本，加快施工進(jìn)度。以建設(shè)期為基礎(chǔ)，統(tǒng)籌建設(shè)管理、運營管理、養(yǎng)護(hù)管理三方面的數(shù)據(jù)，確保高效的數(shù)據(jù)繼承，實現(xiàn)建管養(yǎng)全部數(shù)據(jù)的云端存儲，提高數(shù)據(jù)共享交換能力和使用效率發(fā)揮各自優(yōu)勢，拓展應(yīng)用領(lǐng)域，從而提高用戶決策效率、降低工程建設(shè)成本，為用戶提供數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)可視化，二次開發(fā)等全方位一體化的云服務(wù)，探索新一代信息技術(shù)（全息投影、激光點云、VR 應(yīng)用等）在高速公路項目建設(shè)管理中的應(yīng)用。

2.2 BIM 應(yīng)用軟硬件環(huán)境

本項目配備是滿足BIM 應(yīng)用必須的軟硬件，具體如下：

（1） 軟件方面： 利用MicroStation、Revit、Civil3D 完成土建、機(jī)電、交安及管線等進(jìn)行BIM 建模[8，9]；利用OBM(OpenBridge Modeler)、ORD(OpenRoads Designer)進(jìn)行模型深化設(shè)計；利用NAVISWORKS 進(jìn)行模型碰撞檢查[10]；利用SuperMap iServer[11]和本司開發(fā)的模型檢查、掛接和發(fā)布工具，采用Ajax 異步技術(shù)發(fā)布模型，同時執(zhí)行本司輕量化工具優(yōu)化模型數(shù)據(jù)，如圖2~ 圖3 所示。采用高性能的3DGIS 技術(shù)渲染引擎處理GIS 數(shù)據(jù)，其可同時加載諸如衛(wèi)星影像、傾斜攝影、BIM 模型、CAD 圖紙以及點云等GIS 和BIM 數(shù)據(jù)；

圖2 兩路徑BIM 模型信息掛接與發(fā)布部分流程示例

圖3 BIM 模型掛接信息檢查示例

（2）硬件方面：配置有高性能計算機(jī)、專用云服務(wù)器、圖形工作站、數(shù)據(jù)中心、VR 眼鏡、全息金字塔展示柜等硬件設(shè)施。

2.3 BIM 應(yīng)用實施方案

結(jié)合項目特點制定了實施方案，對建模精度、模型融合、應(yīng)用范圍及團(tuán)隊都進(jìn)行了約定，包括如下：

（1）建模范圍及精度。全線特大橋、大橋以及隧道的建模精度為LOD3.0；全線中橋、小橋、涵洞、道路、邊坡防護(hù)設(shè)施、交安設(shè)施等的建模精度為LOD1.0；

（2）模型融合。由于線路超長，BIM 建模工程量巨大，采用了多個團(tuán)隊同步推進(jìn)的方式加快建模進(jìn)度。不同團(tuán)隊?wèi)?yīng)用了不同的建模軟件，要考慮BIM 模型格式轉(zhuǎn)換及融合問題以及與GIS 數(shù)據(jù)、傾斜攝影模型融合的問題，要對計量等主要業(yè)務(wù)板塊的建設(shè)管理應(yīng)用以及對“BIM+”模式進(jìn)行BIM 擴(kuò)展應(yīng)用；

（3）團(tuán)隊組織。設(shè)置項目公司為管理組，平臺單位為實施組，施工監(jiān)理等單位為應(yīng)用組的三級管控梯隊。每級均按照單位設(shè)置BIM 負(fù)責(zé)人和組員，其中平臺單位設(shè)置BIM 總工、BIM 建模工程師、BIM 應(yīng)用工程師、BIM 運維工程師等崗位支撐項目的整體BIM 技術(shù)應(yīng)用，項目局部BIM 模型如圖4 所示。

3 BIM 技術(shù)項目建設(shè)管理應(yīng)用

按照項目級或合同段級工程劃分(單位——分部——分項)，將工程實體拆分成項目業(yè)務(wù)管理與BIM模型應(yīng)用適宜顆粒度，通過工程業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與BIM 模型關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)基于BIM 三維模型的施工生產(chǎn)協(xié)同管理。

3.1 基于BIM 的質(zhì)量精控

本項目基于BIM 進(jìn)行質(zhì)量管理控制主要體現(xiàn)在圖紙信息獲取便捷性，質(zhì)量隱患閉環(huán)整改控制及質(zhì)檢信息（數(shù)據(jù)、流程、報表等）可追溯性。

（1）BIM 模型與建設(shè)管理平臺質(zhì)量管理模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通，點擊模型構(gòu)件可直接查看對應(yīng)構(gòu)件的質(zhì)量信息，實現(xiàn)質(zhì)量管理三維可視化；同時，通過掃描BIM 模型構(gòu)件唯一編碼生成的二維碼，可現(xiàn)場錄入質(zhì)量管理數(shù)據(jù)，其自動關(guān)聯(lián)到BIM 模型構(gòu)件。雙向的數(shù)據(jù)互通，確保質(zhì)量精確控制；

（2）在BIM 模型構(gòu)件上查閱施工圖紙，將工程實際情況與設(shè)計圖紙進(jìn)行可視化對比、分析、糾偏，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計圖紙錯、漏、碰、缺問題；

（3）在BIM 模型上記錄質(zhì)量巡檢過程中發(fā)現(xiàn)的問題，并相應(yīng)觸發(fā)整改單等一系列流程，整改完成由監(jiān)理確認(rèn)后，整改流程方可閉合，從而完整記錄質(zhì)量問題及處理情況，如圖5 所示。

3.2 基于BIM 的進(jìn)度控制

基于BIM 的4D 進(jìn)度控制的三大核心功能是進(jìn)度計劃編制、實際進(jìn)度管理、進(jìn)度偏差分析。

（1）基于BIM 編制項目進(jìn)度計劃。通過在BIM三維模型上模擬計劃進(jìn)度，用以分析和調(diào)整并最終確定最佳的進(jìn)度計劃，確保資源合理配置；

（2）跟蹤項目實際進(jìn)展。通過管理平臺以橫道圖加BIM 模型三維可視化的形式，直觀查看項目的進(jìn)展?fàn)顟B(tài)，包括實際的與目標(biāo)的對比橫道圖以及里程碑計劃、一級計劃、二級或更細(xì)致的多層計劃的跟蹤對比展示，并以三維的形式直觀展現(xiàn)；

（3）進(jìn)度對比分析。通過實際進(jìn)度與計劃進(jìn)度對比分析，輸出進(jìn)度偏差數(shù)據(jù)并直觀呈現(xiàn)在BIM 模型上，并對超出預(yù)警閾值的部位進(jìn)行預(yù)警提醒，指導(dǎo)施工管理人員進(jìn)行進(jìn)度糾偏，如圖6 所示。

圖6 基于BIM 的4D 進(jìn)度管控

3.3 基于BIM 的安全智能管控

安全管理作為高速公路項目管理中的重中之重，BIM 應(yīng)用使得安全管理模式發(fā)生重大變革，本項目在安全智能管控中應(yīng)用點較為豐富。

（1）安全隱患一張圖管控。安全隱患實時錄入平臺，通過記錄坐標(biāo)實現(xiàn)在GIS+BIM 的三維場景中展示隱患點的分布，查閱隱患屬性信息，以及相應(yīng)專項處置方案；

（2）安全隱患三維數(shù)據(jù)管理。將安全隱患點通過工程劃分關(guān)聯(lián)至BIM 模型構(gòu)件上，利用平臺移動端APP 進(jìn)行拍照取證、錄入信息，并在模型中標(biāo)注位置，動態(tài)跟蹤實體構(gòu)件上的施工風(fēng)險點；

（3）安全交通疏解方案論證。運用搭建的BIM+GIS 三維應(yīng)用場景，在其中展示線路位置、走向及尺寸信息，同時展示與既有線路、周邊建筑物等的空間位置關(guān)系、跨線形式、既有交通情況等，運用算法和大數(shù)據(jù)支撐進(jìn)行安全交通疏解方案論證，實現(xiàn)交通疏解方案比選和最優(yōu)化；

（4）安全監(jiān)控管理。在BIM 應(yīng)用中整合視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)，對施工現(xiàn)場視頻監(jiān)控實時調(diào)取，監(jiān)控現(xiàn)場施工情況，實現(xiàn)安全在線巡查。同時，可安裝AI 視頻監(jiān)控對安全行為或狀態(tài)進(jìn)行智能判定，平臺自動判別安全隱患并記錄，在GIS+BIM 三維場景中呈現(xiàn)，如圖7所示。

圖7 基于BIM 的安全智能管控

3.4 基于BIM 的計量支付管理

隨著BIM 技術(shù)的不斷發(fā)展，對于BIM 技術(shù)在項目預(yù)算或資金成本方面的應(yīng)用研究，已有學(xué)者涉足[12]。但計量支付涉及的數(shù)據(jù)敏感性高，數(shù)據(jù)管理比其他業(yè)務(wù)更為嚴(yán)格，當(dāng)前BIM 技術(shù)方面的應(yīng)用點較為局限。

本文采用如下方式實現(xiàn)基于BIM 的計量支付管理：

（1）制定基于BIM 的計量支付管理辦法，明確計量支付審核流程和應(yīng)用范圍等；

（2）應(yīng)用BIM 算量工具進(jìn)行算量并用于輔助計量[13]，實現(xiàn)橋梁和隧道二襯混凝土方量的快速計量；

（3）基于計量支付數(shù)據(jù)庫，將工程量計價信息綁定到BIM 構(gòu)件，應(yīng)用Restful 或Web Services 技術(shù)，統(tǒng)一數(shù)據(jù)傳輸接口標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)BIM 模型與建管平臺的數(shù)據(jù)互通，計量支付管理三維可視化，如圖8 所示。

圖8 計量數(shù)據(jù)三維可視化

4 BIM 技術(shù)擴(kuò)展應(yīng)用

4.1 虛擬漫游

虛擬漫游以BIM 模型（疊加GIS 或?qū)嵕埃┐罱ǖ娜S場景為基礎(chǔ)，利用視角移動，沿預(yù)設(shè)路徑漫游，使用戶在項目虛擬三維場景中體驗身臨其境的沉浸感[14]，具有與環(huán)境完善的交互能力，在場景中體驗工程建成后的效果。

本項目搭建的BIM+GIS 三維應(yīng)用場景支持項目全路段BIM 模型漫游，支持漫游路徑的預(yù)設(shè)、自定義、編輯和刪除等，支持漫游過程中暫停、播放、停止，支持漫游播放速度的切換調(diào)整，支持視角高度、視角方向的調(diào)節(jié)。用戶通過預(yù)設(shè)漫游路徑，在三維場景中實現(xiàn)任意角度、方向、走勢的虛擬漫游，如圖9 所示。

圖9 三維場景漫游

4.2 鋼筋碰撞檢查

基于鋼筋級BIM 模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)物各構(gòu)件諸如鋼筋、預(yù)應(yīng)力管道、型鋼、預(yù)埋件等的碰撞檢查，記錄碰撞問題、形成碰撞問題報告，并據(jù)此制定解決方案以快速處理問題，將碰撞問題及處理結(jié)果錄入平臺，結(jié)合BIM 模型構(gòu)件查閱相關(guān)信息。

本項目完成1 座特大橋2 座大橋共計16 跨連續(xù)鋼構(gòu)梁段鋼筋BIM 模型建模，如圖10 所示。通過將MicroStation 建模的BIM 模型轉(zhuǎn)換格式后導(dǎo)入NAVISWORKS 中進(jìn)行鋼筋碰撞檢測，共計檢查二百多處鋼束與鋼束碰撞點和五百余個鋼束與主筋或預(yù)埋件的碰撞點，輸出碰撞報告（如圖11 所示）提交至設(shè)計院，業(yè)主專門就輸出的碰撞問題召開了專題會，對碰撞問題進(jìn)行研討并集中給出解決方案，主要是設(shè)計調(diào)整、施工措施處理兩種。

圖10 橋梁連續(xù)鋼構(gòu)梁端鋼筋BIM 模型

圖11 碰撞報告

4.3 BIM+全息投影

全息投影技術(shù)亦稱虛擬成像技術(shù)，是利用干涉、衍射和分光鏡成像原理記錄并再現(xiàn)物體真實的三維圖像的技術(shù)。利用全息投影技術(shù)制造可將三維畫面懸浮在柜體實景中的半空中成像系統(tǒng)。系統(tǒng)由柜體、分光鏡，視頻播放設(shè)備組成，通過拍攝或錄制的三維模型動態(tài)影像并疊加進(jìn)三維場景中，呈現(xiàn)3D 幻影立體效果，給人以視覺上的沖擊，具有強烈的縱深感。

本項目基于某大橋橋跨結(jié)構(gòu)——波形腹板鋼箱梁BIM 模型，制作波形腹板鋼箱梁拼裝3D 視頻，利用搭載全息幻影成像系統(tǒng)的全息金字塔展示柜呈現(xiàn)箱梁拼裝的3D 幻影立體效果，做到拼裝的每一步驟清晰可見，為BIM+全息投影的應(yīng)用提供實踐經(jīng)驗，如圖12 所示。

圖12 鋼箱梁拼裝全息投影

4.4 虛擬施工與可視化交底

運用BIM 模型實現(xiàn)三維可視化技術(shù)交底，直觀呈現(xiàn)擬施工的結(jié)構(gòu)物或構(gòu)筑物各構(gòu)件的施工順序和施工方案，同時明晰施工技術(shù)要求，讓技術(shù)交底走向三維化、可視化、智能化[15]。

以本項目特長隧道二襯施工為例，運用BIM 模型進(jìn)行兩種二襯專項施工方案的虛擬施工分析。二襯模筑施工工藝相同，不同之處體現(xiàn)在二襯注漿回填工藝上，包括二襯臺車脫模后注漿和帶模注漿兩種。其中帶模注漿即在未脫模情況下，通過改造的二襯臺車注漿裝置對二襯拱頂進(jìn)行注漿。經(jīng)過模擬施工方案并比選，發(fā)現(xiàn)帶模注漿方案施工效果更佳，有效減少了隧道二次襯砌背部脫空數(shù)量，降低施工缺陷，適當(dāng)增加施工效率。

完成施工方案比選后，對隧道二襯虛擬施工進(jìn)行技術(shù)交底三維模擬，如圖13 所示，明晰施工要點和控制參數(shù)，給施工人員進(jìn)行可視化交底，加快方案熟悉程度，做到施工前有的放矢，確保施工質(zhì)量與安全。

圖13 隧道二襯帶模注漿虛擬施工

4.5 BIM+VR

基于虛擬現(xiàn)實引擎技術(shù)來承載BIM 模型及其數(shù)據(jù)，將BIM 模型在VR 環(huán)境中展示，管理人員在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中身臨其境的進(jìn)行模型漫游體驗，查看BIM 模型中的各類屬性信息，在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中進(jìn)行安全施工教育、危險源體驗、安全生產(chǎn)培訓(xùn)，如圖14 所示。

圖14 VR 安全體驗

5 總結(jié)

本文詳述了BIM 技術(shù)在某高速公路項目中實際應(yīng)用的成果，通過研發(fā)信息化集成服務(wù)平臺開展BIM 應(yīng)用，推動BIM 技術(shù)在高速公路項目施工管理中的發(fā)展。在某高速公路項目建設(shè)中，BIM 技術(shù)應(yīng)用加快了部分階段的施工進(jìn)度，節(jié)約了項目的直接成本和管理成本，精細(xì)化管控提升了工程施工質(zhì)量，極大地降低了施工安全風(fēng)險，減少了安全事故的發(fā)生，綜合提升了項目的管理精細(xì)化程度和管理效率，為項目成功實施提供有力支撐。

項目以BIM 技術(shù)為核心的多種新技術(shù)融合應(yīng)用，積極推動了BIM 技術(shù)以及GIS 技術(shù)、全息投影、VR等新技術(shù)在高速公路中的應(yīng)用落地，豐富了信息技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用范圍和應(yīng)用深度，并在項目實踐中享受技術(shù)的優(yōu)越性，為其他同類高速公路項目BIM技術(shù)應(yīng)用提供范例。