公路工程項(xiàng)目全專業(yè)、全流程、全過程數(shù)字化探索

摘要 隨著科技發(fā)展和政策引導(dǎo)，數(shù)字化技術(shù)和手段在公路工程的各個(gè)階段得到了廣泛的應(yīng)用。但目前大部分工程項(xiàng)目僅在某一階段進(jìn)行數(shù)字化實(shí)踐，沒有實(shí)現(xiàn)對全過程的工程數(shù)據(jù)的信息化管理。該文以連宿高速工程項(xiàng)目為例，論述了公路工程全專業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)、全流程數(shù)字化管理和全過程數(shù)字化交付和傳遞的方法。該項(xiàng)目是國內(nèi)首次同時(shí)提出全專業(yè)、全流程、全過程數(shù)字化實(shí)施的公路工程項(xiàng)目，對于公路工程數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用和推廣具有重要的參考意義。

關(guān)鍵詞 公路工程；數(shù)字化技術(shù)；全專業(yè)；全流程；全過程

中圖分類號 U412 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）21-0166-03

0 引言

隨著科技發(fā)展和生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，工程行業(yè)經(jīng)歷了從信息化、數(shù)字化再到數(shù)智化的逐步轉(zhuǎn)型，在一定程度上帶來了管理效率和生產(chǎn)效益的提升。BIM技術(shù)是工程數(shù)字化建設(shè)的重要手段，依托精細(xì)的模型和海量的數(shù)據(jù)，對工程項(xiàng)目進(jìn)行全過程的信息化、智能化管理，具有模擬性好、協(xié)調(diào)性高、三維可視效果好的特點(diǎn)[1]。

在公路工程領(lǐng)域，響應(yīng)國家數(shù)字化發(fā)展的要求，交通運(yùn)輸部在2017年發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)公路水運(yùn)工程BIM技術(shù)應(yīng)用的指導(dǎo)意見》（交辦公路〔2017〕205號），明確了BIM技術(shù)應(yīng)用的總體指導(dǎo)思想是實(shí)現(xiàn)全生命周期信息暢通傳遞；2021年，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》，提出至2035年交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化率達(dá)到90%的指標(biāo)。

在政策引導(dǎo)的作用下，國內(nèi)交通工程項(xiàng)目在各階段工作中逐步開始探索和應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)。G3W德州至上饒高速合肥到樅陽段全線采用了無人機(jī)傾斜攝影測量，在復(fù)雜節(jié)點(diǎn)建立三維的真實(shí)場景模型，并與三維設(shè)計(jì)模型集成，基于此進(jìn)行設(shè)計(jì)校核及查驗(yàn)[2]。深中通道島隧工程在設(shè)計(jì)過程中，建立了三維參數(shù)化模型，針對復(fù)雜的鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行正向設(shè)計(jì)研究，輔助方案設(shè)計(jì)優(yōu)化和出圖，提升了設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率[3]。

中交四公局在湖北香溪河大橋工程項(xiàng)目中，在施工階段利用BIM技術(shù)開展復(fù)核圖紙、超危大方案模擬驗(yàn)證、進(jìn)度質(zhì)量安全管理等應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目的數(shù)據(jù)化施工、信息化運(yùn)營和平臺化管理[4]。港珠澳大橋在運(yùn)維階段，利用物聯(lián)網(wǎng)、智能監(jiān)測、無人機(jī)巡檢等一系列技術(shù)開展橋梁的運(yùn)維工作，實(shí)現(xiàn)大橋運(yùn)維的安全、可靠、高效[5]。

目前，國內(nèi)的交通工程項(xiàng)目，在不同階段不同程度地應(yīng)用了數(shù)字化技術(shù)，但大部分是針對某一個(gè)階段實(shí)施，且沒有對全過程的工程數(shù)據(jù)進(jìn)行信息化的管理，沒有充分發(fā)揮BIM技術(shù)在工程全生命周期信息集成、流轉(zhuǎn)和管理的能力。

該文主要論述的項(xiàng)目——連云港至宿遷高速公路是國內(nèi)第一條同時(shí)進(jìn)行全專業(yè)、全流程、全過程數(shù)字化的公路工程項(xiàng)目。該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了包括路線、路基、橋梁、交安、環(huán)保、機(jī)電等公路工程范疇的全部專業(yè)的數(shù)字化設(shè)計(jì)，對項(xiàng)目實(shí)施過程中的資料、文件等進(jìn)行全流程數(shù)字化管理，同時(shí)對數(shù)字化設(shè)計(jì)成果向后續(xù)建設(shè)施工、養(yǎng)護(hù)運(yùn)營階段的傳遞和應(yīng)用進(jìn)行了規(guī)劃。該項(xiàng)目的實(shí)施對于公路工程數(shù)字化的應(yīng)用和推廣具有重要的參考意義。

1 全專業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)

公路工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)涉及路線、路基、路面、橋梁、隧道、交安、環(huán)保、機(jī)電、景觀、綠化等專業(yè)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中各專業(yè)的設(shè)計(jì)方法和所用的設(shè)計(jì)軟件均不同。但對于數(shù)字化設(shè)計(jì)，根據(jù)各專業(yè)的特點(diǎn)，采用不同的方法開展設(shè)計(jì)工作。

第一種是路線、互通專業(yè)，通過在軟件平臺輸入全參數(shù)數(shù)據(jù)，形成整個(gè)路線的信息數(shù)據(jù)包，通過這一數(shù)據(jù)包，自動(dòng)化構(gòu)建三維的路線模型并生成路線的二維設(shè)計(jì)圖，確保了圖、模保持一致。

另一種就是橋梁、路基路面等結(jié)構(gòu)物專業(yè)，通過模板庫結(jié)合自動(dòng)設(shè)計(jì)工具來進(jìn)行設(shè)計(jì)，模板庫中包含各類參數(shù)化構(gòu)件的模型和圖紙，通過在設(shè)計(jì)過程中調(diào)用模板并修改參數(shù)，利用設(shè)計(jì)工具將調(diào)整后符合項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求的構(gòu)件放到路線的定位點(diǎn)，通過這兩種方式完成各專業(yè)單獨(dú)的設(shè)計(jì)過程。

基于數(shù)字化設(shè)計(jì)的工具和方法，可以實(shí)現(xiàn)全專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)。橋梁、路基等結(jié)構(gòu)物專業(yè)是基于路線骨架并通過參數(shù)與路線骨架進(jìn)行關(guān)聯(lián)的，因此，在發(fā)生設(shè)計(jì)變更時(shí)，對路線骨架和參數(shù)進(jìn)行修改，結(jié)構(gòu)物也會隨之更改（如圖１所示），這在一定程度上提高了設(shè)計(jì)變更的工作效率。

圖1 參數(shù)化設(shè)計(jì)

另外，數(shù)字化設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)將各專業(yè)的設(shè)計(jì)成果集成在同一環(huán)境中，在同一空間進(jìn)行核查，減少以往各專業(yè)間發(fā)生錯(cuò)漏碰缺的問題，同時(shí)參照其他專業(yè)設(shè)計(jì)成果可以在發(fā)生錯(cuò)漏碰缺時(shí)可以方便地進(jìn)行修改，提高了設(shè)計(jì)工作的效率。

在該項(xiàng)目中，通過數(shù)字化設(shè)計(jì)，基于三維環(huán)境模型進(jìn)行線路的優(yōu)化調(diào)整設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的線路減小了沿線的拆遷面積、優(yōu)化了“夾心地”的問題。在路基設(shè)計(jì)的過程中，將軟基處理方法通過三維數(shù)字化手段進(jìn)行了展現(xiàn)。在橋梁工程的數(shù)字化設(shè)計(jì)過程中，將樁基設(shè)計(jì)與地勘數(shù)字化成果通過計(jì)算系統(tǒng)結(jié)合，根據(jù)樁的位置、受力情況及鉆孔信息自動(dòng)計(jì)算合適的樁長，提高了樁基設(shè)計(jì)計(jì)算的效率。附屬專業(yè)的設(shè)計(jì)是在主體專業(yè)的設(shè)計(jì)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行的，利用自主研發(fā)的設(shè)計(jì)工具進(jìn)行設(shè)備的自動(dòng)化布設(shè)，能夠適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)的情況，有效避免錯(cuò)漏碰缺。開展數(shù)字化設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比在準(zhǔn)確性、安全性和工作效率方面均有一定的提升價(jià)值。

2 全流程數(shù)字化管理

在工程設(shè)計(jì)工作中，除了設(shè)計(jì)成果外，對設(shè)計(jì)流程的管理也十分重要，在設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生的過程文件均應(yīng)進(jìn)行保留和管理。利用數(shù)字化技術(shù)開發(fā)全流程數(shù)字設(shè)計(jì)管理平臺，系統(tǒng)采用前后端分離技術(shù)，后端采用主流SpringBoot框架，Maven多模塊化管理；前端采用主流VUE框架，采用組件化開發(fā)，利用豐富的組件庫提高開發(fā)效率。三維引擎方面，平臺使用開源引擎Cesium，支持靈活二次開發(fā)，具有強(qiáng)大的地理空間可視化能力，使用戶可以更直觀、形象地了解三維信息。

平臺集成了BIM模型、GIS數(shù)據(jù)和項(xiàng)目過程文件，采用網(wǎng)頁端的方式，降低了用戶使用過程中對硬件的要求，可以實(shí)現(xiàn)多方共享和協(xié)同。平臺支持對BIM模型和GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行圖層級管理，對不同的圖層進(jìn)行分別控制（如圖２所示）；支持對BIM模型的構(gòu)件級管理，能夠?qū)?gòu)件基于屬性進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)，并且能夠開展構(gòu)件級的施工進(jìn)度模擬；對項(xiàng)目各方資料和文件進(jìn)行數(shù)字化管理，做到精細(xì)化、集成化、可追溯，同時(shí)方便項(xiàng)目其他參與方隨時(shí)調(diào)用查看。

圖2 數(shù)字化平臺中對模型進(jìn)行分圖層控制

該項(xiàng)目在設(shè)計(jì)階段，利用數(shù)字設(shè)計(jì)管理平臺，除BIM模型和GIS數(shù)據(jù)之外，同步將各流程階段的文本文件同步進(jìn)行上傳、歸檔和匯總。組織策劃階段搜集了土地規(guī)劃、既有道路等資料；外業(yè)調(diào)查階段形成了控制因素分布圖紙和外業(yè)照片；方案論證階段產(chǎn)生了推薦設(shè)計(jì)方案的演變過程資料及相關(guān)專題專項(xiàng)的行政許可的執(zhí)行情況等；審查報(bào)批階段形成了設(shè)計(jì)圖紙及模型的復(fù)審核材料和相關(guān)的會議紀(jì)要等。全流程的數(shù)字化管理，實(shí)現(xiàn)了交付的清晰直觀，并且能夠方便后續(xù)階段的追溯和查詢。

3 全過程數(shù)字化交付及傳遞

數(shù)字化設(shè)計(jì)的交付內(nèi)容包括各專業(yè)的設(shè)計(jì)信息模型、構(gòu)件屬性信息表、工程圖紙和其他過程文件。設(shè)計(jì)成果的交付是通過數(shù)字化平臺進(jìn)行的，各專業(yè)通過將成果上傳至平臺完成交付過程，平臺具備匯總展示、查詢統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)審核以及模型轉(zhuǎn)換等功能。

各專業(yè)在設(shè)計(jì)階段利用不同的軟件建立的信息模型，都以源文件的格式進(jìn)行交付，便于后期進(jìn)行修改，模型中各個(gè)構(gòu)件的工程信息匯總存儲在屬性信息表中，具體的信息內(nèi)容和精細(xì)度根據(jù)行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[6-7]和項(xiàng)目交付要求確定，將工程圖紙與構(gòu)件進(jìn)行關(guān)聯(lián)并交付，通過數(shù)字化技術(shù)，能夠提高后期查閱搜索的速度，方便使用。

設(shè)計(jì)階段形成的數(shù)字化設(shè)計(jì)成果，包含工程設(shè)計(jì)階段全部的信息和數(shù)據(jù)，應(yīng)當(dāng)作為全過程數(shù)字公路應(yīng)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，成為工程的數(shù)字底座的重要組成部分。這些信息和數(shù)據(jù)通過標(biāo)準(zhǔn)化處理并按照相應(yīng)的規(guī)則進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，滿足后續(xù)階段的應(yīng)用要求，繼續(xù)向后續(xù)的施工建造、運(yùn)營養(yǎng)護(hù)階段傳遞。

在模型向施工階段傳遞時(shí)，根據(jù)工程構(gòu)件在設(shè)計(jì)階段與施工階段的編碼對應(yīng)關(guān)系，在保留原有構(gòu)件的設(shè)計(jì)屬性信息的基礎(chǔ)上，增加施工階段的信息，實(shí)現(xiàn)與數(shù)字建設(shè)管理平臺的對接，基于此實(shí)現(xiàn)施工階段的進(jìn)度質(zhì)量安全管理，提升施工質(zhì)量。

設(shè)計(jì)階段和施工階段積累的數(shù)據(jù)，將共同作為工程的數(shù)字底座，為工程管養(yǎng)、運(yùn)維階段提供數(shù)據(jù)支撐。在運(yùn)維階段，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能養(yǎng)護(hù)平臺，將工程模型和養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，通過可視化手段提高工程運(yùn)維的質(zhì)量和效率，工程全生命期數(shù)據(jù)將通過統(tǒng)一架構(gòu)在云上的平臺進(jìn)行管理，方便數(shù)據(jù)的交換、共享和服務(wù)。

4 結(jié)論

該文以連宿高速項(xiàng)目為例，對公路工程數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行論述，利用BIM技術(shù)進(jìn)行工程全生命周期的信息和數(shù)據(jù)管理，實(shí)現(xiàn)全專業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)和全流程數(shù)字化管理，并對全過程數(shù)字化交付及傳遞進(jìn)行規(guī)劃，結(jié)論與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下：

（1）基于不同的專業(yè)的特點(diǎn)開展數(shù)字化設(shè)計(jì)，將工程構(gòu)件與路線骨架關(guān)聯(lián)，同時(shí)將不同專業(yè)的設(shè)計(jì)成果集成在同一環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)，減少錯(cuò)漏碰缺，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

（2）開發(fā)數(shù)字化管理平臺，將工程參與各方的資料、文本、設(shè)計(jì)成果和過程文件集成在平臺上，可以實(shí)現(xiàn)各專業(yè)在全流程的文件和成果的管理，實(shí)現(xiàn)工程管理精細(xì)化、集成化、可追溯。

（3）設(shè)計(jì)階段形成的數(shù)字化成果，將向后續(xù)施工建造、運(yùn)營養(yǎng)護(hù)階段進(jìn)行傳遞，滿足后續(xù)階段的應(yīng)用要求，構(gòu)成工程數(shù)字底座的重要部分，由此完成信息和數(shù)據(jù)的串聯(lián)，最終實(shí)現(xiàn)工程全生命周期的信息集成和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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