陳 明

(廣西交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，廣西 南寧 530001)

0 引言

BIM是代表建筑信息模型(Building Information Modeling)的首字母縮略詞，是一個借助三維數(shù)字化模型將工程項目的幾何特性、構(gòu)件要素、施工進度等信息集合在一起方便項目各方參與者進行協(xié)同作業(yè)以提高效率的共享平臺，而不單單只是一個軟件。BIM使用模型來傳遞信息，并體現(xiàn)出各方參與者協(xié)同作業(yè)而產(chǎn)生的巨大優(yōu)勢[1]。

美國總務(wù)管理局(GSA)自2003年起開始實施一項被稱為3D-4D-BIM計劃的項目。自2014年歐盟頒布了《公共采購指令》鼓勵所有成員國采用BIM來提高公共項目的應(yīng)用價值；其中英國于2016年明確授權(quán)國家投資公共項目需采用BIM技術(shù)進行；法國推行BIM國家數(shù)字化技術(shù)；德國建設(shè)改革委成立了BIM工作組，為德國制定BIM戰(zhàn)略，并在項目上增加BIM的采用；奧地利已經(jīng)出版了國家BIM標準。

新加坡政府也成立了BIM基金。韓國政府計劃于2016年前實現(xiàn)全部公共工程的BIM應(yīng)用。日本的建筑信息技術(shù)軟件產(chǎn)業(yè)成立國家級國產(chǎn)解決方案軟件聯(lián)盟。我國住建部分別于2011年、2013年將BIM列為“十二五”中國建筑業(yè)重點推廣技術(shù)與頒布《關(guān)于推進BIM技術(shù)在建筑領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的指導(dǎo)意見》(征求意見稿)，明確指出“2016年，所有政府投資的2萬m2以上的建筑的設(shè)計、施工必須使用BIM技術(shù)”；并于2015年，政府把BIM和工程造價大數(shù)據(jù)應(yīng)用列入《關(guān)于推進建筑業(yè)發(fā)展和改革的若干意見》中。

BIM技術(shù)在建筑行業(yè)應(yīng)用的成果較為豐富，但在交通行業(yè)的應(yīng)用仍處于起步階段，雖然已經(jīng)展現(xiàn)了一定的效益，并吸引了很多關(guān)注，但多數(shù)人仍然認為BIM技術(shù)只是對現(xiàn)有技術(shù)的改進和提高，并未引起行業(yè)的革新變化。鑒于此，本文從BIM的技術(shù)特點及在道路領(lǐng)域中的應(yīng)用兩個方面進行闡述，希望引起更多道路從業(yè)者對BIM在道路領(lǐng)域所起作用的重視。

1 BIM的技術(shù)特點

1.1 BIM技術(shù)的應(yīng)用特點

BIM技術(shù)因其顯著的三維技術(shù)優(yōu)勢，在建筑道路行業(yè)中引發(fā)了一場影響巨大的設(shè)計技術(shù)革命，道路行業(yè)應(yīng)用BIM技術(shù)具有以下特點：

(1)三維可視化

真正的BIM模型由用于建造建筑物的實際建筑部件和部件的虛擬等價物組成。這些元素具有其真實對應(yīng)物的所有特征——無論是物理的還是邏輯的。這些智能元素是墻體、立柱、窗戶、門、樓梯等實體建筑元素的數(shù)字原型，它們使我們能夠在實際施工開始之前以計算機環(huán)境模擬建筑并了解其行為。

(2)建筑模擬

BIM模型不僅包含建筑數(shù)據(jù)，還包含建筑信息的全部深度，包括所有建筑學(xué)科有關(guān)的數(shù)據(jù)，甚至包括可持續(xù)發(fā)展信息，借此可以很好地模擬建筑物的所有特性。

(3)數(shù)據(jù)管理

BIM包含完全沒有可視化表現(xiàn)的信息。例如，調(diào)度信息闡明了必要的人力，協(xié)調(diào)任何可能影響項目進度的內(nèi)容。成本也是BIM的一部分，它使我們能夠看到項目期間任何給定時間點項目的預(yù)算或估計成本。

(4)建筑運營

所有數(shù)據(jù)都采用BIM模型，不僅在建筑項目的設(shè)計和施工階段效果顯著，而且可以在整個建筑生命周期中使用，有助于降低建筑物的運營和管理成本。

(5)信息完備性

BIM技術(shù)可描述工程對象的3D幾何信息和拓撲關(guān)系以及完整的工程信息。

1.2 相關(guān)軟件

BIM技術(shù)的實現(xiàn)需要一系列功能與之對應(yīng)的軟件來實現(xiàn)，相關(guān)軟件的名稱及特點如表1所示。

表1 BIM軟件產(chǎn)品介紹表

2 BIM技術(shù)在道路領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 策劃應(yīng)用

BIM技術(shù)在該階段的主要應(yīng)用有以下幾個方面。

(1)BIM與GIS對設(shè)計條件判斷分析

BIM和GIS的集成可以更深入地了解更好的決策，溝通和理解。通過將BIM和GIS與時間信息一起使用，項目參與者可以更好地了解項目建設(shè)之前、期間和之后的決策影響。

(2)基于BIM和GIS道路成本估計系統(tǒng)

成本估計系統(tǒng)由三個模塊組成，分別是建設(shè)成本估計模塊、土地收購成本模塊和運營維護模塊，原理是基于道路路線，通過對地形上截面進行系統(tǒng)分析，確定道路、橋梁和隧道大致位置以及這些項目的成本。而且數(shù)據(jù)表明，使用BIM技術(shù)進行成本估計，可以減少40%的預(yù)算，估算的精度和傳統(tǒng)估算方法相比在3%以內(nèi)，成本估算的時間減少80%，同時，減少了10%的花費與7%的項目時間。

(3)實現(xiàn)互動漫游的可視化

BIM提供詳細的三維可視化和擁有組織大量有關(guān)建筑物的數(shù)據(jù)的能力。GIS具有高度的可定制性，能夠進行分析。BIM與GIS的結(jié)合能夠?qū)㈨椖颗c周邊環(huán)境存在著的形體、色彩、朝向、可視度等多方面聯(lián)系進行分析對比，提供帶有數(shù)據(jù)支撐的、直觀的依據(jù)進行下一步方案設(shè)計，使策劃方案更加合理化。

2.2 設(shè)計應(yīng)用

在該階段，道路工程師可以將道路幾何信息直接傳達給結(jié)構(gòu)工程師，以便其在結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件中設(shè)計其他交通結(jié)構(gòu)物，達到多專業(yè)協(xié)同設(shè)計的目的。BIM數(shù)據(jù)的正確利用將有助于實現(xiàn)一個具有成本效益的設(shè)計解決方案，并提高項目利益相關(guān)者之間的溝通效率[2]。整個設(shè)計階段流程包括：(1)三維數(shù)字地形模型建立與分析；(2)基于BIM和3S(RS、GIS、GPS)一體化技術(shù)，提出道路信息模型；(3)路線平面、縱斷面設(shè)計；(4)路基標準橫斷面設(shè)計；(5)道路模型生成；(6)景觀和環(huán)境分析；(7)管線綜合設(shè)計；(8)相關(guān)圖表成果生成。

2.3 造價應(yīng)用

工程造價是工程建設(shè)項目管理中一項主要工作，是工程施工中為各環(huán)節(jié)進行優(yōu)化控制調(diào)整的重要依據(jù)，可利用工程造價對工程項目進行較好考核，工程造價的管理主要分為工程量統(tǒng)計與成本預(yù)算兩個方面，其又稱為BIM的5D應(yīng)用(3D空間+4D時間+5D造價)。主要包括：(1)投資決策階段造價應(yīng)用；(2)設(shè)計階段的造價應(yīng)用；(3)施工階段的造價應(yīng)用。

2.4 施工應(yīng)用

道路工程項目的施工過程是一個周期長、資源消耗數(shù)量大的過程。我國的施工階段的投資控制，是施工方根據(jù)設(shè)計方提供的施工圖來進行工程量和造價計算，然后進行招投標。然而建設(shè)是分階段進行的，對于同一項工程，施工人員可能比設(shè)計人員對場地和施工工藝的認識更加深刻，可能會提出更適宜的施工方案，但是為了適應(yīng)工程項目的不同要求，施工方與設(shè)計方進行協(xié)調(diào)的可能性較小，變更設(shè)計方案更是難上加難。采用BIM技術(shù)將道路施工分六個方面來更加細化地理解這個問題。

(1)工程量自動分析

公路施工按照各標段進行管理，如土石方工程、橋梁工程、隧道工程等，本文以土石方工程為例，傳統(tǒng)不使用三維建模高速公路計算填挖方往往消耗大量時間，并且不精確的土石方計算將導(dǎo)致公路項目總成本增加[3]。本文介紹一種基于DEM土石方量計算的基本思想，將地面網(wǎng)格模型和頂面網(wǎng)格模型通過平面網(wǎng)格模型和離散點數(shù)據(jù)庫進行插值計算得到，其數(shù)學(xué)表達式為：

hx，y=Zsx，y-Zcx，y

V=?∑hx，ydS

式中：hx，y——網(wǎng)格點高程差值；

V——土石方體積。

(2)路基施工三維動態(tài)進度模型

BIM和GIS技術(shù)之間存在著根本的區(qū)別。BIM是一個高度標準化的結(jié)構(gòu)，而GIS是一個用戶定義的結(jié)構(gòu)。BIM中的數(shù)據(jù)交換主要是基于文件的，而GIS是基于服務(wù)器的[4]。但基于BIM原理建立的核心模型與數(shù)據(jù)庫，同時利用GIS的數(shù)據(jù)融合分析功能，在建立公路設(shè)計施工信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，搭建三維高精度地形影響可視化平臺，開發(fā)二維GIS數(shù)據(jù)庫以及三維高精度地形影響可視化平臺的聯(lián)動模版，可以將BIM與GIS有機結(jié)合最終實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)更新功能。

(3)路面施工形象進度模型

“路面施工形象進度模型”可與三維高精度地形模型一起聯(lián)動，最終實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)實時更新功能。本文以Civil 3D軟件為例，將車行道路面工程一小段的施工模擬截圖，后期渲染圖展示如圖1所示。

圖1 路面施工模擬圖

(4)自動經(jīng)緯儀與Revit集成

利用自動經(jīng)緯儀與BIM的Revit軟件進行集成如圖2所示，由此可以實現(xiàn)對放樣點和周邊環(huán)境的可視化，可以提高放樣精度，而且在模型建好后，可以使用3D打印技術(shù)，得到小規(guī)模的實體，并由此檢查模型的結(jié)構(gòu)完整性[5]。

圖2 自動經(jīng)緯儀與Revit集成示意圖

(5)道路施工進度優(yōu)化

將異構(gòu)環(huán)境下任務(wù)調(diào)度理論與BIM技術(shù)相結(jié)合，通過異構(gòu)環(huán)境下任務(wù)調(diào)度理論，實現(xiàn)道路施工計劃任務(wù)的分包與調(diào)度優(yōu)化。有研究提出了MCEFT(Modified Constrained Earliest Finish Time)算法，實現(xiàn)了對目標問題優(yōu)化的有效解決。該算法能給出優(yōu)化后的建議施工進度計劃任務(wù)調(diào)度與資源組分配方案，并求出近似最小化施工進度計劃的完成時間[6]。

(6)復(fù)雜節(jié)點安裝模擬

在復(fù)雜項目的施工過程中，可通過4D虛擬模型的創(chuàng)建，看清楚復(fù)雜節(jié)點的三維布置，解決圖紙復(fù)雜部位表達不清與施工交底不清楚的問題。提高操作員崗位培訓(xùn)的效率，在崗位培訓(xùn)時可以更加直觀、方便、快捷地了解掌握裝置的工藝流程、設(shè)備的屬性[7]。

2.5 運營與維護應(yīng)用

在施工結(jié)束后需要和各參建方進行溝通和信息分享，設(shè)想如果有一個龐大的、完整的、實時更新的數(shù)據(jù)庫，作為運維階段的技術(shù)支撐，可能極大降低維護的困難[8]。

采用BIM模型與運營維護管理系統(tǒng)相結(jié)合，能夠發(fā)揮其在空間定位和數(shù)據(jù)記錄方面的優(yōu)勢，更合理地制定維護計劃，提高維護效率。主要包括：(1)全景激光雷達公路路況采集技術(shù)集成；(2)建立公路路況數(shù)據(jù)采集與技術(shù)狀況評定系統(tǒng)；(3)平整度、車轍自動檢測解算；(4)實現(xiàn)隧道運營管理；(5)公路預(yù)防性養(yǎng)護等。國外已有美國Ⅰ-15州級公路改擴建工程項目，我國已有BIM技術(shù)在大連市疏港路拓寬改造的創(chuàng)新應(yīng)用[9]。

3 工程實例

3.1 國外實例

BIM技術(shù)在國外應(yīng)用的時間長，積累的經(jīng)驗豐富，有以下的具體工程用到相關(guān)的BIM技術(shù)。自芬蘭首都到西部的Kt51路采用移動地圖設(shè)備(Trimble MX8)對所選擇的特殊道路部分進行測量，然后使用Terrasolid Oy(TerraScan，TerraMatch)提供的軟件和工具對調(diào)查結(jié)果進行分析和建模，進行設(shè)計優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)采用BIM技術(shù)對數(shù)據(jù)調(diào)查與道路設(shè)計進行應(yīng)用后可以獲取更為準確的信息模型，效果如圖3，做到?jīng)]有重大事故延誤[10]。

圖3 芬蘭Kt51路三維分析建模圖

韓國Lee通過BIM建模制作某條高速公路的二維設(shè)計圖，比較2D設(shè)計和3D設(shè)計，從中可以確定BIM應(yīng)用的可能性。Kim等人(2009)分析了通過使用商業(yè)化BIM建模工具構(gòu)建的BIM數(shù)據(jù)模型的IFC兼容性。另外，通過國內(nèi)外進行的類似高級研究的比較，提出了通過國際金融公司進行BIM數(shù)據(jù)兼容的問題以及解決這些問題的手段。Moon等人針對道路涵洞和護坡結(jié)構(gòu)構(gòu)建基于BIM模型庫的公路涵洞護坡設(shè)計模型。

美國加利福尼亞州的道路項目進行到填挖施工階段，其BIM模型如圖4所示。發(fā)現(xiàn)通過BIM建立詳細模式，能夠為客戶做價值工程，嘗試各種選項來匹配計劃目標和預(yù)算。

圖4 加利福尼亞州道路BIM模型圖

英國Ramboll實施BIM二級標準的試點項目——倫敦交通運輸Hammersmith采用BIM建模對622 m長的16跨段預(yù)制混凝土柱斜拉橋改建項目進行后張力加固和更換現(xiàn)有軸承結(jié)構(gòu)如圖5所示。該模型詳細展示了使加固結(jié)構(gòu)獨立于現(xiàn)有系統(tǒng)的后加新系統(tǒng)。

圖5 斜拉橋加固結(jié)構(gòu)新系統(tǒng)BIM建模圖

3.2 國內(nèi)實例

雖然我國BIM技術(shù)起步較晚，但在一些具體工程中用到了相應(yīng)的技術(shù)。浙江省臺州市開發(fā)大道采用Civil 3D、Revit軟件進行路基設(shè)計比較分析，得出Civil 3D更適合路基BIM設(shè)計。在夜郎河雙線特大橋施工中使用BIM技術(shù)進行虛擬施工和對復(fù)雜結(jié)構(gòu)進行3D可視化交底，對多處施工工序沖突提前示警并進行了優(yōu)化，回避了由于施工方因交底理解不清導(dǎo)致相應(yīng)的施工錯誤而造成的返工。實現(xiàn)了工程量有效提取，為物資采購計劃及項目成本分析提供了準確依據(jù)，產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟和社會效益[11]。上海市豐翔路規(guī)劃建設(shè)采用面向異構(gòu)資源環(huán)境的BIM道路施工進度優(yōu)化方法整體合計減少施工用時173 d，整體可以平均節(jié)省成本3 564.16萬元[12]。

武漢市跨京廣鐵路斜拉橋建設(shè)過程中研究了BIM技術(shù)在該變截面橋梁的施工應(yīng)用，建立了該跨鐵路橋各結(jié)構(gòu)構(gòu)件族、施工階段臨時構(gòu)件族，整體效果如圖6所示，形成了本工程三維模型族庫[13]。

圖6 武漢市跨京廣鐵路斜拉橋模型圖

吉林省某高速公路改擴建工程項目采用車載激光3D測量技術(shù)，獲取了道路基礎(chǔ)設(shè)施信息、道路構(gòu)造物等信息，同時對公路BIM可視化進行了應(yīng)用，實現(xiàn)了施工圖協(xié)同設(shè)計，提高了公路勘察設(shè)計的質(zhì)量，使公路擴修進展順利[14]。

香港沙田至中環(huán)線路擴建采用BIM模型進行線路設(shè)計以及項目信息管理，使整體項目可視化，工作流程透明化，優(yōu)化了整體項目部門合作。

河北省京港澳高速公路涿州(京冀界)至石家莊段改擴建工程進行了公路BIM可視化應(yīng)用，用于公路設(shè)計路線方案比選、路線初步設(shè)計等，在Bently環(huán)境下實現(xiàn)了基于3D產(chǎn)品、三維激光點云數(shù)據(jù)施工圖協(xié)同設(shè)計[15]。

4 結(jié)語

BIM自身顯著的三維技術(shù)相對傳統(tǒng)技術(shù)更簡單、方便、節(jié)省成本、具有預(yù)見性，使得傳統(tǒng)道路設(shè)計、施工、后期運營管理過程變得可視化，提前消除因各方信息不通的情況下造成的不必要的成本浪費，并對項目進行實時調(diào)控設(shè)計等，對建筑和道路行業(yè)而言是一場影響巨大的技術(shù)革命。

借助BIM技術(shù)，公路策劃、設(shè)計、造價、施工等應(yīng)用功能的一個或多個精確虛擬模型可以數(shù)字化構(gòu)建。它們支持公路領(lǐng)域的各個階段，比手動過程更好地進行分析和控制。完成后，計算機生成的模型包含精確的幾何圖形和數(shù)據(jù)，以支持建筑施工。

通過國內(nèi)外相關(guān)的具體工程實例可以看出，BIM技術(shù)不僅能夠應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，在道路工程應(yīng)用中提供了一種在構(gòu)建生命周期過程內(nèi)各個方面同時開展工作的方法，提供改變傳統(tǒng)架構(gòu)階段和數(shù)據(jù)共享的方式，其建模過程集成了實際的施工件和零件，可用作估算和完成施工成本預(yù)測的工具，能夠提高道路建設(shè)的合理性及科學(xué)性。

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