劉可欣， 徐旻， 李旭， 劉鳳陽， 常瑞淇

(東南大學(xué) 交通學(xué)院， 江蘇 南京 211189)

高速公路瀝青路面的施工環(huán)節(jié)主要包括施工技術(shù)與施工管理兩大模塊，合格的技術(shù)，嚴(yán)密的組織，科學(xué)的監(jiān)管，精心的施工是高速公路施工質(zhì)量的重要保障。然而傳統(tǒng)的施工及管理面臨著施工技術(shù)復(fù)雜，建設(shè)周期長，過程不可逆，信息管理滯后，專業(yè)協(xié)調(diào)困難，智能化程度低，不確定因素多，施工安全管理難度大等多種問題。

BIM(Building Information Modeling)通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所有的真實(shí)信息，及其相關(guān)的工程數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)師、建筑師、工程師、管理者乃至最終用戶等各環(huán)節(jié)人員提供“模擬和分析”。BIM可以解決由于設(shè)計(jì)沖突、施工方案臨時(shí)變更、施工危險(xiǎn)不可預(yù)見性等諸多問題，并進(jìn)行多方溝通、分析，在施工前期即可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)效益方案的制定，并有效地規(guī)避各種風(fēng)險(xiǎn)與不利條件。通過“設(shè)計(jì)—檢測—設(shè)計(jì)”的循環(huán)過程，消除設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和設(shè)計(jì)缺陷，減少施工的返工成本[1]。近年來，BIM技術(shù)在建筑工程、土木橋梁工程領(lǐng)域的研究得到了飛速發(fā)展。湯易之[2]在BIM技術(shù)應(yīng)用于“智慧工地”的研究中提出，BIM模型可以為建筑模型提供一種客觀、動態(tài)的虛擬視角，而且可以賦予模型所有的物理屬性、參數(shù)，包括材料、幾何關(guān)系等；張文勝[3]等開發(fā)了基于BIM與3DGIS集成的鐵路橋梁施工管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大批量橋梁BIM三維微觀模型與3D GIS宏觀場景的集成；包勝[4]等結(jié)合Navisworks軟件與云平臺創(chuàng)建了施工安全問題信息整合平臺，可以整理建筑工程中的施工安全問題；翟博文[5]等基于BIM實(shí)現(xiàn)了施工成本管理的優(yōu)化和施工成本業(yè)務(wù)流程優(yōu)化等。

由上可以看出：BIM技術(shù)在土木及建筑行業(yè)已得到了蓬勃發(fā)展，并成為其向智能化領(lǐng)域轉(zhuǎn)型的重要媒介[6-7]。然而作為國民經(jīng)濟(jì)動脈的道路工程，BIM技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用依然處于起步階段，特別是將BIM技術(shù)應(yīng)用于瀝青路面智能化施工方向的成熟研究依然較為匱乏。基于此，該文面向高速公路施工階段重點(diǎn)開展基于BIM的瀝青路面施工技術(shù)模擬研究。

1 三維基礎(chǔ)模型開發(fā)

在BIM軟件Revit的應(yīng)用過程中，族是核心元素，族庫積累是BIM設(shè)計(jì)水平的重要體現(xiàn)[8]。MárciaGodinho[9]等基于Revit實(shí)現(xiàn)了擁有多種異構(gòu)模塊的葡萄牙辛特拉國家宮殿的模型開發(fā)。該文在Autodesk Revit 2018軟件中進(jìn)行基礎(chǔ)模型和地形的開發(fā)創(chuàng)建，分別保存為族文件，在Revit項(xiàng)目文件中進(jìn)行合理放置后，后續(xù)將導(dǎo)入Navisworks中進(jìn)行施工進(jìn)度、施工動畫模擬以及參數(shù)集成等研究工作。模型開發(fā)技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 BIM模型設(shè)計(jì)的技術(shù)路線

1.1 Revit基礎(chǔ)模型開發(fā)

瀝青路面施工模擬中涉及到的基礎(chǔ)模型有施工路段、施工車輛、施工設(shè)備、施工人員等。對于較常規(guī)的基礎(chǔ)模型如廠房等，可以從商業(yè)族庫中直接下載，省去建模時(shí)間，提高工作效率。但是，BIM技術(shù)目前多應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，故軟件自帶族庫主要為建筑構(gòu)件，可直接用于道路施工的族不多，對于部分族需自行開發(fā)創(chuàng)建。因此，該文基于Revit平臺，利用其創(chuàng)建和形狀等核心功能，進(jìn)行了瀝青路面施工模擬中所涉及的基礎(chǔ)模型的開發(fā)與創(chuàng)建。在自定義族時(shí)，首先在項(xiàng)目瀏覽器中選擇合適的視圖，然后根據(jù)需要建立若干參考平面，最后利用“創(chuàng)建”選項(xiàng)卡，“形狀”功能中的“拉伸”、“放樣”等命令進(jìn)行基礎(chǔ)形狀單元的創(chuàng)建和拼接，進(jìn)而完成一個(gè)基礎(chǔ)模型的創(chuàng)建。使用Revit創(chuàng)建的模型是一種信息模型，在完成形狀創(chuàng)建的同時(shí)可以賦予模型材質(zhì)、尺寸信息等屬性，方便后續(xù)管理與查看。部分自行創(chuàng)建及導(dǎo)入的族如圖2所示。

圖2 部分自行創(chuàng)建及導(dǎo)入的族

1.2 Dynamo創(chuàng)建三維地形模型

相較傳統(tǒng)的二維CAD地形圖，三維地模能更加直觀地顯示出整個(gè)地形地貌的空間形狀，提高設(shè)計(jì)效率[10]。在實(shí)際工程中應(yīng)收集施工場地周邊地理信息及相關(guān)建(構(gòu))筑物信息，建立基于模型的高程坐標(biāo)體系，后續(xù)將在其中進(jìn)行施工場地的布置。因地形具有不規(guī)則的特點(diǎn)，無法用上述創(chuàng)建基礎(chǔ)模型的方式直接創(chuàng)建。

該文采用Revit中的可視化編程插件Dynamo實(shí)現(xiàn)地形的參數(shù)化開發(fā)創(chuàng)建。首先，將地形點(diǎn)的3個(gè)坐標(biāo)值X、Y、Z進(jìn)行拆分和數(shù)據(jù)存檔；其次，通過Dynamo進(jìn)行坐標(biāo)值數(shù)據(jù)獲取，并創(chuàng)建代表地形點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)列，進(jìn)而將3個(gè)坐標(biāo)形成一個(gè)點(diǎn)來創(chuàng)建三維點(diǎn)陣，并將三維點(diǎn)陣與Revit中生成地形的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接以完成地形模型的初步創(chuàng)建；在此基礎(chǔ)上，在Revit中，通過放置或更改地形點(diǎn)修改地形，以達(dá)到最佳的效果。開發(fā)創(chuàng)建的地形模型示例如圖3所示。

圖3 地形模型

1.3 Revit模型導(dǎo)入Navisworks

Navisworks是一款工具軟件，在BIM工作流中處于核心地位，它可以將Revit模型進(jìn)行輕量化展示，以便進(jìn)行模型的深化應(yīng)用。該文在Revit平臺創(chuàng)建模型的基礎(chǔ)上，下一步需借助Navisworks平臺進(jìn)一步開發(fā)施工模擬等功能。首先，將創(chuàng)建的模型根據(jù)工程實(shí)際在Revit中集成布置；其次，導(dǎo)出為與Navisworks平臺相容的格式文件；在此基礎(chǔ)上，在同一Navisworks項(xiàng)目文件中打開一個(gè)或多個(gè)模型文件完成模型的導(dǎo)入與集成。Revit模型導(dǎo)入Navisworks并進(jìn)行集成的示例如圖4所示。

圖4 在Revit中建好的三維模型及在Navisworks中合并布設(shè)效果

2 施工模擬動畫開發(fā)

施工模擬是目前4D BIM的主要應(yīng)用，它利用事件及其嵌套將施工任務(wù)分解為多個(gè)部分，時(shí)間維度通常適用于建筑物的特定組件[11]。應(yīng)用BIM技術(shù)可以進(jìn)行4D模擬，通過立體的展示使工作人員更簡明地了解施工的具體步驟及操作流程[12]。Navisworks中的Animator工具有移動、旋轉(zhuǎn)和縮放圖元?jiǎng)赢嫷墓δ?，也可以通過添加腳本的方式對選中的圖元進(jìn)行動畫配置。導(dǎo)入預(yù)先設(shè)定好的場景文件，進(jìn)行動畫集的編輯，通過捕捉幀，設(shè)定好圖元所需的時(shí)間，再配合漫游選項(xiàng)，設(shè)計(jì)虛擬人物，能夠更加真實(shí)地反映實(shí)際施工場景各個(gè)圖元的動畫展現(xiàn)[13]。創(chuàng)建施工模擬動畫的技術(shù)路線如圖5所示。

圖5 創(chuàng)建施工模擬動畫流程圖

2.1 施工現(xiàn)場三維場景構(gòu)建

施工現(xiàn)場布置大多十分復(fù)雜，既有設(shè)施、材料布置和機(jī)動設(shè)備多種多樣。施工場地模型可以幫助設(shè)計(jì)者識別潛在問題，最大限度地提高現(xiàn)場生產(chǎn)率和安全性[13]。目前，4D BIM主要用于對規(guī)劃的施工過程進(jìn)行可視化[14]。在項(xiàng)目初始階段，可借助BIM技術(shù)直接建立三維場地模型，管理人員審定時(shí)可以將修改意見直接在模型中進(jìn)行修改；也可以借助Navisworks的場地漫游技術(shù)，使管理人員對建成后的效果有更為直觀的感受；同時(shí)施工技術(shù)人員能夠?qū)龅啬Ｐ团c施工進(jìn)度進(jìn)行對接，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場的實(shí)時(shí)動態(tài)管控。

如圖6所示，將前述創(chuàng)建的不同基礎(chǔ)模型在同一Revit項(xiàng)目文件中進(jìn)行集成布置，從而實(shí)現(xiàn)對施工場地布置效果的模擬。在此基礎(chǔ)上，后續(xù)可通過對車輛調(diào)配等的模擬進(jìn)行靈活調(diào)整，以得到適合于不同地形和工況的最佳布置方案。

圖6 施工場地模擬布置效果圖

2.2 施工模擬動畫開發(fā)

Navisworks功能允許在3D BIM模型和相應(yīng)的日程活動之間創(chuàng)建自動鏈接，從而促進(jìn)4D模型的創(chuàng)建[15]。該文以相關(guān)研究中的熱壓式瀝青混凝土路面施工為例進(jìn)行施工模擬動畫開發(fā)研究，熱壓式瀝青混凝土路面施工可以分解成兩個(gè)階段：第一階段為嵌入層的攤鋪與初碾壓；第二階段為瀝青預(yù)拌碎石的撒布和復(fù)碾壓及終碾壓[16]。復(fù)雜的施工方案通過三維模型的呈現(xiàn)，更加通俗易懂，技術(shù)管理者和施工人員可快速有效地掌握各項(xiàng)施工工序。該文通過對車輛調(diào)配和瀝青路面施工的動畫模擬，可以提前直觀發(fā)現(xiàn)施工場地布置與工序安排中存在的問題，方便及時(shí)做出調(diào)整。

采用Navisworks中的關(guān)鍵幀法實(shí)現(xiàn)施工模擬動畫開發(fā)。首先將模型根據(jù)動畫展示需要進(jìn)行分類和集合創(chuàng)建；其次，根據(jù)動畫展示效果選擇不同的動畫類型，并分別設(shè)置起始幀和其他關(guān)鍵幀，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)如攤鋪機(jī)的移動、路面層攤鋪的動畫；在此基礎(chǔ)上，通過對關(guān)鍵幀的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最佳動畫效果。瀝青路面攤鋪和碾壓動畫創(chuàng)建的核心步驟如下：

(1) 攤鋪機(jī)移動。在Navisworks中打開通過Revit建立的模型，針對各層路面以及各種車輛建立集合。通過集合選中“攤鋪機(jī)”并添加平移動畫集，將“攤鋪機(jī)”移動至起始位置捕捉關(guān)鍵幀，完成動畫的起始幀設(shè)置。然后將時(shí)間軸選中至結(jié)束時(shí)間，用“平移”功能將攤鋪機(jī)移動至終點(diǎn)位置，并再次捕捉關(guān)鍵幀，完成攤鋪機(jī)的移動動畫創(chuàng)建。

(2) 路面攤鋪。此處僅以最底層為例，其他路面層以此類推。用上述方法建立路面層的動畫集，基于縮放動畫集功能將路面層縮小至零并捕捉關(guān)鍵幀，然后把時(shí)間選中至攤鋪機(jī)的終點(diǎn)時(shí)間，并將路面拉伸至原長，再次捕捉關(guān)鍵幀。為了創(chuàng)建與攤鋪機(jī)同步運(yùn)行的動畫，需對起始關(guān)鍵幀進(jìn)行編輯和修改。

(3) 壓路機(jī)移動。借鑒路面攤鋪的開發(fā)步驟同樣可以完成壓路機(jī)移動模擬動畫的創(chuàng)建。

該文創(chuàng)建的瀝青路面攤鋪和碾壓的施工動畫示例如圖7所示。

圖7 關(guān)鍵幀法制作施工動畫

2.3 施工關(guān)鍵參數(shù)提取和應(yīng)用

熱壓式瀝青混凝土路面施工工藝特殊，以壓實(shí)度、攤鋪溫度等作為施工關(guān)鍵控制參數(shù)。這些參數(shù)對施工的監(jiān)督和后續(xù)管理都十分重要。通過設(shè)計(jì)圖紙和現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)可以在施工時(shí)將重要信息及時(shí)提取并通過模型“特性”賦予到關(guān)聯(lián)的模型上，體現(xiàn)了BIM模型作為信息模型的信息集成優(yōu)勢。

添加施工參數(shù)在Navisworks項(xiàng)目環(huán)境下運(yùn)行，以給面層模型添加“終壓參數(shù)—壓實(shí)度”為例，主要步驟包括：激活一小塊面層模型；在“特性”中創(chuàng)建“終壓參數(shù)”；通過添加浮點(diǎn)類型的新特性“壓實(shí)度”并編輯其特征值，完成壓實(shí)度參數(shù)的創(chuàng)建與編輯。該研究創(chuàng)建的面層模型的關(guān)鍵參數(shù)示例如圖8所示。

圖8 在模型特性中添加關(guān)鍵參數(shù)

在創(chuàng)建參數(shù)特性的基礎(chǔ)上，針對壓實(shí)度不足的關(guān)鍵質(zhì)量缺陷可以進(jìn)一步基于Navisworks開發(fā)創(chuàng)建自動篩選與搜索方法，并實(shí)現(xiàn)其可視化。方便管養(yǎng)階段對壓實(shí)度偏低的路段提前做好防護(hù)準(zhǔn)備，可有效降低路面因壓實(shí)度偏低而發(fā)生局部破壞的情況。圖9為該文開發(fā)的壓實(shí)度小于99%的路段的可視化搜索集示例，其核心步驟包括：建立“壓實(shí)度≤99%”的搜索條件；在“場景視圖”和“選擇樹”中自動篩選并高亮顯示滿足條件的所有路段；在集合中將搜索結(jié)果自動保存為搜索集“壓實(shí)度偏低路段”。

圖9 搜索壓實(shí)度小于99%的路段

3 結(jié)論

研究了BIM技術(shù)在瀝青路面施工中的應(yīng)用，發(fā)揮其智能化與信息化作用，顯示了BIM技術(shù)在道路工程中應(yīng)用的優(yōu)越性和巨大潛力，主要結(jié)論如下：

(1) 基于Revit開發(fā)建立了三維地質(zhì)模型，施工場景基本設(shè)施模型，為施工階段動畫的模擬提供必要的基礎(chǔ)模型。

(2) 基于Navisworks實(shí)現(xiàn)了瀝青路面施工動畫開發(fā)，充分展示施工動態(tài)過程和施工細(xì)節(jié)；對模型添加了壓實(shí)度等質(zhì)量參數(shù)特性，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵施工數(shù)據(jù)集成，便于后期質(zhì)量管理；開發(fā)建立了質(zhì)量缺陷自動化搜索與可視化展示方法，輔助病害防治。

(3) 基于BIM技術(shù)進(jìn)行了瀝青路面的可視化施工模擬，增強(qiáng)了施工過程的可視化，可交互性，同步性。各參與方可以在同一個(gè)平臺、同一個(gè)構(gòu)思里面討論問題，方便以最快速度獲取最優(yōu)的施工預(yù)選方案，以達(dá)到節(jié)約時(shí)間，控制成本的目的。