陳 明

(廣西交通工程質量安全監(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用價值；其中英國于2016年明確授權國家投資公共項目需采用BIM技術進行；法國推行BIM國家數(shù)字化技術；德國建設改革委成立了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應用。日本的建筑信息技術軟件產(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)重點推廣技術與頒布《關于推進BIM技術在建筑領域內應用的指導意見》(征求意見稿)，明確指出“2016年，所有政府投資的2萬m2以上的建筑的設計、施工必須使用BIM技術”；并于2015年，政府把BIM和工程造價大數(shù)據(jù)應用列入《關于推進建筑業(yè)發(fā)展和改革的若干意見》中。

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

1 BIM的技術特點

1.1 BIM技術的應用特點

BIM技術因其顯著的三維技術優(yōu)勢，在建筑道路行業(yè)中引發(fā)了一場影響巨大的設計技術革命，道路行業(yè)應用BIM技術具有以下特點：

(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，包括所有建筑學科有關的數(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，調度信息闡明了必要的人力，協(xié)調任何可能影響項目進度的內容。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技術可描述工程對象的3D幾何信息和拓撲關系以及完整的工程信息。

1.2 相關軟件

BIM技術的實現(xiàn)需要一系列功能與之對應的軟件來實現(xiàn)，相關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技術在道路領域的應用

2.1 策劃應用

BIM技術在該階段的主要應用有以下幾個方面。

(1)BIM與GIS對設計條件判斷分析

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技術進行成本估計，可以減少40%的預算，估算的精度和傳統(tǒng)估算方法相比在3%以內，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的結合能夠將項目與周邊環(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)進行下一步方案設計，使策劃方案更加合理化。

2.2 設計應用

在該階段，道路工程師可以將道路幾何信息直接傳達給結構工程師，以便其在結構設計軟件中設計其他交通結構物，達到多專業(yè)協(xié)同設計的目的。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計解決方案，并提高項目利益相關者之間的溝通效率[2]。整個設計階段流程包括：(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，提出道路信息模型；(3)路線平面、縱斷面設計；(4)路基標準橫斷面設計；(5)道路模型生成；(6)景觀和環(huán)境分析；(7)管線綜合設計；(8)相關圖表成果生成。

2.3 造價應用

工程造價是工程建設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)計與成本預算兩個方面，其又稱為BIM的5D應用(3D空間+4D時間+5D造價)。主要包括：(1)投資決策階段造價應用；(2)設計階段的造價應用；(3)施工階段的造價應用。

2.4 施工應用

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。然而建設是分階段進行的，對于同一項工程，施工人員可能比設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，但是為了適應工程項目的不同要求，施工方與設計方進行協(xié)調的可能性較小，變更設計方案更是難上加難。采用BIM技術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技術之間存在著根本的區(qū)別。BIM是一個高度標準化的結構，而GIS是一個用戶定義的結構。BIM中的數(shù)據(jù)交換主要是基于文件的，而GIS是基于服務器的[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，在建立公路設計施工信息基礎數(shù)據(jù)庫的基礎上，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，得到小規(guī)模的實體，并由此檢查模型的結構完整性[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

將異構環(huán)境下任務調度理論與BIM技術相結合，通過異構環(huán)境下任務調度理論，實現(xiàn)道路施工計劃任務的分包與調度優(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調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)復雜節(jié)點安裝模擬

在復雜項目的施工過程中，可通過4D虛擬模型的創(chuàng)建，看清楚復雜節(jié)點的三維布置，解決圖紙復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的效率，在崗位培訓時可以更加直觀、方便、快捷地了解掌握裝置的工藝流程、設備的屬性[7]。

2.5 運營與維護應用

在施工結束后需要和各參建方進行溝通和信息分享，設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集成；(2)建立公路路況數(shù)據(jù)采集與技術狀況評定系統(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技術在大連市疏港路拓寬改造的創(chuàng)新應用[9]。

3 工程實例

3.1 國外實例

BIM技術在國外應用的時間長，積累的經(jīng)驗豐富，有以下的具體工程用到相關的BIM技術。自芬蘭首都到西部的Kt51路采用移動地圖設備(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查結果進行分析和建模，進行設計優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)采用BIM技術對數(shù)據(jù)調查與道路設計進行應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計圖，比較2D設計和3D設計，從中可以確定BIM應用的可能性。Kim等人(2009)分析了通過使用商業(yè)化BIM建模工具構建的BIM數(shù)據(jù)模型的IFC兼容性。另外，通過國內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構構建基于BIM模型庫的公路涵洞護坡設計模型。

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)有軸承結構如圖5所示。該模型詳細展示了使加固結構獨立于現(xiàn)有系統(tǒng)的后加新系統(tǒng)。

圖5 斜拉橋加固結構新系統(tǒng)BIM建模圖

3.2 國內實例

雖然我國BIM技術起步較晚，但在一些具體工程中用到了相應的技術。浙江省臺州市開發(fā)大道采用Civil 3D、Revit軟件進行路基設計比較分析，得出Civil 3D更適合路基BIM設計。在夜郎河雙線特大橋施工中使用BIM技術進行虛擬施工和對復雜結構進行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致相應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)劃建設采用面向異構資源環(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過程中研究了BIM技術在該變截面橋梁的施工應用，建立了該跨鐵路橋各結構構件族、施工階段臨時構件族，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，獲取了道路基礎設施信息、道路構造物等信息，同時對公路BIM可視化進行了應用，實現(xiàn)了施工圖協(xié)同設計，提高了公路勘察設計的質量，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可視化應用，用于公路設計路線方案比選、路線初步設計等，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)同設計[15]。

4 結語

BIM自身顯著的三維技術相對傳統(tǒng)技術更簡單、方便、節(jié)省成本、具有預見性，使得傳統(tǒng)道路設計、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控設計等，對建筑和道路行業(yè)而言是一場影響巨大的技術革命。

借助BIM技術，公路策劃、設計、造價、施工等應用功能的一個或多個精確虛擬模型可以數(shù)字化構建。它們支持公路領域的各個階段，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。

通過國內外相關的具體工程實例可以看出，BIM技術不僅能夠應用于建筑領域，在道路工程應用中提供了一種在構建生命周期過程內各個方面同時開展工作的方法，提供改變傳統(tǒng)架構階段和數(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測的工具，能夠提高道路建設的合理性及科學性。

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