陳曉燕

（甘肅天馬公路建筑工程有限公司）

1 引言

公路是國民經(jīng)濟的大動脈，是關(guān)鍵性基礎(chǔ)設(shè)施與重大民生工程，更是我國綜合交通運輸體系的骨干與主要運輸方式之一，在我國經(jīng)濟社會發(fā)展中有著舉足輕重的位置。加強現(xiàn)代化公路建設(shè)，對優(yōu)化路網(wǎng)布局、構(gòu)建現(xiàn)代綜合交通運輸體系、夯實交通強國實力具有重要意義。當(dāng)前，我國正處于公路工程建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展期，公路工程具有體量大、周期長、投資高、工藝復(fù)雜等特點，在施工過程中可能會因技術(shù)交底、構(gòu)件供應(yīng)等因素而出現(xiàn)圖紙變更、進度計劃調(diào)整等現(xiàn)象，致使公路工程項目的施工組織計劃不明確、工期延長等問題。BIM技術(shù)采用帶有屬性信息的三維仿真模型對工程對象進行客觀表達與描述，利用良好的信息共享、模型管理、結(jié)構(gòu)計算等功能實現(xiàn)對工程三維模型的模擬、共享、管理與計算分析，實現(xiàn)對復(fù)雜空間對象的精細化表達與科學(xué)化管理。同時，BIM技術(shù)的數(shù)據(jù)共享與協(xié)同特征可有效支持工程設(shè)計、施工、監(jiān)理等多主體協(xié)同監(jiān)管工程施工狀況，是推動工程施工流程化管控與全生命周期管理的重要技術(shù)抓手。

2 BIM模型的創(chuàng)建與管理

2.1 協(xié)同工作環(huán)境

在工作環(huán)境方面，為強化各參建方在各環(huán)節(jié)的信息共享與協(xié)同管理，BIM技術(shù)為各參建方組織與管理公路工程相關(guān)數(shù)據(jù)如路基寬度、最大縱坡、極限最小平曲線半徑、停車視距參數(shù)等提供了規(guī)范性的數(shù)據(jù)組織與存儲標準，并利用元數(shù)據(jù)描述公路工程各參數(shù)的語義信息、規(guī)格標準、數(shù)據(jù)類型等，為公路工程實施階段的數(shù)據(jù)存儲、組織、管理、傳輸與共享提供了標準化基礎(chǔ)，避免不同技術(shù)平臺或軟件下BIM模型信息存在的格式轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)描述內(nèi)容不清晰等問題；利用文件管理方式對各類模型資源進行管理，通過文件的權(quán)限設(shè)置、文件管理工作流設(shè)計、文件版本更新管理等，實現(xiàn)BIM技術(shù)支持下的公路工程各參建方協(xié)同管理與使用模型文件。同時，為做好公路工程的設(shè)計、采購、工藝實施、監(jiān)理等工作的統(tǒng)籌管理與協(xié)同調(diào)度，BIM技術(shù)提供了一系列基礎(chǔ)構(gòu)件或器件單元模型以及工作流程，以便各參建方在同一套標準與工作流程下創(chuàng)建與管理公路工程的承臺、樁帽、樁、板梁、箱梁、桁架梁等構(gòu)件模型，有力地指導(dǎo)構(gòu)件采購、預(yù)制生產(chǎn)、施工組織計劃編制等。

2.2 協(xié)同工作方法

BIM技術(shù)采用統(tǒng)籌管理與頂層設(shè)計的理念，以節(jié)點化的管理方式對公路工程各參建方在工程全生命周期內(nèi)的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一應(yīng)用接口管理，即公路工程各參建方的數(shù)據(jù)由單一入口進入到BIM數(shù)據(jù)庫或模型庫中，通過單一入口的匯總與權(quán)限管理，可較好地保證BIM數(shù)據(jù)或模型文件的安全性與訪問有序性。例如，在公路工程設(shè)計階段，設(shè)計人員利用BIM技術(shù)相關(guān)軟件對板梁這一構(gòu)件進行三維仿真模擬，在空間結(jié)構(gòu)與細部關(guān)系三維刻畫后，為板梁模型附加上規(guī)格大小、設(shè)計理論重量等屬性參數(shù)，利用空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的集成組織與管理實現(xiàn)板梁BIM模型的構(gòu)建；板梁施工階段，利用BIM技術(shù)相關(guān)軟件的數(shù)據(jù)應(yīng)用接口調(diào)取板梁的三維仿真模型，查看其諸多屬性參數(shù)，更為全面地共享與獲悉板梁的設(shè)計標準與質(zhì)量控制要求，有效監(jiān)管板梁澆筑等施工作業(yè)的質(zhì)量[1]。

2.3 BIM 模型管理

BIM技術(shù)在模型創(chuàng)建與更新方面提供了良好的屬性圖形聯(lián)動機制，其將工程對象的三維模型參數(shù)化，參數(shù)調(diào)整后軟件可自動渲染與更新三維模型，如修改板梁的規(guī)格參數(shù)中的高度后，板梁三維模型也會相應(yīng)發(fā)生調(diào)整，并利用計算機圖形引擎重新渲染出更新后的板梁三維模型。屬性圖形聯(lián)動機制可以極大地提升工程對象BIM數(shù)字化建模的效率，其主要依托BIM技術(shù)中的構(gòu)件庫管理工具對工程對象的構(gòu)建進行標準化，在實際公路工程設(shè)計階段則調(diào)用相應(yīng)的組件進行參數(shù)調(diào)整與構(gòu)件拼裝，實現(xiàn)公路工程對象三維模型的快速搭建。同時，BIM技術(shù)具有強大的信息處理與科學(xué)計算能力，可繼承公路工程的專業(yè)算法優(yōu)化設(shè)計方案。如在對公路工程中的橋梁孔跨進行布置時，可將公路橋梁所在區(qū)域DEM、控制點位數(shù)據(jù)、梁型信息等輸入到軟件中，引入模擬退火算法與強化學(xué)習(xí)方法，通過全局遍歷與隨機搜索對大規(guī)?？卓绮贾媒M合求取最優(yōu)解，實現(xiàn)對橋梁孔跨的自動測算與最優(yōu)布置，提高孔跨布置的科學(xué)性。

3 BIM模型在公路工程施工中的應(yīng)用分析

3.1 構(gòu)件庫開發(fā)

BIM模型的構(gòu)建與共享是公路工程設(shè)計、施工協(xié)同管理的關(guān)鍵。在公路工程設(shè)計階段，需利用BIM技術(shù)對公路工程中各個對象如板梁、鉆孔樁、橋臺、連續(xù)梁等進行三維仿真建模，對各對象如板梁的長度、高度、寬度等參數(shù)進行精細化設(shè)計，并利用結(jié)構(gòu)計算與碰撞測試等檢查工程對象設(shè)計中存在的不合理之處并加以參數(shù)調(diào)整，利用良好的屬性圖形關(guān)聯(lián)機制實現(xiàn)參數(shù)調(diào)整下三維模型的自動渲染與更新。公路工程對象的三維仿真建模與設(shè)計調(diào)整優(yōu)化主要依托BIM技術(shù)中的構(gòu)件庫管理工具對工程對象的構(gòu)建進行標準化，在實際公路工程設(shè)計階段則調(diào)用相應(yīng)的組件進行參數(shù)調(diào)整與構(gòu)件拼裝。因此，利用BIM技術(shù)建立公路工程的標準化構(gòu)件庫，設(shè)計人員可調(diào)用構(gòu)件庫中的構(gòu)件構(gòu)建工程對象三維模型。例如，利用Revit軟件設(shè)計并開發(fā)不同規(guī)格、型號、屬性、用途的公路工程對象構(gòu)件族，利用Tekla Structure軟件對構(gòu)件的空間結(jié)構(gòu)進行設(shè)計、對構(gòu)件間的空間關(guān)系加以定義，在對構(gòu)件進行分類與編號后保存到構(gòu)件族庫中。

3.2 公路工程構(gòu)件生產(chǎn)

公路工程對象各構(gòu)件設(shè)計完成后，需將設(shè)計方案與生產(chǎn)廠商共享，以便其采購原材料、組織生產(chǎn)作業(yè)。早期構(gòu)件設(shè)計人員移交給生產(chǎn)廠商的多為二維圖紙，其對構(gòu)件的空間結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)等刻畫與表達相對局限，構(gòu)件的設(shè)計交底不夠完整，不利于構(gòu)件高質(zhì)量、高精度生產(chǎn)。將BIM技術(shù)應(yīng)用到公路工程設(shè)計方與生產(chǎn)方技術(shù)交底中，以公路工程對象的構(gòu)件三維仿真模型為交底內(nèi)容，生產(chǎn)廠商可直觀查看各構(gòu)件的規(guī)格、尺寸、結(jié)構(gòu)、材料、屬性參數(shù)等，便于構(gòu)件生產(chǎn)人員精確掌握構(gòu)件的空間結(jié)構(gòu)、屬性數(shù)據(jù)、預(yù)制參數(shù)，如板梁的長度、高度、寬度、中板、邊板、鋼筋等，確保構(gòu)件生產(chǎn)的精準性。此外，在BIM協(xié)同工作環(huán)境與工作方式下，生產(chǎn)單位的構(gòu)件生產(chǎn)方案可與公路工程施工單位的施工方案有機銜接，根據(jù)公路工程施工進度協(xié)調(diào)生產(chǎn)單位的原材料采購計劃、生產(chǎn)計劃與運輸計劃，以流程的有序銜接提高公路工程施工各環(huán)節(jié)的高效配合與有機協(xié)同（見圖1）。

圖1 高速路預(yù)制構(gòu)件設(shè)備示意圖

3.3 圖紙會審與技術(shù)交底

在對公路工程對象各構(gòu)件逐一設(shè)計后，可利用BIM技術(shù)對各構(gòu)件三維仿真模型進行碰撞測試與錯誤檢查，經(jīng)結(jié)構(gòu)計算與空間分析找到各構(gòu)件拼裝時存在的結(jié)構(gòu)交叉、重疊、碰撞等問題，并通過調(diào)整構(gòu)件三維仿真模型的屬性參數(shù)或空間結(jié)構(gòu)，優(yōu)化構(gòu)件的設(shè)計方案，提高構(gòu)件設(shè)計的合理性與可行性。例如公路工程中的橋墩由樁基、承臺、托盤、頂帽、牛腿、墊石等構(gòu)件組成，在對各構(gòu)件三維建模后，可利用結(jié)構(gòu)分析方法檢測各構(gòu)件的空間結(jié)構(gòu)交叉狀況，幫助設(shè)計人員與施工人員提前規(guī)避構(gòu)件不匹配問題。同時，依托BIM技術(shù)的結(jié)構(gòu)計算分析模型，結(jié)合公路工程的幾何結(jié)構(gòu)、材料等測算出公路工程的荷載，以便合理利用預(yù)應(yīng)力技術(shù)，量化測算灌漿量，有效控制預(yù)應(yīng)力筋的伸長值在一定閾值范圍內(nèi)[2]。

3.4 施工過程模擬

早期公路工程施工進度管理大多依賴于施工組織計劃的編制以及現(xiàn)場管理人員的統(tǒng)籌調(diào)度，施工組織計劃對施工作業(yè)順序、邏輯、時限加以設(shè)計，但受到突發(fā)性天氣狀況或現(xiàn)場機械設(shè)備協(xié)調(diào)不力等因素影響，施工進度可能會發(fā)生延誤，施工作業(yè)邏輯也無法嚴格按照組織計劃有序?qū)嵤?。利用BIM技術(shù)對公路工程的施工過程進行模擬，或?qū)饭こ淌┕さ年P(guān)鍵環(huán)節(jié)與復(fù)雜工序進行提前模擬，現(xiàn)場管理人員與技術(shù)人員可從施工過程模擬中預(yù)先發(fā)現(xiàn)施工作業(yè)存在的工序邏輯錯誤、施工資源浪費式消耗以及施工工藝實施安全隱患等，進而糾正、調(diào)整、優(yōu)化公路工程施工組織計劃，確保在施工過程中各項工序推進與銜接的有效性、契合性與安全性。

3.5 施工動態(tài)控制

公路工程施工過程中，在BIM軟件中輸入施工現(xiàn)場的場地模型數(shù)據(jù)、公路工程的結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)、公路工程的施工計劃等，BIM軟件會按照施工計劃動態(tài)執(zhí)行施工節(jié)點的施工作業(yè)內(nèi)容，并將不同節(jié)點的施工作業(yè)內(nèi)容有效銜接與組織，建立BIM4D模型。在公路工程實際施工階段，施工人員以日、月等時間周期將工程施工進度上報給管理人員，由管理人員將施工進度錄入到BIM相關(guān)軟件中，將實際施工進度與計劃進度進行動態(tài)比對，以便管理人員及時發(fā)現(xiàn)施工進度偏差并做出調(diào)整。同時，利用BIM技術(shù)對公路工程施工進度進行管理，可有效關(guān)聯(lián)每日、每周、每月施工進度、施工內(nèi)容、構(gòu)件采購、機械使用登記等環(huán)節(jié)，有效關(guān)聯(lián)項目部、工程部、技術(shù)部、質(zhì)量安全部等協(xié)同參與到公路工程施工、質(zhì)量核查、技術(shù)培訓(xùn)、員工管理等業(yè)務(wù)中，實現(xiàn)公路工程施工的動態(tài)控制與協(xié)同管理。

4 結(jié)語

BIM技術(shù)將公路工程平面設(shè)計圖紙轉(zhuǎn)換為三維施工模型，以BIM模型為媒介，為圖紙會審與技術(shù)交底的數(shù)據(jù)精準傳遞與共享提供技術(shù)支撐。同時，BIM模型與施工計劃結(jié)合，三維可視化手段直觀形象展示施工進度；施工計劃與三維場景結(jié)合，為優(yōu)化調(diào)整施工計劃提供參考，可切實提高公路工程施工模型構(gòu)建的水平，集齊、組織、管理、共享公路工程分部分項工程模型、施工人員、材料、機具模型等系統(tǒng)資料，為公路工程項目施工圖紙校核、工程量核算提供便利的條件。