道路工程中BIM应用技术研究

陈 明

(广西交通工程质量安全监督站，广西 南宁 530001)

0 引言

BIM是代表建筑信息模型(Building Information Modeling)的首字母缩略词，是一个借助三维数字化模型将工程项目的几何特性、构件要素、施工进度等信息集合在一起方便项目各方参与者进行协同作业以提高效率的共享平台，而不单单只是一个软件。BIM使用模型来传递信息，并体现出各方参与者协同作业而产生的巨大优势[1]。

美国总务管理局(GSA)自2003年起开始实施一项被称为3D-4D-BIM计划的项目。自2014年欧盟颁布了《公共采购指令》鼓励所有成员国采用BIM来提高公共项目的应用价值；其中英国于2016年明确授权国家投资公共项目需采用BIM技术进行；法国推行BIM国家数字化技术；德国建设改革委成立了BIM工作组，为德国制定BIM战略，并在项目上增加BIM的采用；奥地利已经出版了国家BIM标准。

新加坡政府也成立了BIM基金。韩国政府计划于2016年前实现全部公共工程的BIM应用。日本的建筑信息技术软件产业成立国家级国产解决方案软件联盟。我国住建部分别于2011年、2013年将BIM列为“十二五”中国建筑业重点推广技术与颁布《关于推进BIM技术在建筑领域内应用的指导意见》(征求意见稿)，明确指出“2016年，所有政府投资的2万m2以上的建筑的设计、施工必须使用BIM技术”；并于2015年，政府把BIM和工程造价大数据应用列入《关于推进建筑业发展和改革的若干意见》中。

BIM技术在建筑行业应用的成果较为丰富，但在交通行业的应用仍处于起步阶段，虽然已经展现了一定的效益，并吸引了很多关注，但多数人仍然认为BIM技术只是对现有技术的改进和提高，并未引起行业的革新变化。鉴于此，本文从BIM的技术特点及在道路领域中的应用两个方面进行阐述，希望引起更多道路从业者对BIM在道路领域所起作用的重视。

1 BIM的技术特点

1.1 BIM技术的应用特点

BIM技术因其显著的三维技术优势，在建筑道路行业中引发了一场影响巨大的设计技术革命，道路行业应用BIM技术具有以下特点：

(1)三维可视化

真正的BIM模型由用于建造建筑物的实际建筑部件和部件的虚拟等价物组成。这些元素具有其真实对应物的所有特征——无论是物理的还是逻辑的。这些智能元素是墙体、立柱、窗户、门、楼梯等实体建筑元素的数字原型，它们使我们能够在实际施工开始之前以计算机环境模拟建筑并了解其行为。

(2)建筑模拟

BIM模型不仅包含建筑数据，还包含建筑信息的全部深度，包括所有建筑学科有关的数据，甚至包括可持续发展信息，借此可以很好地模拟建筑物的所有特性。

(3)数据管理

BIM包含完全没有可视化表现的信息。例如，调度信息阐明了必要的人力，协调任何可能影响项目进度的内容。成本也是BIM的一部分，它使我们能够看到项目期间任何给定时间点项目的预算或估计成本。

(4)建筑运营

所有数据都采用BIM模型，不仅在建筑项目的设计和施工阶段效果显著，而且可以在整个建筑生命周期中使用，有助于降低建筑物的运营和管理成本。

(5)信息完备性

BIM技术可描述工程对象的3D几何信息和拓扑关系以及完整的工程信息。

1.2 相关软件

BIM技术的实现需要一系列功能与之对应的软件来实现，相关软件的名称及特点如表1所示。

表1 BIM软件产品介绍表

2 BIM技术在道路领域的应用

2.1 策划应用

BIM技术在该阶段的主要应用有以下几个方面。

(1)BIM与GIS对设计条件判断分析

BIM和GIS的集成可以更深入地了解更好的决策，沟通和理解。通过将BIM和GIS与时间信息一起使用，项目参与者可以更好地了解项目建设之前、期间和之后的决策影响。

(2)基于BIM和GIS道路成本估计系统

成本估计系统由三个模块组成，分别是建设成本估计模块、土地收购成本模块和运营维护模块，原理是基于道路路线，通过对地形上截面进行系统分析，确定道路、桥梁和隧道大致位置以及这些项目的成本。而且数据表明，使用BIM技术进行成本估计，可以减少40%的预算，估算的精度和传统估算方法相比在3%以内，成本估算的时间减少80%，同时，减少了10%的花费与7%的项目时间。

(3)实现互动漫游的可视化

BIM提供详细的三维可视化和拥有组织大量有关建筑物的数据的能力。GIS具有高度的可定制性，能够进行分析。BIM与GIS的结合能够将项目与周边环境存在着的形体、色彩、朝向、可视度等多方面联系进行分析对比，提供带有数据支撑的、直观的依据进行下一步方案设计，使策划方案更加合理化。

2.2 设计应用

在该阶段，道路工程师可以将道路几何信息直接传达给结构工程师，以便其在结构设计软件中设计其他交通结构物，达到多专业协同设计的目的。BIM数据的正确利用将有助于实现一个具有成本效益的设计解决方案，并提高项目利益相关者之间的沟通效率[2]。整个设计阶段流程包括：(1)三维数字地形模型建立与分析；(2)基于BIM和3S(RS、GIS、GPS)一体化技术，提出道路信息模型；(3)路线平面、纵断面设计；(4)路基标准横断面设计；(5)道路模型生成；(6)景观和环境分析；(7)管线综合设计；(8)相关图表成果生成。

2.3 造价应用

工程造价是工程建设项目管理中一项主要工作，是工程施工中为各环节进行优化控制调整的重要依据，可利用工程造价对工程项目进行较好考核，工程造价的管理主要分为工程量统计与成本预算两个方面，其又称为BIM的5D应用(3D空间+4D时间+5D造价)。主要包括：(1)投资决策阶段造价应用；(2)设计阶段的造价应用；(3)施工阶段的造价应用。

2.4 施工应用

道路工程项目的施工过程是一个周期长、资源消耗数量大的过程。我国的施工阶段的投资控制，是施工方根据设计方提供的施工图来进行工程量和造价计算，然后进行招投标。然而建设是分阶段进行的，对于同一项工程，施工人员可能比设计人员对场地和施工工艺的认识更加深刻，可能会提出更适宜的施工方案，但是为了适应工程项目的不同要求，施工方与设计方进行协调的可能性较小，变更设计方案更是难上加难。采用BIM技术将道路施工分六个方面来更加细化地理解这个问题。

(1)工程量自动分析

公路施工按照各标段进行管理，如土石方工程、桥梁工程、隧道工程等，本文以土石方工程为例，传统不使用三维建模高速公路计算填挖方往往消耗大量时间，并且不精确的土石方计算将导致公路项目总成本增加[3]。本文介绍一种基于DEM土石方量计算的基本思想，将地面网格模型和顶面网格模型通过平面网格模型和离散点数据库进行插值计算得到，其数学表达式为：

hx，y=Zsx，y-Zcx，y

V=∬∑hx，ydS

式中：hx，y——网格点高程差值；

V——土石方体积。

(2)路基施工三维动态进度模型

BIM和GIS技术之间存在着根本的区别。BIM是一个高度标准化的结构，而GIS是一个用户定义的结构。BIM中的数据交换主要是基于文件的，而GIS是基于服务器的[4]。但基于BIM原理建立的核心模型与数据库，同时利用GIS的数据融合分析功能，在建立公路设计施工信息基础数据库的基础上，搭建三维高精度地形影响可视化平台，开发二维GIS数据库以及三维高精度地形影响可视化平台的联动模版，可以将BIM与GIS有机结合最终实现系统的动态更新功能。

(3)路面施工形象进度模型

“路面施工形象进度模型”可与三维高精度地形模型一起联动，最终实现系统的动态实时更新功能。本文以Civil 3D软件为例，将车行道路面工程一小段的施工模拟截图，后期渲染图展示如图1所示。

图1 路面施工模拟图

(4)自动经纬仪与Revit集成

利用自动经纬仪与BIM的Revit软件进行集成如图2所示，由此可以实现对放样点和周边环境的可视化，可以提高放样精度，而且在模型建好后，可以使用3D打印技术，得到小规模的实体，并由此检查模型的结构完整性[5]。

图2 自动经纬仪与Revit集成示意图

(5)道路施工进度优化

将异构环境下任务调度理论与BIM技术相结合，通过异构环境下任务调度理论，实现道路施工计划任务的分包与调度优化。有研究提出了MCEFT(Modified Constrained Earliest Finish Time)算法，实现了对目标问题优化的有效解决。该算法能给出优化后的建议施工进度计划任务调度与资源组分配方案，并求出近似最小化施工进度计划的完成时间[6]。

(6)复杂节点安装模拟

在复杂项目的施工过程中，可通过4D虚拟模型的创建，看清楚复杂节点的三维布置，解决图纸复杂部位表达不清与施工交底不清楚的问题。提高操作员岗位培训的效率，在岗位培训时可以更加直观、方便、快捷地了解掌握装置的工艺流程、设备的属性[7]。

2.5 运营与维护应用

在施工结束后需要和各参建方进行沟通和信息分享，设想如果有一个庞大的、完整的、实时更新的数据库，作为运维阶段的技术支撑，可能极大降低维护的困难[8]。

采用BIM模型与运营维护管理系统相结合，能够发挥其在空间定位和数据记录方面的优势，更合理地制定维护计划，提高维护效率。主要包括：(1)全景激光雷达公路路况采集技术集成；(2)建立公路路况数据采集与技术状况评定系统；(3)平整度、车辙自动检测解算；(4)实现隧道运营管理；(5)公路预防性养护等。国外已有美国Ⅰ-15州级公路改扩建工程项目，我国已有BIM技术在大连市疏港路拓宽改造的创新应用[9]。

3 工程实例

3.1 国外实例

BIM技术在国外应用的时间长，积累的经验丰富，有以下的具体工程用到相关的BIM技术。自芬兰首都到西部的Kt51路采用移动地图设备(Trimble MX8)对所选择的特殊道路部分进行测量，然后使用Terrasolid Oy(TerraScan，TerraMatch)提供的软件和工具对调查结果进行分析和建模，进行设计优化，发现采用BIM技术对数据调查与道路设计进行应用后可以获取更为准确的信息模型，效果如图3，做到没有重大事故延误[10]。

图3 芬兰Kt51路三维分析建模图

韩国Lee通过BIM建模制作某条高速公路的二维设计图，比较2D设计和3D设计，从中可以确定BIM应用的可能性。Kim等人(2009)分析了通过使用商业化BIM建模工具构建的BIM数据模型的IFC兼容性。另外，通过国内外进行的类似高级研究的比较，提出了通过国际金融公司进行BIM数据兼容的问题以及解决这些问题的手段。Moon等人针对道路涵洞和护坡结构构建基于BIM模型库的公路涵洞护坡设计模型。

美国加利福尼亚州的道路项目进行到填挖施工阶段，其BIM模型如图4所示。发现通过BIM建立详细模式，能够为客户做价值工程，尝试各种选项来匹配计划目标和预算。

图4 加利福尼亚州道路BIM模型图

英国Ramboll实施BIM二级标准的试点项目——伦敦交通运输Hammersmith采用BIM建模对622 m长的16跨段预制混凝土柱斜拉桥改建项目进行后张力加固和更换现有轴承结构如图5所示。该模型详细展示了使加固结构独立于现有系统的后加新系统。

图5 斜拉桥加固结构新系统BIM建模图

3.2 国内实例

虽然我国BIM技术起步较晚，但在一些具体工程中用到了相应的技术。浙江省台州市开发大道采用Civil 3D、Revit软件进行路基设计比较分析，得出Civil 3D更适合路基BIM设计。在夜郎河双线特大桥施工中使用BIM技术进行虚拟施工和对复杂结构进行3D可视化交底，对多处施工工序冲突提前示警并进行了优化，回避了由于施工方因交底理解不清导致相应的施工错误而造成的返工。实现了工程量有效提取，为物资采购计划及项目成本分析提供了准确依据，产生了可观的经济和社会效益[11]。上海市丰翔路规划建设采用面向异构资源环境的BIM道路施工进度优化方法整体合计减少施工用时173 d，整体可以平均节省成本3 564.16万元[12]。

武汉市跨京广铁路斜拉桥建设过程中研究了BIM技术在该变截面桥梁的施工应用，建立了该跨铁路桥各结构构件族、施工阶段临时构件族，整体效果如图6所示，形成了本工程三维模型族库[13]。

图6 武汉市跨京广铁路斜拉桥模型图

吉林省某高速公路改扩建工程项目采用车载激光3D测量技术，获取了道路基础设施信息、道路构造物等信息，同时对公路BIM可视化进行了应用，实现了施工图协同设计，提高了公路勘察设计的质量，使公路扩修进展顺利[14]。

香港沙田至中环线路扩建采用BIM模型进行线路设计以及项目信息管理，使整体项目可视化，工作流程透明化，优化了整体项目部门合作。

河北省京港澳高速公路涿州(京冀界)至石家庄段改扩建工程进行了公路BIM可视化应用，用于公路设计路线方案比选、路线初步设计等，在Bently环境下实现了基于3D产品、三维激光点云数据施工图协同设计[15]。

4 结语

BIM自身显著的三维技术相对传统技术更简单、方便、节省成本、具有预见性，使得传统道路设计、施工、后期运营管理过程变得可视化，提前消除因各方信息不通的情况下造成的不必要的成本浪费，并对项目进行实时调控设计等，对建筑和道路行业而言是一场影响巨大的技术革命。

借助BIM技术，公路策划、设计、造价、施工等应用功能的一个或多个精确虚拟模型可以数字化构建。它们支持公路领域的各个阶段，比手动过程更好地进行分析和控制。完成后，计算机生成的模型包含精确的几何图形和数据，以支持建筑施工。

通过国内外相关的具体工程实例可以看出，BIM技术不仅能够应用于建筑领域，在道路工程应用中提供了一种在构建生命周期过程内各个方面同时开展工作的方法，提供改变传统架构阶段和数据共享的方式，其建模过程集成了实际的施工件和零件，可用作估算和完成施工成本预测的工具，能够提高道路建设的合理性及科学性。

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[5]Chong Heap Yih，Lopez Robert，Wang Junet al.Comparative Analysis on the Adoption and Use of BIM in Road Infrastructure Projects[J].Journal of Management in Engineering，2016，32(6).

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