BIM技术在公路工程施工阶段的应用

刘伟杰

(天津市公路工程设计研究院 天津300170)

0 引 言

公路工程施工技术发展日益成熟，各种新技术、新设备、新工艺、新材料不断应用到建设项目中，极大地提高了建设工程质量、加快了施工进度、保护了项目周围的生态环境。信息化系统在建设工程项目实施过程中应用也相当广泛，工程概预算、项目管理、质保资料、办公系统、公文收发、计量支付、试验检测、质量评定、档案管理都有比较成熟的系统软件，另外在工程现场监控以及手机程序开发方面也已经开始了新的探索，取得了很好的效果。

王婷等[1]提出基于5D 技术在施工动态管理中的应用，为实现施工的精细化管理提供宝贵经验。王丽园等[2]提出了BIM 在道路勘测设计中的应用方法，并成功应用到实例中，但仅涉及到勘测阶段。BIM 在公路工程施工阶段的应用在最近几年已经兴起，取得了一定的成效，有效解决了建设工程项目模型可视化的问题，在其他方面也有着积极的作用。

1 公路施工阶段的特点

公路工程建设项目按照设计施工图纸进行工程项目的实施，将设计劳动成果转化为工程实体，将抽象的设计施工图纸呈现为具象的形态。

1.1 公路建设项目的单一性

同其他建设工程一样，公路工程是一次性的建设项目，这一点不同于加工制造产品，没有两个完全一样的公路建设项目。虽然很多公路工程建设项目的承发包模式、组织结构模式、管理体制，甚至是设计构筑物结构类型都是相同的，但是每个建设项目都有其不同的设计方案、施工组织设计、项目参与人员、配备的机械设备、周围环境等[3]。这就要求在整个建设项目的全生命周期进行全面独立的过程管理，其他已完公路工程项目可以提供参考，借鉴成功的建设经验，但还是不能原封不动照搬已完公路工程设计思路、设计方案、组织分工等，必须根据本项目的实际情况进行项目建设。

1.2 公路建设项目的结构类型特点

建筑工程一般集中在地面上某一划分区域进行开发建设，这种建设项目一般施工干扰比较小，也不存在场地布置的问题，如果是城市里面的开发项目，一般对环境的要求比公路工程建设项目要高。公路工程为线形、带状的结构，一般跨越山川、河流，穿越各种地形、地质结构，包括平原、河流、湖泊、海洋、山岭、峡谷、隔壁、沙漠等，而地下的地质情况更为复杂，软土地基、地下水影响、地质情况围岩级别、地质断层、采空区、溶洞等。在同一个公路建设项目施工中，有可能遇到多种复杂地质情况，因此，项目实施条件相对于建筑情况更为复杂。在一些偏远地区的公路工程建设项目，往往是穿越人迹罕至的大山，缺少施工单位进入场地的条件，有些公路项目为了实施，需要修建数公里长的施工便道，搭设施工便桥，临建费用所占比例很大。从另外一方面来说，公路工程建设项目一般都是在狭长的作业带进行施工作业，没有开阔的作业面，临时用地困难，这往往加大了公路工程建设项目实施的难度。

1.3 公路工程建设项目实施人员素质差异很大

在公路工程建设项目实施过程中，参与的单位包括建设单位、监理单位、设计单位、施工单位、供应商等，不同单位的项目参与人员水平参差不齐，差异很大。大部分单位拥有专业的、有项目建设管理经验的技术人员，满足建设工程项目实施的需要，能够为建设工程项目的实施提供准确、及时的技术支持，但是也有一小部分参与单位的项目管理人员、专业技术人员水平不足，缺乏相关的从业经验，盲目指挥。

一般的公路工程建设项目，包括其他的建筑工程等建设项目，一线的实施人员一般都是农民工，农民工为我国建设工程项目的实施发挥了巨大的作用。从业的农民工拥有丰富的专业施工经验，但是对专业的设计图纸及技术交底、新材料、新技术、新工艺的运用，接受能力偏弱，造成一些好的方案在实施过程中大打折扣。另一方面，对农民工的管理也是一个比较棘手的问题。

1.4 公路工程建设项目的承发包模式

目前，公路工程建设项目最主要的承发包模式还是平行发包，这一点不同于建筑工程项目的施工总承包模式或建设项目总承包模式。由于公路工程建设项目线形、带状的特点，一个公路工程建设项目一般绵延几十公里甚至上百公里，投资额较大，更适宜采用划分合同段平行发包模式。在这种模式下，施工单位根据自身实力、技术装备、人员配备选择自己擅长的合同段进行投标，更容易发挥自身优势，创造价值。

除了建设工程项目平行发包模式外，近几年也有很多PPP 项目、设计施工总承包项目。PPP 项目通常模式是由社会资本承担设计、建设、运营、维护基础设施的大部分工作，并通过“使用者付费”及必要的“政府付费”获得合理投资回报，政府部门负责基础设施及公共服务价格和质量监管，以保证公共利益最大化。

2 公路施工阶段的存在的问题

公路工程建设项目经过多少年的发展，技术标准完善精细，建设工程管理也提升到很高的水平，很多施工单位都已经累积了丰富的施工经验。在我国，很多世界级的工程纷纷亮相，展示了中国建设者的实力。中国的建设工程力量更多的已经走出国门，承担起了非洲很多国家、东南亚一些国家的基础设施建设的重任。

我国公路建设取得的成就是巨大的，但是并不能完全掩盖我们在公路建设工程实施过程中存在的问题。公路工程建设受多方面因素的影响，还存在不少的问题[4]。

2.1 公路工程项目作业环境复杂

公路工程建设项目的实施，受作业面的影响，一般都在狭长地带进行施工场地布置，作业空间小，因此很容易受到各种干扰。

例如，对于临近合同段或施工队来说，经常的情况是场外、场内的运输道路是唯一的，遇到阻碍工程材料难以运抵施工现场，直接影响了项目的建设，另外既有的公路难以承受运输材料的重载交通，道路损毁严重，影响了运输的安全。

临时用地的征地进度，可能影响工程的开展。受现场周围环境的影响，符合梁场布置条件的场地选取有限，因此需要保证临时用地的征地进度，才能保证预制梁的生产，保证施工进度。在公路工程项目实施过程中，梁场的选取需要占用很大的场地，因此梁场的布置与选取显得尤为重要，梁场选择需要有利于预制作业、有利于存放、有利于运输。同样，公路工程建设项目还存在弃渣场的选用问题，弃渣场的选择需要尽可能减少弃渣的运距，同时需要保护生态环境，减少对自然环境、水资源的污染。

公路工程建设项目施工都是野外作业，受不利季节、天气状况影响很大。不管是在哪里进行施工，都需要考虑低温施工、高温施工、雨季施工、大风等对工程施工影响，预计施工作业可能会出现的各种自然灾害，包括洪水、山体滑坡、泥石流等。在这些复杂条件下，组织建设工程项目的实施需要通盘考虑，全面分析施工过程中的影响因素，制定切实可行的建设工程项目施工组织设计，并编制安全应急预案，将工程建设的风险降到最低。如果考虑不周，受任何因素影响，为工程施工带来的损失往往是不可估量的。

2.2 公路建设工程管理中出现的问题

公路建设项目历经几十年的发展，管理水平已经相对成熟，但还是存在一些管理问题。

首先，建设者们一般都习惯于固有的管理模式，对于新的管理方式不能完全接受，比如信息化管理的应用。因为原先传统的管理方式对于管理者的影响根深蒂固，同时其也取得了很好的管理效果，新的管理方式出现的任何瑕疵，都可能被他们无限放大。因此，一些先进的管理模式很难在建设项目上得到真正的应用，有些建设项目往往也只是流于形式，所以管理水平没有得到真正的改进。

其次，在建设工程项目实施过程中，很多从业者只注重人而不注重规则和制度。良性的建设工程管理模式，一定是规则和制度优先，每一个参与者都需要在其职责权限范围内工作，发挥管理制度的作用。如果仅仅只是以人的命令优先，完整的管理制度就不能发挥应有的作用，从而出现越权指挥，让人为因素直接影响公路建设工程项目的质量、进度、成本，以此引起工程建设的损失，让建设项目的管理固守在原有的水平。

再者，在管理活动中，不可避免会出现一些管理上的漏洞。这就需要根据实际情况因地制宜，跟踪建设项目管理的过程，评价管理效果，改进发现的问题，实现动态的管理过程控制。

2.3 建设工程项目施工的问题

公路工程项目的建设虽然现场有技术人员进行技术指导，实际上真正施工的还是一线工人，而工人的技术水平直接影响工程的质量。比如具体的一些施工工序，钢筋加工、路基刷坡、脚手架搭设、模板搭设、防护工程施工，都体现了工人的技术水平，而在一些具体过程中，个别工人会有投机取巧的心态，习惯采用一些省时省力的办法，而不会去关注建设工程的质量，所以需要强化现场的质量管理。

除此之外，在现场施工过程中，场地的布置、材料的存放等对工程建设项目都有不小的影响。如钢筋笼加工后不注重保护，在使用中已经出现锈蚀而不做处理。还有在现场施工过程中，对工艺的控制往往达不到标准规范的要求，如沥青混凝土路面的铺筑，在施工过程中对时间、温度有着很高的要求[5]。

3 BIM技术在施工阶段的应用

3.1 设计校核和工程量复核

施工单位在建设项目开工前一般都要进行熟悉施工图纸，复核设计工程量等工作。设计图纸对每个施工合同段来说一般都要分为多册，上千页，图纸熟悉的过程需要耗费相当长的时间，而且对项目施工图的理解还取决于技术人员自身的专业水平和施工经验。对于没有施工经验的人员来说，熟悉施工图纸可能特别吃力，对于工程实体也没有具体的认识。通过在BIM 模型中浏览，技术人员去查看可视化的工程实体模型，对工程实体会有一个具体的认识。对于复杂的结构物图形，也可以通过构件的显隐将一个复杂的细部构造从其他模型中剥离出来，清楚的去查看工程结构物的实体形态。

在工程量的复核过程中，传统的复核方法要依照二维平面设计图纸来计算结构物的几何尺寸，进而计算体积和数量，由于工程实体并非都是标准而规则的形状，依靠人工有些根本就难以计算，借助图形设计软件CAD 可以实现工程量的计算，这也要求施工技术人员具有很好的CAD 绘图水平，这样一来计算工程量的过程必然需要一个很长的时间。而在BIM 信息化系统中，结构物的工程量信息已经在构件的属性中进行了标识，工程量的汇总统计也可以直接在工程量统计中进行查询，免去了工程量复核过程，既加快了施工进度，减轻了项目工程技术人员的工作量，节约工程工期，还有利于对建设工程项目实体形成具体的认识。

3.2 施工模拟、优化施工方案

根据建设工程项目的进度计划数据，将进度计划数据赋值到BIM 中，即可实现模型的动态施工模拟，一般的施工模拟可以模拟结构物施工在时间和空间上的进度安排顺序。较深层次的施工方案模拟，可以模拟现场的施工机械，逼真地展示整个施工作业活动的过程，从而及时发现施工方案中进度计划安排的问题，如施工场地布置、机械配置、机械性能参数是否满足、空间干扰等问题(图1)，根据施工模拟来进行方案的调整和优化[6]。

施工模拟过程还可以考虑施工的时间要素，综合机械设备的定额台班，依照标准的施工产值，进一步对工程施工方案的进度安排进行验证，及时调整方案中的进度安排，合理安排人员、材料、施工机械设备在现场的投入，节约工程成本，减少窝工时间，加快施工进度，为实际工程项目施工提供经验和最优的可行方案(图2)。

图1 碰撞检查Fig.1 Collision check

图2 施工模拟Fig.2 Construction simulation

在建设工程施工的关联线路施工活动中，通过BIM 技术进行施工工艺模拟，可为关键线路上的施工工序模拟现场真实的施工状况：提供可视化施工预演，提前发现施工部署中的漏洞，从而降低实际施工过程中可能存在的问题，提高建设工程项目质量、加强施工安全，减少实际返工和整改的可能性，提升了整个建设项目的管理水平。

3.3 标准化模型

将建设工程项目中的一些通用标准构件在模型设计中做成标准的模型(图3)，添加进建模软件的族库中。此建模方式相较于传统的CAD 模型绘制是一个很大的进步。标准化的构件模型可以用来预制构件批量化的生产，对于构件加工的生产单位来说，标准的模型可以直接应用于数控机械化自动生产。提高了交底的准确性，同时增强了沟通的效率，减少了双方交底的环节，节约了时间和成本，避免了在采用传统的二维图纸交底时，出现因为二维图理解问题导致的构件加工出错，直接生产出残次品，造成浪费。

图3 构件库—桥梁结构族Fig.3 Component library bridge structure family

3.4 实现精益化质量、进度、成本管理

BIM 信息化系统对工程质量、进度、成本管理方面的影响，产生在BIM 信息化系统的各个方面。

BIM 的三维可视化模型可以精确统计工程量，通过工程量来预测主要材料的消耗量，通过材料消耗和施工进度计划制定建设工程项目施工方案中原材料的采购计划，将资源合理使用。精确计量有效解决了施工过程中工程量不方便统计的问题，为工程计量支付提供了比较直接的依据，实现了建设工程项目的精细化管理。通过在BIM 模型中实现施工的动态模拟，模拟工程施工过程中的进度展示，指导工程项目建设，对于施工过程进行预演，可以进行有效的事前控制，将可能出现的各种问题提前进行处理，降低了未知的风险，加快了施工进度。

在BIM 应用中，可以应用物联网技术以及远程监控，提高建设工程质量[7]。对于工程现场的主要施工机械，进行升级改造，加装数据传感器、GPS 定位以及监控摄像头，就可以对现场机械的施工情况实现远程监控，定位机械运行轨迹，对工作产出工程量配以视频监控，达到控制现场施工质量的目的。另外还可以集成梁场监控、拌和站监控，达到同时控制质量和成本的目的。

对于施工过程中形成的所有质量、进度、成本数据，可以在后台数据管理系统中进行在线填报，完成建设工程项目的质量保证资料、质量评定资料、计量支付、试验检测资料、工程日志、施工影像资料，通过不同门类之间相关数据的交互，避免了工程中的假数据。对于所有数据的填报，按照规定的审核审批流程进行审核校验，保证了数据的及时、准确、真实，进而达到对建设工程项目质量的有效控制。

基于BIM 模型的构件划分体系形成的工程构件库，统一工程中各类要素进行底层数据交互的数据存储格式，在此基础上设置工程建设项目的中期计量支付零号清单划分，实现基础构建层面与工程管理的信息化软件数据共享底层数据；零号清单划分遵循有利于工程实体计量的原则，可以实现建设工程项目的中期计量支付，通过中期计量支付功能的实现，来控制建设工程项目的计量支付情况，以及建设项目的投资管理，同时，可以有效地控制建设工程项目的质量，督促相关人员认真执行，约束项目相关人员行为，规范项目建设制度，强化工程管理质量[8]。

利用BIM 技术可实现手机端和网页端的质量检验和审批流程：施工方可利用APP 录入提交质量检验相关信息，通过系统推送至监理方，再经审核后推送至业主验收，实现施工过程管理无纸化，提高管理效率。

在系统应用方面，可以进一步完成施工建设过程中施工机械设备的远程监控，将建设工程项目现场施工机械的基本参数、施工环境参数以及施工原始数据远程实时传输到系统，并进行数据的有效分析，直接控制现场的施工质量，如对铺筑设备现场作业数据进行采集。

通过施工实际进度计划可以统计完成的工程量，自动计算计量期内相应的人力、材料的计划用量和实际消耗量；对后续的施工进行工程量预测的资源消耗量，并以此为依据指导原材料采购。在中期计量支付中，基于施工BIM 模型进行计量，可以将计量期内的计量工程量和实际完成工程量进行复核，并辅以质量保证资料、质量评定资料、试验检测资料进行验证，保证计量支付的项目、数量、进度、细目等的准确无误，再在系统中进行工程的中期计量支付，将中期计量支付的管控水平提升到一个新的高度。

4 结 语

在公路工程的施工阶段利用BIM 技术，可以有效提高施工质量与效率，保证施工人员安全，且有序协调各部门协同工作。通过系统界面可以实现可视化管理，了解工程概况与施工进度，有效解决建设工程项目模型可视化的问题，在其他方面也有着积极的作用。