基于BIM的机场道路工程智慧施工应用研究

陶 妹 向世军 向 宇 符志强 伍朝辉

(1.湘西厚驿交通建设投资有限责任公司 湘西 416000; 2.湘西自治州交通建设质量安全监督站 湘西 416000;3.湘西自治州交通规划办 湘西 416000; 4.交通运输部科学研究院 北京 100029)

建筑信息模型(building information modeling,BIM)[1-2]为公路施工的直观表达、信息传递、协同工作等提供了数据与工具支持。2017年1月22日，交通运输部印发的《关于推进智慧交通发展行动计划(2017-2020年)》[3]中提出“深化BIM技术在公路、水运领域应用”。2020年8月3日，交通运输部印发的《关于推动交通运输领域新型基础设施建设的指导意见》[4]中提出“鼓励在项目全生命周期协同应用建筑信息模型(BIM)技术，促进产业基础能力提升”。

公路工程具有量大面广线长、大面积地表模型、地质模型复杂、不规则路基、长距离的空间地理位置关系等典型特点[5-6]，故传统图纸方式沟通成本高，而BIM技术施工应用有助于提高工程沟通效率。国内外研究人员[7-8]开展了较为广泛的BIM公路工程施工应用，中交、中铁、中建等企业也将BIM施工应用作为企业发展的重要战略方向之一。目前，BIM公路施工应用主要集中在碰撞检测、模型展示、空间分析、力学分析等方面。也有研究人员[9-10]将工程主体的设计信息和建设信息融入到模型当中，使得模型信息具有了可传递性，从而在全生命周期中为各需求方提供工程数据支持。

总体而言，国内公路工程BIM施工应用已经广泛开展，但仍存在一些亟待解决的问题：①缺少符合普通公路工程特点与管理需求的BIM应用内容设计；②缺少针对普通公路工程的BIM施工示范应用。

针对以上问题，本项目以湘西机场进场道路工程为示范，在分析工程特点与管理需求的基础上，对BIM施工应用目标、应用内容、模型要求、集成平台功能等进行策划与分析，结合工程实际与施工要求，对基于BIM的湘西机场路智慧施工实施与创新应用进行分析，以期为同类型公路工程BIM施工应用提供经验与案例参考。

1 工程特点

湘西机场进场路工程地处湘西州花垣县，是连接湘西机场和G65包茂高速公路(吉茶段)以及国道G319/G209的快捷通道，主线全长5.084 km。湘西机场进场路工程体量不大，工程特点主要体现在以下3个方面：①结构对象丰富、特大桥施工难度大：工程包含了道路、桥梁、涵洞、互通立交、收费站等多类结构对象，桥梁比达到51%，控制性工程为高乐吉一桥特大桥施工，最高落差超过70 m；②联通要求高、工期要求紧：工程连通机场至G65、国道G319/G209，为机场与周边主干公路网的联通要道，为保证湘西机场顺利通航，工程工期明确，进度管理要求高；③挖填不平衡、环保要求高：工程位于山岭重丘区，施工环保要求高，路基挖方大于填方，弃方量较大，环保要求高。工程结构丰富、工期明确、体量适中等特点使得本工程BIM应用在普通公路工程中具有较好的示范价值。

结合湘西机场进场道路工程特点和施工管理需求，策划BIM施工应用的目标包括：①多类结构对象的施工信息集成管理；②施工进度管理，满足机场通航需求；③实现设计、施工与运营的数据传递，形成普通公路BIM施工应用示范。

2 BIM智慧施工应用

以BIM施工管理为目标，结合湘西机场进场路工程的实际情况，在工程BIM电子沙盘、施工数据集成、施工进度管理、施工安全监控等方面开展了BIM智慧施工应用与创新。

2.1 施工BIM电子沙盘

BIM电子沙盘是指集成全线的多结构对象的工程信息、BIM模型和资产信息，支持用户多尺度的工程信息查看、场景漫游和数字资产管理的信息化平台。通过BIM建模、模型融合和数据集成，形成湘西机场进场路工程BIM电子沙盘见图1。

图1 BIM电子沙盘示例效果

BIM电子沙盘支持以直观方式对构建出的场景模型进行三维查看，并可通过空间测距的方式来优化周边场地布置。在施工便道和取弃土场的规划与设计方面，通过电子沙盘对周遭地形的宏观查看，支持施工便道和取弃土场方案的定量分析与辅助决策，减少各工作面的运输路程，进而增强各施工场地交通运输的衔接性。

2.2 施工数据BIM集成管理

在公路施工过程中，包含数量众多的设计图纸及工程建设数据，随着设计变更与施工进展，不同版本的数据汇聚会造成建设方、管理方及设计方等部门的沟通与管理困难。通过BIM模型的属性建模对庞杂的施工过程数据进行集成，并将其依时序汇聚至模型构件中，形成对建设数据可视化的直观表达，支持各参与单位各阶段的数据传递，最大程度提高数据表达的流畅性、完整性与一致性，BIM模型管理与数据集成示例见图2。

图2 桥梁模型管理与信息集成示例

图2所示为高乐吉一桥的BIM模型管理示例，共有BIM构件349个，通过BIM模型的集成，将桥梁的T梁、桩基、承台、墩柱等各类构件及属性信息进行汇聚，实现直观的设计要求、施工物料、施工责任人、施工过程等数据的查核与管理。

2.3 图纸校核与设计变更

在施工实施之前对所构建的桥梁模型进行碰撞检测，见图3a)，可以大大减少施工变更的数量，提高施工效率。利用Navisworks对桥梁构件进行碰撞检测，施工图设计人员根据检测结果进行分析调整，直到得到满足专业要求的设计方案，从而减少了设计变更及施工返工。另外，通过BIM技术构建出的实体模型能够将二维图纸上的工程信息立体化，能够真实反映出二维图纸所包含的建筑信息在现实中的情况，再将其与二维图纸作比较，寻找出其中的差别，从而判断工程项目的设计与规划是否满足实际情况需求、是否需要修改方案，澎湖大桥设计变更示例见图3b)。

图3 设计变更结果示例

如图3b)，澎湖大桥原设计方案为170 m的T形简支梁桥，经过BIM建模与填挖方定量分析，发现该区域地形起伏并不显著，且这一地区没有积水和河流贯穿，通过进一步开展填挖方量和成本对比，发现直接填方的成本远小于桥梁建设。基于分析结果，进行了施工阶段的设计变更，在维持原平纵指标的前提下，将原澎湖大桥改为路基施工，不仅节约了施工成本，还提高了施工效率。

2.4 施工进度管理

对项目工程的进度管理是项目建设当中的重点控制环节，它关联着项目工程的前期投资及后期运营收益等环节。传统施工过程中，施工人员需自行对照CAD图纸进行工期的计划，还需要制定工期计划表来制定工期方案，过程较为繁琐和复杂。基于BIM施工进度管理，可以改变以往二维项目管理模式的局限性，实现三维的工程进度管理。BIM技术可以实现三维立体施工模拟效果，并可随时根据工程实际开展情况调整进度计划，实现现场施工与BIM模型的快速比对，从而及时发现问题，依托工程进度管理示例见图4。

图4 施工进度管理示例

如图4利用BIM模型对施工任务进行WBS分解，将完成、未完成、超前、延期的任务单元以不同颜色进行着色对比，使业主可以“一张图”直观掌握控制性工程施工进展。还可以通过分屏对比实际工期与计划工期的差异性，以时间横轴来控制工程进度的进行，在进度对比的同时能够显示每一个构件的开始建造时间和完成时间，以及名称、数量、顺延时间等信息，直观掌握整个工程的计划、实际进度，并明确工程进度延期的状态，以便合理安排下一步施工方案。

2.5 施工安全监控管理

在公路工程施工现场安全监管过程中，由于工程线条较长、结构对象较多、各施工现场环境复杂等原因，项目安全管理人员对各项目建设的质量安全状况的掌控具有随机性和不确定性。因此，需要结合施工场地模型与施工场地监控数据，构建施工远程监控系统，工程弃土场全景监控示例见图5。

图5 重要点位全景监控效果示例

如图5所示，通过将分时采集的全景影像与BIM模型、电子沙盘进行三维集成，可以以全景模式直观查看弃土场当前和历史的情况。还可以在BIM施工管理平台中，通过接入的施工安全监控视频实时监察施工现场生产调度、施工质量、安全与现场文明施工和环境保护等情况，使得安全管理人员对施工现场安全状况能够随时掌握，及时发现安全隐患，保证生产质量。

2.6 施工场地布置

施工场地布置指的是工程项目中临建场所、拌和站、钢筋加工场、梁场的布置与规划。BIM技术的可视化特性能够完美地将这些临建设施呈现出来，让场站区域能够更加合理地被规划，增加其实用面积，工程拌和站场地布置示例见图6。

图6 施工场地布置示例

如图6所示，在钢筋加工场、梁场、拌和站等区域，通过运输路线的规划与仿真，提高了预制构件的运输效率，减少资源的浪费，从而加快施工进度，保证人、机、材的顺利供应。

2.7 配筋分析与自动算量

在施工过程中随着作业面、材料种类、参与人员的增加，产生大量难以处理的施工过程数据，为解决这一问题，可以利用BIM模型对施工的物料、造价等数据进行估算和科学管理，桥梁钢筋自动算量示例见图7。图7a)为桥面板BIM配筋建模与算量的示例，图7b)为参数化桥梁模型中算量相关属性建模与自动更新的效果示例，在Revit中，将所有的钢筋数量以及所需混凝土吨数以编程的形式添加进桥梁构件的属性中，随着自适应族的变化，钢筋的数量以及混凝土吨数也会随之改变，避免人工计算的错误，大大提高计算效率。

在施工过程中，利用BIM技术的信息集成、模拟分析、三维呈现、空间定位等优势，实现了施工过程中的施工信息归集、进度推演与延期提醒、施工安全远程监控、BIM算量与成本快速估算等智慧施工应用。利用BIM模型和数据还可以进一步支持施工现场移动巡检、质量监测分析、重点工序远程督查、数据超限超标报警、数据跟踪查询，辅助支持施工安全检查、进度控制和工程监理施工管理。

3 BIM智慧施工应用效果与分析

结合湘西机场进场路工程实际与BIM应用目标，对BIM智慧施工的施工信息集成、施工进度管理、不同阶段信息传递等应用效果进行分析。

3.1 BIM智慧施工管理平台

湘西机场进场路BIM智慧管理平台集成公路、桥梁、互通立交等各项目专业化精细模型，并以模型为主要载体，联合进度、合同、安全、质量、人力、物料、图纸，以及施工日志等信息，通过BIM技术为客户提供综合应用管理服务。结合工程现状与业主管理需求，平台采用C/S方式来进行软件部署和访问，软件架构具备很好的开放性，提供完整的开发接口，主要通过接口来调用地理信息数据及服务，能够满足主流平台和跨平台快速应用开发的需要。BIM智慧管理平台包括9个主要功能模块，见图8，分别为：工程概况、电子沙盘、模型管理、进度管理、形象进度、施工模拟、全景监控、大数据管理、资料管理，用于集成工程基础信息、BIM模型、BIM模型应用结果与功能。

图8 BIM智慧施工管理平台功能界面

湘西机场进场路BIM智慧施工管理平台实现基于BIM的公路工程项目精细化管理，为项目的进度、成本、质量、安全管控提供及时准确信息和管理工具。

3.2 BIM智慧施工应用效果

以湘西机场进场路为应用示范，利用BIM技术实现工程施工过程中的进度、质量、安全的管理与协调。

1) 多类结构对象的施工信息集成。用户可以自由的漫游或手动交互的形式查看工程全线的不同结构对象，见图9a)，系统提供了一个BIM三维电子沙盘，方便管理查看与辅助决策，实现湘西机场进场路工程的交互式漫游，右上角小地图是实时对应三维位置，支持场景中桥梁、互通等重要结构对象点选查看。对于控制性工程，提供构件级的集成与属性查看，见图9b)，用户可以更加自主地对结构对象进行查看与溯源。

图9 工程结构对象集成功能示例

2) 施工进度管理。利用BIM模型实现工程施工进度的统一管理和直观呈现，提供2种进度管理功能(见图10a))，①对于工程全线整体采用计划和实际对比的方式，直观展示两者之间的差异；②对于控制性工程采用画图板的形式，见图10b)，将完成和未完成的任务以构件级进行展示，支持用户直接打印输出。

图10 施工进度管理功能示例

2种功能的数据来自于同一数据库，保持数据更新的一致性。用户可以上传进度信息，并在BIM模型上将进度进行直观展现，支持实际进度与施工组织计划的直观对比、工程施工复盘等。支持进度计划可视化，清晰直观地了解各个时间节点完成的工程量和达到的效果。支持工程进度预警，如果工程进度延期，模型会标红代表施工延期，弹出进度信息栏提示进度已延期，方便管理人员根据警示有针对地制定切实可行的施工安排。

3) 设计、施工与运营的数据集成与传递。将设计阶段的模型与关键数据传递给施工阶段，并为运维阶段的BIM应用与平台开发预留可扩展性，实现设计、施工与运营阶段的数据传递。

BIM模型最大的特点就是将工程项目的所有信息集成在一套完整的模型中，并能够很好地兼容其他软件系统，为工程建设提供强大的数据支撑和信息保障。图11a)为工程资料管理功能，实现将工程涉及到的资料统一管理；图11b)为视频数据集成功能，实现专项施工模拟动画，及监理要求的安全警示案例视频在该平台中集成，方便进行视频管理；图11c)为工程的基本信息集成效果；图11d)为工程大数据集成管理功能，将工程的物料、土方、水泥、算量、投资等关键数据及分析结果进行可视化显示。

图11 工程数据集成与传递功能示例

通过以上功能的实施，实现了工程基本信息、模型信息和施工管理功能的数据集成，并为设计、施工和运维阶段的数据传递提供了工具支持。

与传统施工管理相比，施工BIM应用实现了施工过程资料的数字化集成，施工进度的一张图管控、工程管理的三维可视化分析，为普通公路工程的施工管理提供信息化技术与工具支持。示范工程通过数字沙盘和模型管理实现了工程全线结构对象的数据集成，并打破了设计、施工与运维阶段的数据壁垒，实现关键数据与模型的数字化传递与交付。通过BIM图纸校核和碰撞检测，提前发现设计中的问题，提高了工程施工效率。通过BIM施工模拟和进度管理，合理优化工期，管控施工进度，满足机场通航的时间节点要求。工程BIM模型与前期应用成果还将数字交付到建成后的道路养护中，继续开展BIM运维管理相关的应用，推动BIM技术在工程全生命周期的示范应用。

4 结语

BIM为智慧施工提供了手段和方法，文中针对目前BIM公路施工应用中存在的问题，以湘西机场进场路工程为依托，对公路工程BIM智慧施工应用关键技术与方法进行研究与实践。结合示范工程特点与建设需求，对BIM施工应用的目标、内容和模型要求进行了分析，重点介绍了BIM电子沙盘、施工数据集成、BIM模型管理、施工进度管理、施工安全监控、BIM算量与成本快速估算等智慧施工应用，为施工阶段的工程成本、进度、安全和资料管理提供数据与工具支持。通过示范工程的BIM施工应用、平台开发和管理实施，实现了工程全线施工过程信息的集成管理，满足了工期要求，并支持施工数据向养护阶段的标准化交付。依托工程BIM施工管理经验对西南山区山岭重丘公路建设具有较好示范价值。下一步工作将重点围绕BIM数字化交付标准与实践、BIM公路病害建模与养护应用等内容展开。