BIM正向设计在道路工程全生命周期中的应用研究

崔志勇，吕春磊，王艳晗，尹贻新

(1.泰安市交通运输局 泰安市 271000； 2.河南理工大学 焦作市 454000；3.北京林业大学 水土保持学院 北京市 100083； 4.山东泰山路桥工程公司 泰安市 271000)

0 引言

BIM技术(Building Information Modeling)通过建筑工程项目的各相关方的信息协同，以数字信息仿真模拟建筑物全生命周期各阶段的存在形态，从而指导建筑工程的设计、施工以及运维阶段，在为项目设计和施工提供有效支持的同时，也为项目各个参与方提供协同工作和交流的平台。

交通行业有别于建筑行业，不同点在于其呈带状分布，具有与地形结合紧密、区域范围广、结构形式复杂、设计专业多、数据海量等特点，致使道路工程在传统的CAD二维图纸设计与技术交底过程中易出现施工方审图不便、交底不细、需要反复交底等情况，进而导致施工进度缓慢，安全、质量问题频发，增加返工率等通病。面对这样的状况，改善项目施工管理方式显得尤为重要。

通过BIM技术直接由三维建模控制模型信息，可以很大程度上减少设计阶段由选线带来的庞大工程量，把出现的工程问题及时反馈给工程管理和设计人员，解决由施工现场难以模拟引发的施工质量问题。

目前，国内建筑行业提出了BIM正向设计的理念，直接在三维环境下进行设计，利用三维模型和其中的信息，自动生成所需要的图档。运用BIM正向设计进行道路工程中全生命周期的建设管理，为道路工程项目的BIM应用又提供了新的视角。然而，运用BIM正向设计进行道路工程建设、施工及管理的研究及实例尚不多见，结合BIM正向设计理论基础及实例应用，顺应道路精细化设计的需求，探讨道路工程全生命周期的设计理论，为提出BIM正向设计在道路工程的应用方案提供参考。

1 BIM正向设计在道路工程规划设计阶段的应用

1.1 建立虚拟地理环境建模平台进行选线设计

道路工程作为线形工程，跨山川、河流、峡谷是很难避免的，那么在设计阶段的路线选择是一项非常庞大的工作量。若建立一个基于网络地理信息系统和三维地理信息系统的虚拟地理环境建模平台(架构图见图1)，将很大程度上解决道路选线的难题，同时可高效进行线路模拟和综合分析。

图1 虚拟地理环境建模平台架构图

一方面，可通过SRTM高程数据、Google Maps影像等开放网络地理信息资源的获取与利用技术的研究；另一方面，利用全数字摄影测量系统，可通过航摄像片、卫星遥感影像、倾斜摄影快速获取数字地形模型、正射影像地图及数字等高线地形图等数字地形资料。然后将获取的地理信息和地形数据通过Civil3D、SuperMap、Infraworks等软件平台建立公路线形模型，同时利用仿真技术和三维显示设备进行虚拟视景仿真体验，并可对多种线路进行方案比选和对比分析。

1.2 利用DEM法进行土方量计算

数字高程模型(DEM)是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的实体地面模型[1]。利用DEM法对土方量进行计算实质上是计算初始地面与设计地面之间的体积差值，通过Civil 3D运用此方法将道路模型曲面与原有地形曲面相比较来计算土方量，和传统方法相比，通过三维模式下两个曲面的比较则更为准确。计算的具体步骤见表1。

表1 土方量计算步骤

BIM通过建立3D关联数据库，可以准确、快速计算并提取工程量，提高工程算量的精度和效率。BIM遵循面向对象的参数化建模方法，利用模型的参数化特点，在表单域(Field)设置所需条件对构件的工程信息进行筛选，并利用软件自带表单统计功能(Schedule)完成相关构件的工程量统计[2]。

2 BIM正向设计在道路工程施工建造阶段的应用

2.1 BIM技术在施工方案和施工进度中的应用

传统的道路施工方案及施工进度多采用二维横道图进行展示，并不能真实反映施工进度的实施情况，加之施工方与设计方意图理解不一，极容易造成计划变更，延误工期。运用BIM技术可以针对高速公路多线长的特点以及项目需求，进行BIM施工模型以及多层次施工技术的运用，实现施工的可视化管理[3]，利用4D虚拟施工是用广联达、斯维尔等提供的BIM5D的虚拟仿真环境，通过软件平台将道路模型导入，进行施工段分区、施工方案设计和虚拟推演，加入时间进度以动态检查方案可行性，并且系统自动生成施工进度横道图。施工过程中，可对工程量进行实时查看，动态掌控实际施工进度与施工计划的关系，及时调整施工顺序，安排施工区段进场时间，使高速公路施工技术管理实现科学性、规范性。

2.2 基于BIM模型进行虚拟施工现场模拟

BIM技术与其他技术最大不同就是使用参数代替数据信息进行建模。将公路工程中各种数据信息以参数的形式表示，对不同参数进行分析，实现公路工程三维、立体模型的建立，能够准确、清晰地将不同施工环节以不同参数的关系表现出来[4]。通过建立施工现场及设备布置模型，一比一模拟道路实际施工场地，自动定义施工设施的4D属性。点取任意设施实体，可查询其名称、类型、型号以及计划设置时间等施工属性，并可进行场地设施的信息统计等，将场地布置与施工进度对应，形成4D动态的现场管理[5]。通过建立三维施工现场模型，布置设备放置位置、控制进场时间、综合管理料区、模拟吊装过程，让各区段参与方直观了解工作进度和施工流程，对机械配置、劳动力配置、安装时间进行调控，将一定程度上解决因施工现场布置不当造成的施工质量和工期延误问题，施工现场模拟见图2。

图2 某路段施工过程模拟

2.3 BIM技术在道路施工安全、技术交底中的应用

在公路施工过程中，需要对施工队伍进行具有可操作性、符合技术规范的分项工程施工和安全技术交底。BIM技术通过三维数字模型的建立与建筑工程项目相关的各项信息进行集成，建立资源信息模型，构建资源管理子系统和可视化安全管理平台，可实现细部构件的提取和可视化管理[6]。运用BIM技术对道路工程分部、分段的分析，将重要的施工环节、工艺等进行重点展示，提高管理人员和施工人员对施工工艺的理解和记忆。利用移动终端采集现场数据，建立现场质量缺陷、安全隐患等数据缺陷，与三维模型实时关联更新，将问题可视化，及时纠正，做好统计分析，保证施工正常进行。

3 BIM正向设计在道路工程运营维护阶段的应用

3.1 BIM和GIS的集成实现道路养护和信息管理

三维地理信息系统基于空间数据库技术，可建立基础地理数据的快速采集和带状三维场景的无缝集成，通过对检测设备和系统综合集成，提高可视性和协同性[7]。IFC(Industry Foundation Classes)和CityGML(City Geography Markup Language)分别作为BIM和3DGIS领域通用的数据模型标准[8]，两类数据模型的几何、语义信息共享为BIM与GIS的集成提供了条件，现已论证了信息模型能够在BIM和GIS领域和软件平台的无损转换和无缝连接[10]，从而实现一种从BIM实体模型自动提取多细度层次GIS表面模型的方法，为线形工程数据整合、辅助运维管理奠定了良好基础。

利用传感器和移动测量系统建立实景三维GIS系统，结合竣工模型对道路的每一个区段、设备、构筑物进行实时监测，及时调取数据参数，导入路网实时数据库和历史数据库，建立道路动态养护平台，有利于应急抢险的科学快速决策，实现道路工程全生命周期内模型、数据的统一存储、分析。架构图见图3。

图3 道路养护信息系统架构图

3.2 BIM技术在道路工程信息化运营管理中的应用

道路工程的维护工作是一项复杂的系统工程，它需联系到道路工程的建设、施工阶段的信息资料，而且具有专业性强、机动化程度高，时效性强等特点，同时，国内道路工程的维护存在新设备投入率低[9]，作业信息化程度低[6]，维护经费匮乏等现状。因而，运用BIM技术建立道路工程运维管理平台，整合道路设计、施工阶段的工程信息资源，解决建设和养护阶段的信息分离问题，实现设备故障报修，定期定段养护提醒以及智能化维护尤为必要。通过三维模型进行设备设施的统一编码，该编码作为唯一标识载入数据库，同时保存道路建设、施工阶段的信息资料，另外结合GIS数据库信息形成数据库，各个相关方对数据库中信息进行提取、筛选，实时掌握道路运行情况和设备维修位置，进行健康检测和信息化管理。道路工程运维管理平台的框架图如图4。

图4 道路运维管理平台架构图

此外,模型管理也是极为重要的环节，需要将高速公路中的道路、桥梁等设施信息和BIM模型相互衔接，借助于点击BIM模型，对模型内的大量属性做出可视化管理与查询，用于形成更为完整的认识，并将各种不同类别的资源信息有效融合,形成更为完整的文件关联系统,最终获取BIM模型数据库，此后养护管理工作均可以借助于模型数据库中的信息技术，其能够行之有效地提高工作质量与工作效率。

4 总结

相较于BIM技术在工民建方面的广泛应用，在道路工程中的应用仍需推广和探索，而BIM正向设计是当下BIM技术应用的热点。通过阐述BIM技术在道路工程的规划设计、施工建造、运维管理阶段的理论依据和应用实例，证实了BIM正向设计在道路工程中全生命周期各阶段应用的可行性，这对建立基于BIM正向设计理念的道路工程全生命周期协同工作平台提供了参考。综上论述，BIM正向设计在道路工程全生命周期的技术方案的确立具有前瞻意义和应用价值。