基于BIM的公路工程全生命周期平台框架及关键技术研究

孙士成

（中交第一航务工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

随着“互联网+”技术的快速发展，各个基建行业加快对信息化、数字化的建设。近年来，BIM（Building Information Modeling）技术在国内建筑行业实现了快速的发展，如凤凰传媒中心、上海中心、大兴机场等项目中都实现了成功的实践应用。但BIM于公路行业，尚处于初期阶段。随着公路工程管理系统规模日益增大，传统的信息管理平台在应对这种复杂系统时，不可避免地会产生性能降低、拓展性变差和运营维护困难等问题，限制了系统平台的适应性和实用性[1]。

为了满足当前公路工程项目的切实需求，管理平台框架升级成为推进公路行业数字化、智能化的必要条件。此外，因BIM技术具有全生命周期、开放、共享等特点，已成为评价项目平台系统的重要标准。为此构架基于BIM的公路工程全生命周期平台框架，并对照公路工程行业BIM技术应用中的问题和需求，研究对应的关键技术和实践应用，并在项目设计阶段开始，到后期的施工和运维阶段，以数据为驱动，推进工程建设项目管理的标准化、精细化、集约化和智能化发展，可为公路工程信息数字化管理以及集成应用奠定基础[2]。

1 概述

1.1 公路工程特点

公路工程有其自身的典型特点。公路工程点多面广、呈线形结构和廊道属性[3]。公路沿线地形地质复杂，涉及生态敏感点和旅游景区较多，牵涉的地方管理部门众多。项目体量大，涉及专业多，项目沿线常常穿越多个规划区，与地方铁路和公路多有交叉，对设计质量要求高。施工工点散，协同复杂，对施工管控要求高。公路工程项目多为交通、旅游结合的项目，对后期运营养护要求高[4]。

1.2 BIM技术在公路工程中的发展

随着工程基建行业信息化技术的迅速发展和推广，在现阶段高标准、高精度的建设目标下，国家到地方多次发布系列政策推进BIM技术在公路行业的应用。近年来，交通运输部编制了《公路工程信息模型应用统一标准》、《公路工程信息模型设计应用标准》、《公路工程信息模型施工应用标准》等多部公路行业的BIM标准[5]。随着这些公路工程BIM标准于2021年6月的发布实施，BIM技术在公路行业领域得到了迅速的发展，部分专业已逐步成熟，基本可以贯穿公路工程“建管养运”一体化全生命周期过程[6]。

2 公路工程BIM技术应用的问题

2.1 无全生命周期的数据传递

现阶段，在公路工程建设的各个阶段，各家企业都开展了大量的BIM技术应用，如设计企业的BIM协同设计，施工企业的4D进度模拟、安全质量管理等，并在此过程中产生了大量的数据和信息。这些数据和信息涵盖了模型、图纸、文档、视频等方面。但各家企业在应用BIM技术时，由于需求、使用场景和应用目标的不一致，导致数据的管理、格式不统一。设计阶段的模型和数据信息无法向施工阶段有效传递，同样施工阶段的模型和数据信息也无法向运维阶段进行有效传递，导致公路工程建设全生命期各阶段数据无法真正互通，产生了大量的阶段性信息孤岛。

2.2 无有效地协同和管控

设计阶段，各家设计企业还是采用传统设计管理模式，对设计的进度和质量无法起到有效管控。BIM方式的设计模型协同虽然可以整合各专业的设计成果，在很大程度上减少设计的错漏碰缺、提高设计效率和质量，但这仅仅是设计协同的一方面。在设计过程中，不同参与方如建设单位、政府管理部门可能需要从设计之初就参与到项目过程中来。同时，设计的成果校审、质量管控也需要不同的角色人员采用BIM的方式共同参与，这是设计协同的另一方面[7]。现阶段，大多数企业仅实现了BIM模型协同一个方面，包括进度、质量等的设计管理还是沿用原有传统的项目管理模式，这和基于BIM的协同设计理念是不完全一致的。企业对设计的进度和质量也无法起到有效管控。由于管理模式的不适应而引起的BIM协同设计返工是不可避免的。BIM技术在设计阶段的价值无法得到充分体现。

施工阶段，利用BIM进行工程建设的进度管理、工程量统计、材料管理、质量和安全管理等单个方向上已经有了大量的应用案例，但这些应用都不成体系[8]。尚无一个完整的成套系统能将这些功能进行集中管理，工程建设的各不同参与方，如业主、设计、施工、监理等无法通过统一的平台架构实现建设全过程BIM技术的综合应用。

运维管理协同阶段，目前在公路工程行业内缺乏一个完整的运维系统，且不能继承施工阶段传递来的BIM模型及各类数据和信息。无法通过一个统一平台对各种设备、照明、视频监控、综合布线、消防等系统进行有效的、可视化管理，BIM技术在公路工程建设全生命期的价值无法最大化发挥[9]。

2.3 无行业层面的共享

公路行业内各家企业通过近年来在BIM技术上的应用和研发形成了大量的研究成果，如道路、桥梁、隧道等领域的BIM设计工具系统，工程建设中的桥梁与隧道工程项目建设管理系统等。这都较大地促进了工程项目的设计和建设效率，保障了工程质量，提升了企业的竞争力[10]。但这些企业自有的研究成果还没有在公路行业层面实现开放和共享，不可避免地导致了各家重复投资人力、物力、财力开展类似工作及重复性建设，无法实现资源的合理配置和高效利用。

2.4 开放包容度低

随着“互联网+”思维的不断发展，社会上“猪八戒工程网”等平台公司已经开始对传统的工程建设领域发动攻势，新技术、新模式、新生态对公路行业各单位的发展产生重大影响，如何利用好“互联网+”这一时机，制定一套开放包容的工作机制，充分吸纳行业内、外各类优势资源，实现公路行业的跨越式发展，是当前亟待研究和解决的问题。

3 全生命周期平台架构

基于以上思考，构建基于BIM的公路工程全生命周期平台架构，如图1所示。

平台总体框架，通过对基于服务的体系结构、云服务部署模式、数据安全、数据交换方式、数据管理技术、BIM+GIS等技术的研究，完成松耦合结构的总体框架设计。平台实现用户管理、人员培训、产品发布、产品审核、资源交易等功能。确保平台各系统之间的服务能够顺利与外部各系统及系统内各功能间的调用，为设计、施工及运维系统提供基础框架支撑。平台架构主要包括BIM设计系统、BIM施工系统和BIM运维系统。

BIM设计系统，在基于BIM的工程项目全生命周期开放式协同共享平台总体架构下，以满足设计阶段各相关参与方在同一工作空间开展BIM协同设计为目标，建立协同工作机制，对接项目策划技术，封装管理流程，搭建基于互联网的BIM设计系统[11]。平台实现设计工作策划、人员及成果文件的集成化管理。

BIM施工系统，以满足施工阶段多项目、多参与方的建设管控需求为目标，承接施工深化BIM模型，对接施工组织计划，集成专业施工技术，搭建参与各方以模型及其同源数据为核心的BIM施工协同管理系统[12]。系统配套建设施工BIM模型与施工进度、质量、安全、计量支付、文档等相结合的管理应用。BIM施工系统基于公路工程项目可开展BIM模型与移动应用等相结合的专项技术应用，实现工程建设过程一体化数字管控。

BIM运维系统，以满足承接竣工模型及资产、文档的数字化交接为目标，承接竣工信息模型，搭建运维协同管理系统，配套建设公路工程设备资产及文档信息管理应用。

4 关键技术及案例实践

基于本平台框架，对平南高速项目进行关键技术的实践应用，验证其合理性、可行性及有效性。平南高速是广西高速公路网规划布局中“纵10线”的重要组成部分。该项目起于百色平果市四塘镇，终至南宁市西乡塘区石埠北立交，全长约85 km，采用双向六车道标准建设，设计时速120 km，项目主要建设内容包括路面、桥梁涵洞、隧道、交通安全设施、绿化以及环境保护、房建等工程。

4.1 数字信息在各阶段管理系统中高效流传

面向本公路工程的覆盖包括策划、规划、设计、施工、运维的全生命周期各阶段。项目面向政府管控方、建设方、设计方、施工方、设备材料提供方、运维方等项目利益相关方提供的多元异构数据。平台框架研究BIM的多元异构数据管理技术，建立基于BIM多元异构数据管理方法。解决设计阶段数据成果向施工阶段、施工阶段向运维阶段传递的问题，消除信息孤岛，实现本工程项目全生命周期BIM数据传递。

4.2 BIM设计、施工协同、运维集成

面向本公路项目包括设计、施工、运维的3个最核心的阶段，平台架构系统性满足设计协同、施工管控和运维数据集成的核心需求。基于BIM的设计系统构建关键技术，解决BIM模式下多方设计协调管理的问题，真正实现多参与方、多终端、跨区域的设计协同。研究基于BIM的施工系统构建关键技术，通过对工程建设阶段的进度、质量、安全等功能的统一管理，解决BIM应用零散、不系统等问题，实现多项目综合规划、协作管理。研究基于BIM的运维系统构建关键技术，对工程项目设计、施工过程中产生的各类数据信息进行有效继承和集成，打通工程项目从设计至运维全生命期BIM应用。

4.3 基于BIM的知识成果开放、共享机制

基于本项目，平台架构实现BIM知识成果开放、共享机制，打破传统工作协作模式，形成资源共建、共享、共用的合力。在当今“互联网+”大市场中，平台架构打造本公路工程项目的生态系统，解决重复投入、重复建设等资源浪费问题。

4.4 基于BIM的工作众包

对于本项目工作任务的工作量大、分类杂、专业多等特点。平台架构创新性的推行众包模式下的任务发布、任务分配、任务管理等的工作机制，制定BIM众包下的业务流程及其商业模式。基于该BIM工作众包系统，行业内外可以在网页端、PC端、移动端同时访问同一个工作包下的BIM模型，实现跨平台和跨终端的多源数据融合和共享。工作众包将充分吸纳公路行业内外部各类资源，实现整个行业的跨越式发展，见图2。

图2 基于BIM的工作众包图Fig.2 Work crowdsourcing diagram based on BIM

5 结语

BIM技术虽然起源于建筑工程，但已经广泛应用于包括公路工程等基建行业的各个领域。本文剖析BIM技术在公路行业中推广应用出现的各阶段信息孤岛、无有效协同和管控、无真正开放和共享等问题。这些问题不仅仅是某个专业或某个企业的问题，而是整个公路行业需要深度思考并寻求解决之道的迫切问题。本文提出平台架构的关键技术为解决这些问题提供了思路。

平台框架系统针对公路工程项目全周期，基于BIM和“互联网+”等技术提供一整套全流程、全专业的信息化、数字化、智能化的集成式解决方案。秉承全生命周期、协同、开放、共享、共建等原则，构建基于BIM的公路工程全生命周期平台框架，旨在分享契合公路工程特点的BIM技术应用经验，为后期公路行业真正全生命周期数字化建设和管理提供参考。