BIM技术在公路工程中的应用研究

陈晓燕

（甘肃天马公路建筑工程有限公司）

1 引言

公路是国民经济的大动脉，是关键性基础设施与重大民生工程，更是我国综合交通运输体系的骨干与主要运输方式之一，在我国经济社会发展中有着举足轻重的位置。加强现代化公路建设，对优化路网布局、构建现代综合交通运输体系、夯实交通强国实力具有重要意义。当前，我国正处于公路工程建设事业的快速发展期，公路工程具有体量大、周期长、投资高、工艺复杂等特点，在施工过程中可能会因技术交底、构件供应等因素而出现图纸变更、进度计划调整等现象，致使公路工程项目的施工组织计划不明确、工期延长等问题。BIM技术采用带有属性信息的三维仿真模型对工程对象进行客观表达与描述，利用良好的信息共享、模型管理、结构计算等功能实现对工程三维模型的模拟、共享、管理与计算分析，实现对复杂空间对象的精细化表达与科学化管理。同时，BIM技术的数据共享与协同特征可有效支持工程设计、施工、监理等多主体协同监管工程施工状况，是推动工程施工流程化管控与全生命周期管理的重要技术抓手。

2 BIM模型的创建与管理

2.1 协同工作环境

在工作环境方面，为强化各参建方在各环节的信息共享与协同管理，BIM技术为各参建方组织与管理公路工程相关数据如路基宽度、最大纵坡、极限最小平曲线半径、停车视距参数等提供了规范性的数据组织与存储标准，并利用元数据描述公路工程各参数的语义信息、规格标准、数据类型等，为公路工程实施阶段的数据存储、组织、管理、传输与共享提供了标准化基础，避免不同技术平台或软件下BIM模型信息存在的格式转换数据丢失、数据描述内容不清晰等问题；利用文件管理方式对各类模型资源进行管理，通过文件的权限设置、文件管理工作流设计、文件版本更新管理等，实现BIM技术支持下的公路工程各参建方协同管理与使用模型文件。同时，为做好公路工程的设计、采购、工艺实施、监理等工作的统筹管理与协同调度，BIM技术提供了一系列基础构件或器件单元模型以及工作流程，以便各参建方在同一套标准与工作流程下创建与管理公路工程的承台、桩帽、桩、板梁、箱梁、桁架梁等构件模型，有力地指导构件采购、预制生产、施工组织计划编制等。

2.2 协同工作方法

BIM技术采用统筹管理与顶层设计的理念，以节点化的管理方式对公路工程各参建方在工程全生命周期内的数据进行统一应用接口管理，即公路工程各参建方的数据由单一入口进入到BIM数据库或模型库中，通过单一入口的汇总与权限管理，可较好地保证BIM数据或模型文件的安全性与访问有序性。例如，在公路工程设计阶段，设计人员利用BIM技术相关软件对板梁这一构件进行三维仿真模拟，在空间结构与细部关系三维刻画后，为板梁模型附加上规格大小、设计理论重量等属性参数，利用空间数据与属性数据的集成组织与管理实现板梁BIM模型的构建；板梁施工阶段，利用BIM技术相关软件的数据应用接口调取板梁的三维仿真模型，查看其诸多属性参数，更为全面地共享与获悉板梁的设计标准与质量控制要求，有效监管板梁浇筑等施工作业的质量[1]。

2.3 BIM 模型管理

BIM技术在模型创建与更新方面提供了良好的属性图形联动机制，其将工程对象的三维模型参数化，参数调整后软件可自动渲染与更新三维模型，如修改板梁的规格参数中的高度后，板梁三维模型也会相应发生调整，并利用计算机图形引擎重新渲染出更新后的板梁三维模型。属性图形联动机制可以极大地提升工程对象BIM数字化建模的效率，其主要依托BIM技术中的构件库管理工具对工程对象的构建进行标准化，在实际公路工程设计阶段则调用相应的组件进行参数调整与构件拼装，实现公路工程对象三维模型的快速搭建。同时，BIM技术具有强大的信息处理与科学计算能力，可继承公路工程的专业算法优化设计方案。如在对公路工程中的桥梁孔跨进行布置时，可将公路桥梁所在区域DEM、控制点位数据、梁型信息等输入到软件中，引入模拟退火算法与强化学习方法，通过全局遍历与随机搜索对大规模孔跨布置组合求取最优解，实现对桥梁孔跨的自动测算与最优布置，提高孔跨布置的科学性。

3 BIM模型在公路工程施工中的应用分析

3.1 构件库开发

BIM模型的构建与共享是公路工程设计、施工协同管理的关键。在公路工程设计阶段，需利用BIM技术对公路工程中各个对象如板梁、钻孔桩、桥台、连续梁等进行三维仿真建模，对各对象如板梁的长度、高度、宽度等参数进行精细化设计，并利用结构计算与碰撞测试等检查工程对象设计中存在的不合理之处并加以参数调整，利用良好的属性图形关联机制实现参数调整下三维模型的自动渲染与更新。公路工程对象的三维仿真建模与设计调整优化主要依托BIM技术中的构件库管理工具对工程对象的构建进行标准化，在实际公路工程设计阶段则调用相应的组件进行参数调整与构件拼装。因此，利用BIM技术建立公路工程的标准化构件库，设计人员可调用构件库中的构件构建工程对象三维模型。例如，利用Revit软件设计并开发不同规格、型号、属性、用途的公路工程对象构件族，利用Tekla Structure软件对构件的空间结构进行设计、对构件间的空间关系加以定义，在对构件进行分类与编号后保存到构件族库中。

3.2 公路工程构件生产

公路工程对象各构件设计完成后，需将设计方案与生产厂商共享，以便其采购原材料、组织生产作业。早期构件设计人员移交给生产厂商的多为二维图纸，其对构件的空间结构数据与属性数据等刻画与表达相对局限，构件的设计交底不够完整，不利于构件高质量、高精度生产。将BIM技术应用到公路工程设计方与生产方技术交底中，以公路工程对象的构件三维仿真模型为交底内容，生产厂商可直观查看各构件的规格、尺寸、结构、材料、属性参数等，便于构件生产人员精确掌握构件的空间结构、属性数据、预制参数，如板梁的长度、高度、宽度、中板、边板、钢筋等，确保构件生产的精准性。此外，在BIM协同工作环境与工作方式下，生产单位的构件生产方案可与公路工程施工单位的施工方案有机衔接，根据公路工程施工进度协调生产单位的原材料采购计划、生产计划与运输计划，以流程的有序衔接提高公路工程施工各环节的高效配合与有机协同（见图1）。

图1 高速路预制构件设备示意图

3.3 图纸会审与技术交底

在对公路工程对象各构件逐一设计后，可利用BIM技术对各构件三维仿真模型进行碰撞测试与错误检查，经结构计算与空间分析找到各构件拼装时存在的结构交叉、重叠、碰撞等问题，并通过调整构件三维仿真模型的属性参数或空间结构，优化构件的设计方案，提高构件设计的合理性与可行性。例如公路工程中的桥墩由桩基、承台、托盘、顶帽、牛腿、垫石等构件组成，在对各构件三维建模后，可利用结构分析方法检测各构件的空间结构交叉状况，帮助设计人员与施工人员提前规避构件不匹配问题。同时，依托BIM技术的结构计算分析模型，结合公路工程的几何结构、材料等测算出公路工程的荷载，以便合理利用预应力技术，量化测算灌浆量，有效控制预应力筋的伸长值在一定阈值范围内[2]。

3.4 施工过程模拟

早期公路工程施工进度管理大多依赖于施工组织计划的编制以及现场管理人员的统筹调度，施工组织计划对施工作业顺序、逻辑、时限加以设计，但受到突发性天气状况或现场机械设备协调不力等因素影响，施工进度可能会发生延误，施工作业逻辑也无法严格按照组织计划有序实施。利用BIM技术对公路工程的施工过程进行模拟，或对公路工程施工的关键环节与复杂工序进行提前模拟，现场管理人员与技术人员可从施工过程模拟中预先发现施工作业存在的工序逻辑错误、施工资源浪费式消耗以及施工工艺实施安全隐患等，进而纠正、调整、优化公路工程施工组织计划，确保在施工过程中各项工序推进与衔接的有效性、契合性与安全性。

3.5 施工动态控制

公路工程施工过程中，在BIM软件中输入施工现场的场地模型数据、公路工程的结构模型数据、公路工程的施工计划等，BIM软件会按照施工计划动态执行施工节点的施工作业内容，并将不同节点的施工作业内容有效衔接与组织，建立BIM4D模型。在公路工程实际施工阶段，施工人员以日、月等时间周期将工程施工进度上报给管理人员，由管理人员将施工进度录入到BIM相关软件中，将实际施工进度与计划进度进行动态比对，以便管理人员及时发现施工进度偏差并做出调整。同时，利用BIM技术对公路工程施工进度进行管理，可有效关联每日、每周、每月施工进度、施工内容、构件采购、机械使用登记等环节，有效关联项目部、工程部、技术部、质量安全部等协同参与到公路工程施工、质量核查、技术培训、员工管理等业务中，实现公路工程施工的动态控制与协同管理。

4 结语

BIM技术将公路工程平面设计图纸转换为三维施工模型，以BIM模型为媒介，为图纸会审与技术交底的数据精准传递与共享提供技术支撑。同时，BIM模型与施工计划结合，三维可视化手段直观形象展示施工进度；施工计划与三维场景结合，为优化调整施工计划提供参考，可切实提高公路工程施工模型构建的水平，集齐、组织、管理、共享公路工程分部分项工程模型、施工人员、材料、机具模型等系统资料，为公路工程项目施工图纸校核、工程量核算提供便利的条件。