BIM 技术在某高速公路项目建设管理中的应用

饶 舰 龚 啸 王兴龙 许龙

（深圳高速工程顾问有限公司，深圳 518000）

引言

近些年，随着国家政策加大对“互联网+”和工程信息化的扶持，全国大部分省份公路交通信息化建设都以整合规划为指导，围绕交通运输部对信息化建设提出的总体目标，积极开展交通信息化建设，信息化平台建设和BIM 等新技术应用的步伐在不断加快[1，2]。在此背景下，西部某省政府及省交通运输厅出台一系列针对本省高速公路发展扶持政策，推动本省交通运输行业项目运用以BIM 技术为主，融合当前市场先进的GIS 技术[3]、倾斜摄影[4]、VR 技术[5]、全息投影技术[6]、大数据和云计算[7]等，通过调动和整合各种信息与资源，为公众服务及行业治理提供有力支撑，使交通运输变得更加智能化、精细化和人性化。

1 工程概况

1.1 项目简介

本项目为国家高速公路建设重点项目，是西部某省交通突破行动的重点工程，局部效果如图1 所示。项目主线全长196.335km，为双向四车道高速公路建设标准，设计时速100km/h，概算批复金额为121.785 亿，2016 年4 月开工建设，截止目前一阶段已建成通车，2021 年底全线贯通。项目是深入贯彻落实国家西部大开发战略、加快“丝绸之路经济带”黄金段建设的重要举措，对完善国家高速公路网的整体布局，积极发挥国家高速公路规模效益，完善区域路网布局等均具有战略意义。

图1 项目局部效果图

1.2 工程重难点

本项目共设置特大桥3 座，大桥14 座，特长隧道2 座，分离式立交12 座，互通立交6 座，收费站5 处以及服务区和管理所12 处。项目线路长，跨越沟谷和山脉众多，设计桥梁众多且结构复杂，隧道超长且埋深超大，沿线设施众多。项目工程规模大，线性分布区域广，仅土建合同段就分为7 个。项目涉及主要参建单位多达30 余家，施工协调和信息传递与共享难度极大，为工程建设管理带来巨大挑战。

项目包含单洞（右线）4.442km 和单洞（右线）7.527km 的两座超长双线分离式隧道，横穿两座大山，最大埋深达530m，地质复杂性和施工难度为项目建设管理带来极大的安全风险。

本项目作为建设一体化服务平台示范项目，承载着实现西部某省公路设施建管养一体化先期试点任务：开发项目建设管理信息化服务平台，积极推动BIM 等新技术的应用，为公路设施建管养一体化建设奠定基础。

1.3 BIM 技术实施原因

本项目实施BIM 技术应用的主要原因是提高管理水平和应用率：

（1）项目地处西部戈壁沙漠地区，所在地地理位置偏远，地形、地貌及地质构造复杂，自然环境恶劣，气候条件极差。项目桥梁数量大，隧道超长，施工难度大，风险影响面广，管理要求高，对传统的项目建设管理方式带来极大的挑战，业主期望通过引入BIM技术等信息化管理手段提高管理效率和水平。

（2）BIM 技术在高速公路建设中的应用已逐渐从部分经济发达地区向全国范围辐射。项目所在省份亟需借助优质项目资源来提升BIM 技术的应用率，扩大BIM 技术应用成果，力求通过本项目推动全省范围内BIM 技术和信息化管理平台的应用。

2 BIM 技术应用目标及环境

2.1 BIM 应用目标

利用BIM 技术在高速公路项目应用中的最新成果，将BIM 技术与建设管理平台、企业信息化系统等有效整合，贯穿于项目一体化管理流程中，进一步提升建设管理与运维养护的全过程、全业务、全产业链的数据继承与应用范围及深度。

通过数据、系统及应用的集成，实现BIM 与业务的深度融合，质量、进度、安全和计量等方面的管理效率提升，节约项目成本，加快施工进度。以建设期为基础，统筹建设管理、运营管理、养护管理三方面的数据，确保高效的数据继承，实现建管养全部数据的云端存储，提高数据共享交换能力和使用效率发挥各自优势，拓展应用领域，从而提高用户决策效率、降低工程建设成本，为用户提供数据处理、数据可视化，二次开发等全方位一体化的云服务，探索新一代信息技术（全息投影、激光点云、VR 应用等）在高速公路项目建设管理中的应用。

2.2 BIM 应用软硬件环境

本项目配备是满足BIM 应用必须的软硬件，具体如下：

（1） 软件方面： 利用MicroStation、Revit、Civil3D 完成土建、机电、交安及管线等进行BIM 建模[8，9]；利用OBM(OpenBridge Modeler)、ORD(OpenRoads Designer)进行模型深化设计；利用NAVISWORKS 进行模型碰撞检查[10]；利用SuperMap iServer[11]和本司开发的模型检查、挂接和发布工具，采用Ajax 异步技术发布模型，同时执行本司轻量化工具优化模型数据，如图2~ 图3 所示。采用高性能的3DGIS 技术渲染引擎处理GIS 数据，其可同时加载诸如卫星影像、倾斜摄影、BIM 模型、CAD 图纸以及点云等GIS 和BIM 数据；

图2 两路径BIM 模型信息挂接与发布部分流程示例

图3 BIM 模型挂接信息检查示例

（2）硬件方面：配置有高性能计算机、专用云服务器、图形工作站、数据中心、VR 眼镜、全息金字塔展示柜等硬件设施。

2.3 BIM 应用实施方案

结合项目特点制定了实施方案，对建模精度、模型融合、应用范围及团队都进行了约定，包括如下：

（1）建模范围及精度。全线特大桥、大桥以及隧道的建模精度为LOD3.0；全线中桥、小桥、涵洞、道路、边坡防护设施、交安设施等的建模精度为LOD1.0；

（2）模型融合。由于线路超长，BIM 建模工程量巨大，采用了多个团队同步推进的方式加快建模进度。不同团队应用了不同的建模软件，要考虑BIM 模型格式转换及融合问题以及与GIS 数据、倾斜摄影模型融合的问题，要对计量等主要业务板块的建设管理应用以及对“BIM+”模式进行BIM 扩展应用；

（3）团队组织。设置项目公司为管理组，平台单位为实施组，施工监理等单位为应用组的三级管控梯队。每级均按照单位设置BIM 负责人和组员，其中平台单位设置BIM 总工、BIM 建模工程师、BIM 应用工程师、BIM 运维工程师等岗位支撑项目的整体BIM 技术应用，项目局部BIM 模型如图4 所示。

3 BIM 技术项目建设管理应用

按照项目级或合同段级工程划分(单位——分部——分项)，将工程实体拆分成项目业务管理与BIM模型应用适宜颗粒度，通过工程业务数据与BIM 模型关联，实现基于BIM 三维模型的施工生产协同管理。

3.1 基于BIM 的质量精控

本项目基于BIM 进行质量管理控制主要体现在图纸信息获取便捷性，质量隐患闭环整改控制及质检信息（数据、流程、报表等）可追溯性。

（1）BIM 模型与建设管理平台质量管理模块实现数据互通，点击模型构件可直接查看对应构件的质量信息，实现质量管理三维可视化；同时，通过扫描BIM 模型构件唯一编码生成的二维码，可现场录入质量管理数据，其自动关联到BIM 模型构件。双向的数据互通，确保质量精确控制；

（2）在BIM 模型构件上查阅施工图纸，将工程实际情况与设计图纸进行可视化对比、分析、纠偏，及早发现设计图纸错、漏、碰、缺问题；

（3）在BIM 模型上记录质量巡检过程中发现的问题，并相应触发整改单等一系列流程，整改完成由监理确认后，整改流程方可闭合，从而完整记录质量问题及处理情况，如图5 所示。

3.2 基于BIM 的进度控制

基于BIM 的4D 进度控制的三大核心功能是进度计划编制、实际进度管理、进度偏差分析。

（1）基于BIM 编制项目进度计划。通过在BIM三维模型上模拟计划进度，用以分析和调整并最终确定最佳的进度计划，确保资源合理配置；

（2）跟踪项目实际进展。通过管理平台以横道图加BIM 模型三维可视化的形式，直观查看项目的进展状态，包括实际的与目标的对比横道图以及里程碑计划、一级计划、二级或更细致的多层计划的跟踪对比展示，并以三维的形式直观展现；

（3）进度对比分析。通过实际进度与计划进度对比分析，输出进度偏差数据并直观呈现在BIM 模型上，并对超出预警阈值的部位进行预警提醒，指导施工管理人员进行进度纠偏，如图6 所示。

图6 基于BIM 的4D 进度管控

3.3 基于BIM 的安全智能管控

安全管理作为高速公路项目管理中的重中之重，BIM 应用使得安全管理模式发生重大变革，本项目在安全智能管控中应用点较为丰富。

（1）安全隐患一张图管控。安全隐患实时录入平台，通过记录坐标实现在GIS+BIM 的三维场景中展示隐患点的分布，查阅隐患属性信息，以及相应专项处置方案；

（2）安全隐患三维数据管理。将安全隐患点通过工程划分关联至BIM 模型构件上，利用平台移动端APP 进行拍照取证、录入信息，并在模型中标注位置，动态跟踪实体构件上的施工风险点；

（3）安全交通疏解方案论证。运用搭建的BIM+GIS 三维应用场景，在其中展示线路位置、走向及尺寸信息，同时展示与既有线路、周边建筑物等的空间位置关系、跨线形式、既有交通情况等，运用算法和大数据支撑进行安全交通疏解方案论证，实现交通疏解方案比选和最优化；

（4）安全监控管理。在BIM 应用中整合视频监控数据，对施工现场视频监控实时调取，监控现场施工情况，实现安全在线巡查。同时，可安装AI 视频监控对安全行为或状态进行智能判定，平台自动判别安全隐患并记录，在GIS+BIM 三维场景中呈现，如图7所示。

图7 基于BIM 的安全智能管控

3.4 基于BIM 的计量支付管理

随着BIM 技术的不断发展，对于BIM 技术在项目预算或资金成本方面的应用研究，已有学者涉足[12]。但计量支付涉及的数据敏感性高，数据管理比其他业务更为严格，当前BIM 技术方面的应用点较为局限。

本文采用如下方式实现基于BIM 的计量支付管理：

（1）制定基于BIM 的计量支付管理办法，明确计量支付审核流程和应用范围等；

（2）应用BIM 算量工具进行算量并用于辅助计量[13]，实现桥梁和隧道二衬混凝土方量的快速计量；

（3）基于计量支付数据库，将工程量计价信息绑定到BIM 构件，应用Restful 或Web Services 技术，统一数据传输接口标准，实现BIM 模型与建管平台的数据互通，计量支付管理三维可视化，如图8 所示。

图8 计量数据三维可视化

4 BIM 技术扩展应用

4.1 虚拟漫游

虚拟漫游以BIM 模型（叠加GIS 或实景）搭建的三维场景为基础，利用视角移动，沿预设路径漫游，使用户在项目虚拟三维场景中体验身临其境的沉浸感[14]，具有与环境完善的交互能力，在场景中体验工程建成后的效果。

本项目搭建的BIM+GIS 三维应用场景支持项目全路段BIM 模型漫游，支持漫游路径的预设、自定义、编辑和删除等，支持漫游过程中暂停、播放、停止，支持漫游播放速度的切换调整，支持视角高度、视角方向的调节。用户通过预设漫游路径，在三维场景中实现任意角度、方向、走势的虚拟漫游，如图9 所示。

图9 三维场景漫游

4.2 钢筋碰撞检查

基于钢筋级BIM 模型进行结构物各构件诸如钢筋、预应力管道、型钢、预埋件等的碰撞检查，记录碰撞问题、形成碰撞问题报告，并据此制定解决方案以快速处理问题，将碰撞问题及处理结果录入平台，结合BIM 模型构件查阅相关信息。

本项目完成1 座特大桥2 座大桥共计16 跨连续钢构梁段钢筋BIM 模型建模，如图10 所示。通过将MicroStation 建模的BIM 模型转换格式后导入NAVISWORKS 中进行钢筋碰撞检测，共计检查二百多处钢束与钢束碰撞点和五百余个钢束与主筋或预埋件的碰撞点，输出碰撞报告（如图11 所示）提交至设计院，业主专门就输出的碰撞问题召开了专题会，对碰撞问题进行研讨并集中给出解决方案，主要是设计调整、施工措施处理两种。

图10 桥梁连续钢构梁端钢筋BIM 模型

图11 碰撞报告

4.3 BIM+全息投影

全息投影技术亦称虚拟成像技术，是利用干涉、衍射和分光镜成像原理记录并再现物体真实的三维图像的技术。利用全息投影技术制造可将三维画面悬浮在柜体实景中的半空中成像系统。系统由柜体、分光镜，视频播放设备组成，通过拍摄或录制的三维模型动态影像并叠加进三维场景中，呈现3D 幻影立体效果，给人以视觉上的冲击，具有强烈的纵深感。

本项目基于某大桥桥跨结构——波形腹板钢箱梁BIM 模型，制作波形腹板钢箱梁拼装3D 视频，利用搭载全息幻影成像系统的全息金字塔展示柜呈现箱梁拼装的3D 幻影立体效果，做到拼装的每一步骤清晰可见，为BIM+全息投影的应用提供实践经验，如图12 所示。

图12 钢箱梁拼装全息投影

4.4 虚拟施工与可视化交底

运用BIM 模型实现三维可视化技术交底，直观呈现拟施工的结构物或构筑物各构件的施工顺序和施工方案，同时明晰施工技术要求，让技术交底走向三维化、可视化、智能化[15]。

以本项目特长隧道二衬施工为例，运用BIM 模型进行两种二衬专项施工方案的虚拟施工分析。二衬模筑施工工艺相同，不同之处体现在二衬注浆回填工艺上，包括二衬台车脱模后注浆和带模注浆两种。其中带模注浆即在未脱模情况下，通过改造的二衬台车注浆装置对二衬拱顶进行注浆。经过模拟施工方案并比选，发现带模注浆方案施工效果更佳，有效减少了隧道二次衬砌背部脱空数量，降低施工缺陷，适当增加施工效率。

完成施工方案比选后，对隧道二衬虚拟施工进行技术交底三维模拟，如图13 所示，明晰施工要点和控制参数，给施工人员进行可视化交底，加快方案熟悉程度，做到施工前有的放矢，确保施工质量与安全。

图13 隧道二衬带模注浆虚拟施工

4.5 BIM+VR

基于虚拟现实引擎技术来承载BIM 模型及其数据，将BIM 模型在VR 环境中展示，管理人员在虚拟现实环境中身临其境的进行模型漫游体验，查看BIM 模型中的各类属性信息，在虚拟现实环境中进行安全施工教育、危险源体验、安全生产培训，如图14 所示。

图14 VR 安全体验

5 总结

本文详述了BIM 技术在某高速公路项目中实际应用的成果，通过研发信息化集成服务平台开展BIM 应用，推动BIM 技术在高速公路项目施工管理中的发展。在某高速公路项目建设中，BIM 技术应用加快了部分阶段的施工进度，节约了项目的直接成本和管理成本，精细化管控提升了工程施工质量，极大地降低了施工安全风险，减少了安全事故的发生，综合提升了项目的管理精细化程度和管理效率，为项目成功实施提供有力支撑。

项目以BIM 技术为核心的多种新技术融合应用，积极推动了BIM 技术以及GIS 技术、全息投影、VR等新技术在高速公路中的应用落地，丰富了信息技术在公路工程中的应用范围和应用深度，并在项目实践中享受技术的优越性，为其他同类高速公路项目BIM技术应用提供范例。